基于手機耳機接口通信的Mini甲醛氣體檢測儀

張志廣+林聰+李志剛

摘 要： 甲醛是室內環境污染的重要因素之一，該文提出一種基于手機耳機接口通信的便攜式甲醛氣體檢測儀，設計基于MSP430單片機的傳感器檢測終端電路，采用FSK編碼進行數據的傳輸和處理，智能手機APP通過耳機接口讀入數據并顯示甲醛濃度和報警。結果表明，該檢測儀相比傳統甲醛檢測儀具有功耗低、攜帶方便、與智能手機相結合易于用戶使用等優勢，并且具有很好的市場前景。

關鍵詞： 甲醛檢測儀； MSP430； 耳機接口通信； FSK

中圖分類號： TN911?34； TP216+.1 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）08?0145?03

Mini formaldehyde gas detector based on headphone interface communication

ZHANG Zhiguang， LIN Cong， LI Zhigang

（Research Institute of Henan Hanwei Electronics Co.， Ltd.， Zhengzhou 450001， China）

Abstract： The formaldehyde is one of the main factors of the indoor environmental pollution. A portable formaldehyde gas detector based on headphone interface communication is proposed. The sensor′s detecting terminal circuit based on MSP430 was designed. The FSK coding is used for data transmission and processing. The APP installed into the smart phone reads the data through the headphone interface， displays the formaldehyde concentration， and sends an alarm. In comparison with the traditional formaldehyde detectors， the formaldehyde gas detector has the advantages of lower power consumption and more portable carrying， is easy to use with the smart phone， and has perfect market prospect.

Keywords： formaldehyde gas detector； MSP430； headphone interface communication； FSK

甲醛是一種高揮發性、具有較高毒性的物質，室內甲醛主要來源于裝修材料，包括各種人造板材、油漆、墻紙等，是潛在危險致癌物和重要的環境污染物。隨著生活水平的提高，人們對生活環境質量的關注也越來越高，因而對居住、辦公環境中甲醛的隨時檢測也引起越來越多的關注[1?2]。

隨著智能手機應用功能的日益強大和智能化，能夠與手機應用配合使用也是終端設備發展的一大趨勢，當前基于Android系統的智能手機USB接口雖然日漸統一，但是基于IOS系統的iPhone手機仍舊使用的是自有接口標準，因此基于USB接口通信的外設存在一定的局限性，而4腳3.5 mm耳機接口如今已經是所有智能手機的標準配置，因此一款能夠通過耳機接口[3]和智能手機通信的便攜式甲醛氣體檢測終端就有了其存在的必要。基于智能手機耳機接口通信的超便攜式甲醛檢測儀，僅有半張信用卡大小，與同類產品相比具有電路簡單、體積小巧、價格低廉等優勢，尤其是用戶只需將產品插入手機耳機孔即可進行檢測，結合手機APP即可實時顯示當前甲醛濃度值，真正實現隨時檢測、即插即用的便捷，非常適合家庭和中小公司使用。

1 甲醛檢測終端電路設計

基于耳機接口的甲醛檢測終端主要由電池供電開關電路，耳機接口通信電路，低功耗MSP430單片機電路，甲醛氣體傳感器等組成。甲醛氣體傳感器完成甲醛氣體濃度采集并輸出電信號，經由運放電路后送給單片機內置A/D轉換器，完成模/數轉換。單片機將轉換后的數據經過調制編碼通過通信電路輸出給手機APP。

考慮到硬件的外觀體積和功耗，整個甲醛檢測終端采用3 V紐扣電池供電，內置的電路設計具有不插入手機耳機孔時，主控單片機將處于休眠狀態，為了能做到檢測終端的長時間待機和續航試用，主控芯片采用的是德州儀器生產超低功耗16位微控器MSP430F1232，該單片機工作電流僅在微安級并有豐富的片內資源。片內資源包括1個16位定時器、1個快速12位A/D轉換器，自帶采樣保持、一個通用串行同步異步通信接口和22個I/O端口；片內包含8 KB FLASH和256 B RAM，并具有片內溫度傳感器，使用該芯片可減少外圍電路設計，降低成本，且能有效降低功耗。單片機負責處理所有的硬件接口和軟件協議處理，3.5 mm耳機標準接口實現與手機端APP之間的通信[4?5]。

1.1 電池供電開關電路

電池供電電路如圖1所示，其中Left端與耳機插頭Left端相連，當耳機插頭未插入手機時，MOS管處于截止狀態，POWER端輸出低電平，此時主控制器處于休眠狀態，當耳機插頭插入手機后，Left接入手機內部耳機電路，Left端電平被拉低，MOS管導通，POWER輸出高電平，使單片機進入工作狀態。此時單片機開始A/D采集轉換，并對數據編碼和手機APP通信。

1.2 耳機通信接口電路

通用的四段式3.5 mm耳機插頭如圖2所示，通信電路與手機耳機口的MIC端相連，本文采用甲醛檢測終端到手機端的單向通行方式實現數據的傳輸，利用手機耳機接口的MIC端向手機發送數據。

為了降低通信過程中的高頻噪聲，并隔離耳機接口輸入信號中的支流分量，設計了一個RC低通濾波和隔直電容組成接口電路，起到保護手機耳機接口的作用，電路如圖3所示。

1.3 甲醛傳感器信號調理電路

甲醛氣體傳感器信號調理電路主要由甲醛氣體傳感器、運放電路以及濾波電容組成。硬件電路如圖4所示。

傳感器選用煒盛電子股份有限公司的甲醛氣體傳感器，該傳感器成本低，精度較高，是公司針對家庭客戶需求研發的一款傳感器。傳感器基于電化學原理工作，利用甲醛氣體在電極上的電化學氧化過程，發生電化學反應所產生的電流大小與其濃度成比例關系。

傳感器輸出的電流信號很微弱，運放電路選用了Microchip公司的軌至軌高精度運放MCP6032，該運放偏置電壓和靜態電流值均很小，從而保證了放大電路對傳感器輸出信號的無失真放大。

2 軟件設計

軟件設計主要分為二部分：甲醛采集器終端程序設計和手機APP軟件構成。本文重點闡述甲醛采集終端程序設計，并給出信號調制程序部分代碼。手機APP只做簡要描述。

2.1 甲醛采集器終端程序設計

傳感器終端軟件采用C語言編程，主程序主要包括甲醛氣體濃度采集和FSK編碼通信兩部分，流程如圖5所示。其中甲醛氣體濃度采集程序采用了零點跟蹤算法，代碼如下：

void ZeroTrack（unsigned int MoveAD）

{ …

if（（MoveMaxAD?MoveMinAD）<=StableBoundary）

{ if（count2>StableNumber） //進行跟蹤，連續10 s穩定

{ count2=0；

MoveIndex++；

Old_BD_Zero=MoveAD；

MoveIndex=0； //重新進行10 s跟蹤

…}

零點跟蹤算法會在甲醛檢測終端每次開機時判斷傳感器的A/D采樣值是否在最大偏移值MoveMaxAD和最小偏移值MoveMinAD區間范圍內，若一定時間內在未超過預設范圍則將當前傳感器AD值設為零點。若超出范圍則判斷當前環境存在甲醛氣體，不再進行零點跟蹤。零點跟蹤算法能有效解決氣體傳感器本身特性存在的零點誤差問題，并提高甲醛檢測終端的檢測準確度。

甲醛檢測終端與手機APP采用FSK編碼進行數據通信，頻移鍵控（Frequency Shift Keying，FSK）因處理的數據為二進制，所以又稱為2FSK，FSK調制傳輸數據實際上是將數字信號調制到一個更高的載波信號上，數字信號的0和1分別用不同頻率的載波信號，接收端則根據接收到的載波頻率區分0和1。其調制后的信號可表示為[6?8]：

甲醛數據檢測終端部分FSK編碼程序代碼如下：

_interrupt void Timer_A（void）

{ if（idle_status！=0）

{ if（idle_exit！=0）

{idle_status=0； count_375us=0；WDTCTL=WDT_ARST_1000；_BIC_SR_IRQ（LPM3_bits）；}

if（idle_num>0）

{ if（idle_high_low==0）

{MIC_IO_HIGH；WDTCTL=WDT_ARST_1000；idle_high_low=1；count_375us=0；}

else if（idle_high_low！=0）

{MIC_IO_LOW；idle_high_low=0；count_375us=0；idle_num??；

if（idle_num==0）idle_exit=1；}}}}

其中：_interrupt void Timer_A（void）為MSP430的定時器中斷服務函數，甲醛檢測終端程序首先將甲醛濃度值數據封裝成標準串口數據格式并寫入緩存中，執行發送時通過中斷服務函數Timer_A（ ）改變相應標志位，從而修改定時器周期，觸發定時器輸出引腳產生不同頻率的PWM信號，用示波器可以看到輸出的PWM信號波形如圖6所示。

2.2 手機APP軟件流程與實現

手機APP通過MIC口接收檢測終端發送的PWM信號，軟件進行FSK解調出傳感器數據，并計算出對應的甲醛氣體濃度值，在UI上顯示，同時根據不同的濃度值顯示不同的報警提示，其工作流程如圖7所示，甲醛氣體檢測儀配合手機APP使用的實物圖如圖8所示。

3 結 論

本文設計以MSP430單片機為控制核心，通過耳機通信方式，實現了甲醛氣體檢測器與智能手機的結合使用。該設計甲醛氣體檢測儀具備很好的便攜性和較高的精度，與智能手機的配合使用充分體現了物聯網中物物聯通的概念，同時該甲醛氣體檢測儀能夠實時地將傳感器數據通過手機端傳輸至大數據云平臺，對便攜設備的進一步發展帶來更多想象空間。

參考文獻

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