摘要：文章實現(xiàn)了一種手持式的電子鼻，可用于識別與檢測不同種類的氣體／氣味。此電子鼻系統(tǒng)以單片機為核心，控制各種功能模塊與電子器件，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、存儲、無線傳輸三大功能。通過單片機與掌上電腦(PDA)進行數(shù)據(jù)交換，此電子鼻系統(tǒng)具有比較強的分析能力，可以應(yīng)用于多種實際場合。
關(guān)鍵詞：單片機；MOS氣體傳感器；電子鼻；手持式

0 引言
    嗅覺跟人類的生活息息相關(guān)。在日常生活中，包括煙草、食品、化妝品等在內(nèi)的許多行業(yè)仍然需要人的嗅覺來對樣品進行識別和判斷。而在實際應(yīng)用的時候，人和動物的嗅覺能力往往受到很多條件的限制，存在著諸多弊端：培養(yǎng)專職嗅覺的人員成本高、周期長；人工鑒別的個體差異性、主觀性比較大；在惡劣的環(huán)境條件下，如存在有毒氣體或刺激性氣體的時候，顯然不適合長時間的人工作業(yè)。
    為了解決人工嗅覺在實際應(yīng)用中遇到的問題，才有了電子鼻的誕生。電子鼻是一種能夠模擬動物嗅覺的電子裝置，它包括氣體采樣器、氣體傳感器陣列和模式識別系統(tǒng)三大功能部件，能夠識別單一和復(fù)雜的氣味或氣體。在過去的幾十年內(nèi)，電子鼻已被應(yīng)用到許多領(lǐng)域，例如食品質(zhì)量控制、飲料及香料工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷以及航天項目等等。電子鼻具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的市場價值。自第一臺商用電子鼻于1994年在國外誕生起，世界上從事電子鼻產(chǎn)品研究與開發(fā)的科研機構(gòu)逐年增多。但是目前國內(nèi)對電子鼻的研究及開發(fā)還剛起步，鮮有商用化的電子鼻產(chǎn)品。針對這一現(xiàn)狀，本文開發(fā)了一套低成本的、便攜化的電子鼻系統(tǒng)。

1 工作原理
    電子鼻是利用氣體傳感器陣列的響應(yīng)圖案來識別氣味的電子系統(tǒng)，其識別氣味的主要機理是在陣列中的每個傳感器對被測氣體都有不同的靈敏度，以及不同的響應(yīng)曲線。例如，氣體甲可在某個傳感器上產(chǎn)生高響應(yīng)的電壓信號，而在其他傳感器上產(chǎn)生低響應(yīng)。同樣地，對氣體乙產(chǎn)生高響應(yīng)的傳感器，對氣體甲則不敏感，產(chǎn)生低響應(yīng)電壓信號。因此整個傳感器陣列對不同氣體的響應(yīng)圖案是不同的，正是這種區(qū)別，才使得系統(tǒng)能根據(jù)傳感器陣列的響應(yīng)圖案來識別氣味。

    圖1是測量金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)氣體傳感器響應(yīng)電壓信號的原理圖。在測試之前MOS氣體傳感器通常須加熱到2500℃(或更高)，才能正常地工作。在測試過程中，MOS氣體傳感器與樣品氣體／氣味發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后，會改變自身氣體敏感膜的電導(dǎo)率及電阻值，從而導(dǎo)致與之串聯(lián)的取樣電阻的端電壓發(fā)生改變。因取樣電阻的阻值固定，故通過即時地提取取樣電阻的端電壓即信號電壓，便可以得到MOS氣體傳感器的響應(yīng)曲線。在本文的測試中設(shè)定加熱電壓和測試電壓均為5V。

2 硬件設(shè)計
2．1 硬件結(jié)構(gòu)
    本電子鼻系統(tǒng)由兩大部分組成：信息采集終端(采集終端)與信息處理終端(處理終端)，見圖2。采集終端負責(zé)采集MOS氣體傳感器陣列的信號電壓，而處理終端則通過一個掌上電腦(PDA)來完成數(shù)據(jù)的分析與處理。這兩大終端的數(shù)據(jù)交換通過兩個無線模塊來完成。

    圖3是采集終端與處理終端的結(jié)構(gòu)框圖。其中采集終端由三大部分構(gòu)成：采樣系統(tǒng)、電路系統(tǒng)以及傳感器陣列。采樣系統(tǒng)包括氣體傳感器腔體、微犁氣泵和三通電磁閥。電路系統(tǒng)由以下功能模塊及電源組成：單片機、ADC模塊、DAC調(diào)理模塊、存儲模塊、無線模塊及鋰電池。傳感器腔體內(nèi)放置著由8個商用TGS氣體傳感器組成的傳感器陣列。整個采集終端的工作能耗在6W左右，在容量為3800Amh的鋰電池供電的情況下，能夠連續(xù)地工作3．2h。處理終端的組成為：無線模塊、RS232串口轉(zhuǎn)USB接口模塊(RS232 to USB)、單片機和PDA。處理終端既能獲取并處理來自采集終端的數(shù)據(jù)，又能發(fā)出指令以控制采集終端的所有動作。
2．2 采集終端
    采集終端的主要作用是采集及存儲MOS氣體傳感器陣列的響應(yīng)信息，并通過無線模塊發(fā)送到處理終端。采集終端的電路設(shè)計主要分為以下幾個模塊：
    1)單片機的最小電路模塊，用于控制其它所有的模塊及元件；
    2)ADC模塊，用于采集MOS氣體傳感器陣列的信號電壓；
    3)DAC調(diào)理模塊，即D／A轉(zhuǎn)換并調(diào)理模塊，用于輸出并調(diào)理加熱電壓的信號；4)存儲模塊，用于存儲ADC模塊采集的數(shù)據(jù)；
    5)無線模塊，用于發(fā)送與接收數(shù)據(jù)或指令；
    6)微型氣泵，三通電磁閥的開關(guān)與切換的控制。
2．2．1 單片機管腳設(shè)置
    本文所采用的單片機型號是STC89C516RD+，封裝形式為POFP。它具有36個可操作的I／O口，I／O分配見圖4。由于單片機外圍電路涉及的模塊與電子元件較多，I／O資源不夠分配，故需要擴展I／O口。本文采用8個型號為MAX4634的四路模擬多路復(fù)用器／開關(guān)對單片機的P0口進行擴展。MAX4634共用4個通道可選擇：N01、N02、N03和N04?？赏ㄟ^單片機的2個I／O來控制MAX4634的選擇管腳A0與A1的電平狀態(tài)，從而切換該開關(guān)的通道。對應(yīng)關(guān)系如下：A0=0，A1=0，選中NO1；A0=1，A1=0，選中NO2；A0=0，A1=1，選中NO3；A0=1，A1=1，選中NO4。因此單通道的P0口可被擴展為四通道的P0口，其中兩個通道NO1、NO2分別連接至存儲模塊和無線模塊。
2．2．2 ADC模塊
    ADC模塊由A／D轉(zhuǎn)換芯片TLC1549和八路模擬多路復(fù)用器／開關(guān)MAX4617組成，見圖4。TLC1549為10位精度單通道A／D芯片，分辨率為4．88mV(1LSB)。通過控制單片機的3個I／O-P32、P33、P34的電平狀態(tài)，可改變MAX4617的3個選擇管腳A、B、C的邏輯狀態(tài)，從而切換其8路開關(guān)。因此該ADC模塊能采集由8個MOS氣體傳感器構(gòu)成的陣列的響應(yīng)信號電壓。

2．2．3 DAC調(diào)理模塊
    DAC調(diào)理模塊的電路設(shè)計如圖5所示。其中的D／A轉(zhuǎn)換芯片TLC5615由單片機的I／O-P15、P16、P17直接控制，在穩(wěn)壓二極管TLC431的作用下，輸出模擬電壓信號。該電壓信號在經(jīng)過運算放大器芯片LM324處理后，用作傳感器陣列的加熱電壓。

2．2．4 存儲模塊
    存儲模塊由地址鎖存器LS373與Flash存儲器AT29C040構(gòu)成，見圖6。AT29C040的容量是512kB，具有2048個扇區(qū)。通過單片機的管腳ALE可以控制LS373。

    當(dāng)ALE信號有效時，P0口傳送的是低8位地址信號；當(dāng)ALE信號無效時，P0口傳送的是8位數(shù)據(jù)信號。單片機既能向存儲模塊寫入數(shù)據(jù)，也能讀取數(shù)據(jù)并發(fā)送。
2．2．5 無線模塊
    無線模塊的正常工作電壓是3．3V，而電源提供的電壓是5V，故需要用到低壓差電壓調(diào)節(jié)器LM1117進行降壓處理。并且P0口須接10k上拉電阻后，方可連接至無線模塊的管腳上，見圖7。該無線模塊的工作頻段為433MHz，最高工作速率50kbps，內(nèi)置125個頻道，能滿足多點通信和調(diào)頻通信的需要。

2．2．6 控制模塊
    微型氣泵和三通電磁閥的開關(guān)與切換由單片機的I／O-P42、P43來控制。通過改變這兩個I／O的電平狀態(tài)，即可實現(xiàn)整個控制電路的通與斷，見圖8。

2．3 處理終端
    處理終端由無線模塊、單片機、RS232串口轉(zhuǎn)USB接口模塊(RS232 to USB)以及PDA組成。無線模塊與單片機的接口設(shè)計電路與上述采集終端是一樣的。因為PDA上只有USB接口，故需設(shè)計RS232串口轉(zhuǎn)USB接口電路以完成單片機與PDA之間的數(shù)據(jù)交換。設(shè)計電路見圖9。

3 軟件設(shè)計
    本電子鼻系統(tǒng)的軟件分為兩大部分。采集終端上的軟件是在Keil uVision2開發(fā)環(huán)境下用C語言編寫的，編寫好的源程序通過RS232串口燒錄到STC89C516KD+單片機中；處理終端上的軟件是基于LabVIEW7．1(National Instrumentation，美國)平臺在PDA(WindowsXP系統(tǒng))上開發(fā)的。本文對該系統(tǒng)進行了簡單的驗證試驗，測試樣品為白酒。通過數(shù)輪的測試表明該電子鼻系統(tǒng)及軟件運行正常，達到了預(yù)期的功能要求。測試的軟件界面見圖10。從圖中可以看出電子鼻在一輪完整的測試過程中，須經(jīng)歷4個階段；基態(tài)階段、采樣階段、保持階段及恢復(fù)階段。在基態(tài)階段，三通電磁閥切換至空氣通道，傳感器陣列的電壓信號為一條水平基線。待三通電磁閥切換至樣品氣體通道后，系統(tǒng)進入采樣階段，傳感器陣列開始響應(yīng)，數(shù)秒后電壓信號值上升至峰值再趨于平穩(wěn)，待接近平衡后，系統(tǒng)進入保持階段，三通電磁閥保持樣品氣體通道不變。最后進入恢復(fù)階段，三通電磁閥切換回空氣通道，傳感器陣列的響應(yīng)曲線迅速下降，直至恢復(fù)到基線位置。

     圖11是該電子鼻系統(tǒng)的軟件流程圖。在開始測試前，須先在PDA上設(shè)定測試過程4個階段的時間值：基態(tài)時間、采樣時間、保持時間及恢復(fù)時間。然后由PDA發(fā)出“開始”指令，系統(tǒng)開始測試。采集終端在收到該指令后，內(nèi)部的單片機會按照指令，通過定時器來控制好4個階段的時間。首先單片機會控制DAC調(diào)理模塊輸出加熱電壓用來加熱傳感器陣列，然后再控制ADC模塊采集傳感器陣列的信號電壓，并選擇將獲取的數(shù)據(jù)存到存儲模塊中，或者直接由無線模塊反饋給接收端的PDA做分析與處理。待數(shù)據(jù)采集完畢，PDA發(fā)出“結(jié)束”指令，系統(tǒng)停止工作。
在進行下一輪的測試前，須讓PDA發(fā)出“復(fù)位”指令使系統(tǒng)清零后，方可進行新一輪的測試。此外在測試的過程中，可以通過PDA發(fā)出指令來控制微型氣泵和三通電子閥的開關(guān)。在測試停止后，可以通過“打開”指令來讀取之前獲取的傳感器陣列的數(shù)據(jù)及響應(yīng)曲線。

4 結(jié)束語
    本文針對國內(nèi)鮮有電子鼻產(chǎn)品開發(fā)這一現(xiàn)狀，實現(xiàn)了一套基于STC89C516RD+單片機的手持式電子鼻系統(tǒng)。此系統(tǒng)具有低成本、便攜化的特點。系統(tǒng)分為采集終端與處理終端兩大部分，采集終端負責(zé)獲取MOS氣體傳感器陣列的響應(yīng)信號，處理終端則分析與處理獲取的信號。兩個終端之間通過無線通信的方式完成數(shù)據(jù)的交換。最后通過簡單的實驗初步地驗證了系統(tǒng)的性能，表明此電子鼻系統(tǒng)具備一定的市場應(yīng)用潛力。