摘要：設(shè)計(jì)了一款WIFI無線甲醛監(jiān)測器，它的傳感器器件采用八個(gè)金屬氧化物半導(dǎo)體材料組成的陣列。它既有熱激發(fā)也有光激發(fā)的功能。本系統(tǒng)通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)信號(hào)獲取、光熱控制、存儲(chǔ)等功能。它還可以通過WIFI與PC或智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)無線通訊。本系統(tǒng)以TiO2作為氣敏材料，通過紫外光激發(fā)，溫度控制在75℃左右對(duì)甲醛氣體進(jìn)行測試。結(jié)果表明100ppm甲醛的響應(yīng)靈敏度達(dá)1802.03。通過實(shí)驗(yàn)證明了該甲醛檢測器的設(shè)計(jì)是可行的。

0 引言

甲醛是一種有毒氣體，它廣泛存在于家居裝飾材料中，危害著人們的身體健康，因此對(duì)于甲醛的監(jiān)測顯得尤為重要。隨著技術(shù)的發(fā)展，甲醛的監(jiān)測主要朝著實(shí)時(shí)響應(yīng)、操作簡化、低功耗、低成本方向發(fā)展。目前，國內(nèi)也有一些人做了關(guān)于甲醛監(jiān)測的儀器，他們都采用國外電化學(xué)傳感器，但成本較高。本文開發(fā)了一款八陣列金屬氧化物半導(dǎo)體材料點(diǎn)作為傳感器件，基于WIFI通訊的低成本、低功耗甲醛監(jiān)測器。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 傳感器器件設(shè)計(jì)

傳感器器件是甲醛監(jiān)測器的核心，它直接決定甲醛監(jiān)測器的性能。本系統(tǒng)采用金屬氧化物半導(dǎo)體作為傳感器件的材料。金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器具有對(duì)有機(jī)氣體靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間快(≤10s)、易大批量生產(chǎn)、價(jià)格便宜等特點(diǎn)。我們的傳感器件設(shè)計(jì)成八陣列的形式，它具有八個(gè)材料點(diǎn)，每個(gè)材料點(diǎn)可以獲取一種氣體信息，八個(gè)材料點(diǎn)就可以獲取八種信號(hào)，八種信號(hào)再構(gòu)成一個(gè)特征圖譜，把這個(gè)特征圖譜與數(shù)據(jù)庫中的圖譜對(duì)比就能對(duì)未知?dú)怏w進(jìn)行識(shí)別。

如圖1所示，該器件以0.38mm厚的氧化鋁陶瓷片為載體材料，通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)在上面印有信號(hào)電極和加熱材料，信號(hào)電極采用鉑為原料做成插齒電極，金屬氧化物半導(dǎo)體材料則印在插齒電極上形成八個(gè)材料點(diǎn)，加熱采用鉑絲加熱，并且在每個(gè)器件上都集成有測溫鉑絲，用于器件溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。因?yàn)槠骷枰訜幔覀儗⑻沾善ㄟ^不銹鋼支撐架固定在轉(zhuǎn)接電路板上。最后將信號(hào)電極與轉(zhuǎn)接電路板的電極通過金絲球焊連接起來。為了保護(hù)材料芯片，器件需加一個(gè)外殼，它由不銹鋼薄片通過沖壓成型工藝制成。在外殼的上方開有6mm×5mm的孔，它用作光激發(fā)。

1.2 模組設(shè)計(jì)

模組主要由傳感器信號(hào)采集、溫度信號(hào)采集、光熱控制、通訊模塊等構(gòu)成，如圖2所示。模組以STC12C5A60S2單片機(jī)作為核心器件，它內(nèi)部集成有8路A/D(10位)可用作信號(hào)采集、電源電量采集等等，2路PWM可作為D/A(8位)用作加熱控制，36個(gè)I/O可用作數(shù)字開關(guān)，對(duì)芯片進(jìn)行控制，它內(nèi)部還集成了2K的EEPROM可用作數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

1.2.1 信號(hào)采集

信號(hào)采集主要是采集金屬氧化物半導(dǎo)體材料的電阻信號(hào)。其原理如圖3所示，由5V電壓供電，金屬氧化物半導(dǎo)體材料與匹配電阻串聯(lián)，單片機(jī)通過1路A/D采集匹配電阻與材料之間的電壓，又因?yàn)槠ヅ潆娮璧淖柚凳羌褐模虼丝梢院苋菀椎厍蟪霾牧系碾娮柚?。匹配電阻由八個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻組成，它們連接在一個(gè)八路開關(guān)上由單片機(jī)的3個(gè)I/O控制通斷來自動(dòng)實(shí)現(xiàn)匹配電阻與材料的最佳匹配。傳感器器件的八個(gè)材料點(diǎn)也與一個(gè)八路開關(guān)連接，并由3個(gè)I/O控制通斷順序，這樣就可以分別測出八個(gè)材料點(diǎn)的電阻值。該傳感器電阻測量范圍是100Ω～100MΩ。

1.2.2 溫度采集

溫度測量的原理如圖4所示。因?yàn)殂K的電阻與溫度有良好的線性關(guān)系，所以測溫電阻為鉑電阻絲。通過測量電阻絲的電阻，再進(jìn)行溫度標(biāo)定就能建立電阻與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)標(biāo)定的溫度電阻關(guān)系就能通過測量電阻絲的電阻換算得到溫度值。因?yàn)槲覀冇〉你K電阻的阻值較小，室溫大概30Ω，所以我們采用恒流源的方式測電阻。恒流源產(chǎn)生一個(gè)恒定的5mA電流經(jīng)過測溫電阻絲，單片機(jī)采集測量測溫電阻絲兩端的電壓通過簡單的運(yùn)算就能求出電阻絲的電阻值。經(jīng)測試，本模塊的測溫精度在±2℃，符合實(shí)驗(yàn)要求。

1.2.3 光熱控制

因?yàn)榻饘傺趸锇雽?dǎo)體材料在光激發(fā)下性能有很大的提高，且工作溫度也大幅降低，所以我們設(shè)計(jì)了通過單片機(jī)控制LED燈珠光激發(fā)部分，其原理圖如圖5所示。我們采用可調(diào)穩(wěn)壓開關(guān)芯片LM2596ADJ作為光激發(fā)控制的核心，根據(jù)需求的不同可通過它的引腳4的兩個(gè)電阻調(diào)整輸出電壓值，本實(shí)驗(yàn)控制在3.6V左右。單片機(jī)的一個(gè)I/O與引腳5相連，當(dāng)引腳5為低電平“0”時(shí)穩(wěn)壓開關(guān)芯片輸出3.6V，燈珠發(fā)光對(duì)材料進(jìn)行光激發(fā)，當(dāng)輸出高電平“1”時(shí)芯片輸出0V，停止光激發(fā)。我們采用紫外燈珠，波長在365～370nm，功耗1W。

金屬氧化物半導(dǎo)體材料最佳工作溫度一般較高，所以本模塊需要設(shè)計(jì)一個(gè)加熱部分，其原理如圖6所示。單片機(jī)設(shè)置好加熱電壓值，經(jīng)過D/A將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，再經(jīng)過一個(gè)運(yùn)放放大信號(hào)，放大后的電壓信號(hào)通過一個(gè)三極管輸出最終的加熱電壓。加熱電壓加載在加熱鉑絲上，隨著加熱電壓的變化，加熱功耗也在變化，器件的溫度也隨之變化，通過溫度采集我們就能獲取當(dāng)前溫度，再通過溫度PID控制程序，我們就能將加熱溫度控制在一個(gè)固定的值上。

1.2.4 通訊模塊

本模塊可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的RS232通訊，也可以實(shí)現(xiàn)WIFI無線通訊。單片機(jī)的引腳RXD(P30)、TXD(P31)通過MAX232芯片將TTL電平轉(zhuǎn)換為EIA電平，從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)的RS232通訊。WIFI無線通訊則是通過WIFI模塊將單片機(jī)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成WIFI標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)類型。通過設(shè)置模塊的網(wǎng)絡(luò)名稱、密碼、IP、端口號(hào)、串口參數(shù)等可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)或智能手機(jī)之間的通訊。

1.3 外殼設(shè)計(jì)

整體的外殼設(shè)計(jì)如圖7所示。外殼設(shè)計(jì)主要是根據(jù)模組的尺寸、電源的形式、接口位置、方便拆卸等來考慮。本款模組的長是102mm，寬是40mm，高是30mm。電源既要能用電池供電又要可以通過外接電源供電。綜上考慮，外殼由3個(gè)部分組成：電路板倉、器件倉、電池倉。電路板通過6個(gè)通孔固定在外殼上蓋上，同時(shí)電路板會(huì)與外殼形成一個(gè)封閉的倉，即器件倉，在器件倉的上表面再打一些小孔，氣體通過擴(kuò)散經(jīng)過這些小孔與器件發(fā)生反應(yīng)。電池固定在正面，它通過兩根線與電路板連接，電源線與電路板是可拔插的，以方便電池的拆卸。外接電源接口、開關(guān)、指示燈固定在外殼的尾部。

2 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件部分分為兩個(gè)部分：單片機(jī)部分與客戶端部分。單片機(jī)軟件采用C語言編寫，它包含初始化函數(shù)、信號(hào)獲取函數(shù)、溫度獲取函數(shù)、數(shù)據(jù)處理函數(shù)、溫度標(biāo)定函數(shù)、存儲(chǔ)函數(shù)等。程序流程圖如圖8所示，單片機(jī)首先初始化，然后等待與客戶端連接，當(dāng)連接成功后就判斷當(dāng)前指令是工作模式還是調(diào)試模式，調(diào)試模式則進(jìn)行溫度標(biāo)定，標(biāo)定的結(jié)果存儲(chǔ)在單片機(jī)的內(nèi)部存儲(chǔ)當(dāng)中，如果是工作模式則根據(jù)客戶端的指令做出相應(yīng)的操作，最后得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過WIFI無線傳輸?shù)娇蛻舳孙@示出來?？蛻舳巳绻荘C機(jī)則基于LabVIEW編寫，它主要實(shí)現(xiàn)WIFI無線通訊、數(shù)據(jù)的傳輸、數(shù)據(jù)的處理與顯示。客戶端若是Android智能手機(jī)則基于Java開發(fā)相應(yīng)的APP應(yīng)用程序，該APP主要實(shí)現(xiàn)WIFI無線通訊、數(shù)據(jù)的傳輸與顯示。通過實(shí)驗(yàn)測試證明，Android智能手機(jī)與甲醛監(jiān)測器通信正常。

3 電子鼻的性能測試

靈敏度是甲醛監(jiān)測器的重要性能參數(shù)之一。我們將TiO2作為氣體敏感材料制作成傳感器器件，并用我們的甲醛監(jiān)測器將加熱溫度分別控制在25℃、50℃、75℃、100℃、125℃五個(gè)不同的溫度，且在紫外光激發(fā)的條件下對(duì)100ppm甲醛進(jìn)行了靈敏度測試，如表1所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在紫外光激發(fā)的情況下75℃時(shí)我們的甲醛監(jiān)測器的敏感度最大，達(dá)到了1802.03。

在紫外光激發(fā)、加熱溫度75℃的條件下，我們就傳感器對(duì)不同濃度的甲醛的靈敏度做了測試，結(jié)果顯示在10ppm時(shí)我們的傳感器還具有很高的靈敏度。

通過上面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，我們設(shè)計(jì)的甲醛監(jiān)測器是可行的。

4 結(jié)束語

本甲醛監(jiān)測器有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1)既可以進(jìn)行熱激發(fā)又可以進(jìn)行光激發(fā)，相對(duì)于傳統(tǒng)熱激發(fā)溫度要200℃以上才能得到較好的材料性能，本系統(tǒng)在光激發(fā)下只需75℃就能達(dá)到最好的性能，大大降低了功耗。

(2)本系統(tǒng)尺寸小，便于攜帶。

(3)本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)WIFI無線通訊，這為傳感器聯(lián)網(wǎng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控打下了基礎(chǔ)。

(4)本系統(tǒng)成本低且對(duì)甲醛的靈敏度好。