顏色識別技術在甲醛快速測定中的應用研究

馬明歌 許貴淳 紀丹 朱鵬 杜琳琳

摘? ?要：隨著物質水平的提高，人們對居家生活的安全性和舒適度也日益關切。對于室內空氣中甲醛濃度的測定較為復雜，即便是操作簡便的檢測盒也需要人眼比對標準比色卡的顏色來粗略確定濃度，智能化方面有所欠缺。本研究基于酚試劑法測定甲醛含量的原理，利用NFC芯片技術來實現手機用戶端監控室內甲醛的濃度功能，實現快速的信息采集和數據交換。

關鍵詞：顏色識別? 空氣凈化? 甲醛測定

中圖分類號：TQ326? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）05（c）-0109-03

最近幾年來移動互聯網發展的速度飛快，極大地推動了近距離無線技術的發展，例如：藍牙技術（Bluetooth）、無線局域網技術（Wi-Fi）、射頻識別技術（RFID）、近場通信技術等。本研究基于酚試劑法測甲醛的原理，利用NFC芯片技術來實現手機用戶端監控室內甲醛的濃度功能，在近距離內實現對室內儀器兼容設備的信息采集和數據交換，為快速檢測家居環境甲醛濃度提供科學的參考依據。

1? 顏色識別系統的構建

單片機作為一種集成電路芯片是顏色識別系統的核心技術。2000年單片機還只停留在4位、8位，到2018年為止單片機已經進步到300M[1]。其實單片機的原理是應用超大規模的集成電路技術把具有數據分析和處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統、定時器/計數器等功能（還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路）集成到一個小而完善的微型計算機系統也就是硅片上，從而在很多控制領域里被廣泛的應用。

本設計中采用的顏色識別系統型號為TCS230，TCS230是由全球公認的頂尖光傳感技術創新廠商TAOS公司研發的一種轉換器。此型號轉換器創新在能夠編程彩色光到頻率，該創新公司將電流頻率轉換器與可配置的硅光電二極管整合在一個單一的能實現邏輯功能的集成電路上[2]，是行業里首次實現有數字兼容接口、單一芯片和三種紅綠藍濾光器為一體的彩色傳感器[3]。TCS230系統可以控制輸入標準的最大網段數量或者是用半導體制程的芯片，讓他們傳送出的我們需要的數字量信息，進而幫助其他電路與中央處理器進行連接通信。TCS230顏色識別系統由于這種不用A/D轉換電的特性，它的內部電路布局比其他顏色識別系統更加簡化，但是得到的數字結果精度和準度非常高[4]。

TCS230是有64個光電二極管的單一芯片，這64個管分四種不同型號和特性[5]。其中四分之一是紅色濾波器二極管;1/4是綠色濾波器的光電二極管;剩下的一半數量的光電二極管分別是藍色濾波器不帶有任何濾波器的二極管，所有的光信息都能被這種不帶任何顏色溜濾波器的濾過[6]。開發者為了能提高顏色是別的精度和準度，這種型號的顏色識別系統內置的光電二極管互相交錯分布，將分布不均勻的入射光誤差降到最小，從而增加顏色識別的精確度;另一方面，相同顏色的16個光電二極管是并聯連接的，均勻分布在二極管陣列中，可以消除顏色的位置誤差[7]。工作時，通過兩個可編程的引腳來動態選擇所需要的濾波器。該傳感器的典型輸出頻率范圍從2Hz～500 kHz，用戶還可以通過兩個可編程引腳來選擇100%、20%或2%的輸出比例因子，或電源關斷模式[8]。輸出比例因子使傳感器的輸出能夠適應不同的測量范圍，提高了它的適應能力。比如說如果使用低頻速度的頻率計數器時，我們為了讓TCS230的輸出頻率和計數器相匹配可以選擇小的定標值[9]。如果有入射光投射在TCS230上時，我們可以選擇不同的濾波器調節光電二極管將引腳進行多種組合[10];經過電流到頻率轉換器后輸出不同頻率的方波（占空比是50%）[11]，不同的顏色和光強對應不同頻率的方波;為了適應不同的需要我們還可以通過不同的輸出比例因子輸出定位光標來調整輸出的頻率進而控制這兩種引腳[12]。

2? 顏色識別系統的應用

2.1 電源模塊芯片的選擇

電源模塊主要完成降壓功能，本次設計里我們為了進行整體供電選擇了220V的交流電，這個系統可以將220V交流電轉換成20V直流電源;使用LM2596芯片將電壓轉換成5V電壓。電壓調節器可以分為多種形式，分別為線性電壓調節器和開關電壓調節器等，其中穩定性較好的是線性電壓調節器但是它的加熱性能不是很好，達不到本設計的要求。與之相比LM2596系列得電壓調節器就比較滿足要求，它是降壓型電源管理單片集成電路，有很好的線性和負載性，輸出驅動電流為3A。LM2596同樣還有其他的優點在特定的輸入電壓和輸出負載時，電壓輸出的誤差可以在±4%的范圍內，可以用80μA的待機電流就實現外部的斷電，在危機的情況下可以很好的保護自身電路，使電路的安全性有了進一步的提高。

2.2 LM2596芯片的選擇

LM2596芯片是由一家美國的半導體公司生產的一種降壓開關型集成穩壓芯片[12]，能夠完成3A電流的輸出。它具有完善的自我保護電路，能夠在危險的情況下關斷電路。它還含有150KHZ的固定頻率振蕩器以及1.23V的基準穩壓器。系統采用220V交流電進行整體供電，使用開關電源將220V交流電轉換成20V直流電源;使用LM2596芯片將電壓轉換成5V電壓。整個過程可以理解為AC（交流220V）轉DC（直流20V），DC（直流20V）轉DC（直流5V）。LM2596芯片具有很好的線性和負載調節特征，它主導的開關電壓調節器是降壓型電源控制單片機集成電路。因為該時期只需要4個外接元件，可以使用通用的標準電感，使LM2596有了更加突出的特點，極大地簡化開關電源電路的設計。LM2596芯片特點：（1）LM2596最大輸出電流為3A。（2）LM2596最高輸出電壓為37V，同時還有三種輸出電壓分別為3.3V、5V、12V。（3）LM2596的震蕩頻率可以達到150KHZ。（4）LM2596的轉換效率范圍是69%～90%。（5）LM2596的工作溫度范圍是-40℃～+125℃。（6）LM2596分為低功耗和正常功耗。同用還可以實現外部控制。（7）LM2596的工作模式控制為TTL電平相容模式。（8）LM2596所需外部組件僅有四個（不可調）和六個（可調）兩種。（9）LM2596的器件保護方式分為熱關斷和電流限制兩種。