顏色識(shí)別技術(shù)在甲醛快速測(cè)定中的應(yīng)用研究

馬明歌 許貴淳 紀(jì)丹 朱鵬 杜琳琳

摘? ?要：隨著物質(zhì)水平的提高，人們對(duì)居家生活的安全性和舒適度也日益關(guān)切。對(duì)于室內(nèi)空氣中甲醛濃度的測(cè)定較為復(fù)雜，即便是操作簡(jiǎn)便的檢測(cè)盒也需要人眼比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)比色卡的顏色來(lái)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(cè)定甲醛含量的原理，利用NFC芯片技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)手機(jī)用戶端監(jiān)控室內(nèi)甲醛的濃度功能，實(shí)現(xiàn)快速的信息采集和數(shù)據(jù)交換。

關(guān)鍵詞：顏色識(shí)別? 空氣凈化? 甲醛測(cè)定

中圖分類號(hào)：TQ326? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）05（c）-0109-03

最近幾年來(lái)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的速度飛快，極大地推動(dòng)了近距離無(wú)線技術(shù)的發(fā)展，例如：藍(lán)牙技術(shù)（Bluetooth）、無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)（Wi-Fi）、射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）、近場(chǎng)通信技術(shù)等。本研究基于酚試劑法測(cè)甲醛的原理，利用NFC芯片技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)手機(jī)用戶端監(jiān)控室內(nèi)甲醛的濃度功能，在近距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)儀器兼容設(shè)備的信息采集和數(shù)據(jù)交換，為快速檢測(cè)家居環(huán)境甲醛濃度提供科學(xué)的參考依據(jù)。

1? 顏色識(shí)別系統(tǒng)的構(gòu)建

單片機(jī)作為一種集成電路芯片是顏色識(shí)別系統(tǒng)的核心技術(shù)。2000年單片機(jī)還只停留在4位、8位，到2018年為止單片機(jī)已經(jīng)進(jìn)步到300M[1]。其實(shí)單片機(jī)的原理是應(yīng)用超大規(guī)模的集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)分析和處理能力的中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等功能（還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)也就是硅片上，從而在很多控制領(lǐng)域里被廣泛的應(yīng)用。

本設(shè)計(jì)中采用的顏色識(shí)別系統(tǒng)型號(hào)為T(mén)CS230，TCS230是由全球公認(rèn)的頂尖光傳感技術(shù)創(chuàng)新廠商TAOS公司研發(fā)的一種轉(zhuǎn)換器。此型號(hào)轉(zhuǎn)換器創(chuàng)新在能夠編程彩色光到頻率，該創(chuàng)新公司將電流頻率轉(zhuǎn)換器與可配置的硅光電二極管整合在一個(gè)單一的能實(shí)現(xiàn)邏輯功能的集成電路上[2]，是行業(yè)里首次實(shí)現(xiàn)有數(shù)字兼容接口、單一芯片和三種紅綠藍(lán)濾光器為一體的彩色傳感器[3]。TCS230系統(tǒng)可以控制輸入標(biāo)準(zhǔn)的最大網(wǎng)段數(shù)量或者是用半導(dǎo)體制程的芯片，讓他們傳送出的我們需要的數(shù)字量信息，進(jìn)而幫助其他電路與中央處理器進(jìn)行連接通信。TCS230顏色識(shí)別系統(tǒng)由于這種不用A/D轉(zhuǎn)換電的特性，它的內(nèi)部電路布局比其他顏色識(shí)別系統(tǒng)更加簡(jiǎn)化，但是得到的數(shù)字結(jié)果精度和準(zhǔn)度非常高[4]。

TCS230是有64個(gè)光電二極管的單一芯片，這64個(gè)管分四種不同型號(hào)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(shù)量的光電二極管分別是藍(lán)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(guò)[6]。開(kāi)發(fā)者為了能提高顏色是別的精度和準(zhǔn)度，這種型號(hào)的顏色識(shí)別系統(tǒng)內(nèi)置的光電二極管互相交錯(cuò)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(shí)別的精確度;另一方面，相同顏色的16個(gè)光電二極管是并聯(lián)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(shí)，通過(guò)兩個(gè)可編程的引腳來(lái)動(dòng)態(tài)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(guò)兩個(gè)可編程引腳來(lái)選擇100%、20%或2%的輸出比例因子，或電源關(guān)斷模式[8]。輸出比例因子使傳感器的輸出能夠適應(yīng)不同的測(cè)量范圍，提高了它的適應(yīng)能力。比如說(shuō)如果使用低頻速度的頻率計(jì)數(shù)器時(shí)，我們?yōu)榱俗孴CS230的輸出頻率和計(jì)數(shù)器相匹配可以選擇小的定標(biāo)值[9]。如果有入射光投射在TCS230上時(shí)，我們可以選擇不同的濾波器調(diào)節(jié)光電二極管將引腳進(jìn)行多種組合[10];經(jīng)過(guò)電流到頻率轉(zhuǎn)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(qiáng)對(duì)應(yīng)不同頻率的方波;為了適應(yīng)不同的需要我們還可以通過(guò)不同的輸出比例因子輸出定位光標(biāo)來(lái)調(diào)整輸出的頻率進(jìn)而控制這兩種引腳[12]。

2? 顏色識(shí)別系統(tǒng)的應(yīng)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(shè)計(jì)里我們?yōu)榱诉M(jìn)行整體供電選擇了220V的交流電，這個(gè)系統(tǒng)可以將220V交流電轉(zhuǎn)換成20V直流電源;使用LM2596芯片將電壓轉(zhuǎn)換成5V電壓。電壓調(diào)節(jié)器可以分為多種形式，分別為線性電壓調(diào)節(jié)器和開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器等，其中穩(wěn)定性較好的是線性電壓調(diào)節(jié)器但是它的加熱性能不是很好，達(dá)不到本設(shè)計(jì)的要求。與之相比LM2596系列得電壓調(diào)節(jié)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(fù)載性，輸出驅(qū)動(dòng)電流為3A。LM2596同樣還有其他的優(yōu)點(diǎn)在特定的輸入電壓和輸出負(fù)載時(shí)，電壓輸出的誤差可以在±4%的范圍內(nèi)，可以用80μA的待機(jī)電流就實(shí)現(xiàn)外部的斷電，在危機(jī)的情況下可以很好的保護(hù)自身電路，使電路的安全性有了進(jìn)一步的提高。

2.2 LM2596芯片的選擇

LM2596芯片是由一家美國(guó)的半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種降壓開(kāi)關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片[12]，能夠完成3A電流的輸出。它具有完善的自我保護(hù)電路，能夠在危險(xiǎn)的情況下關(guān)斷電路。它還含有150KHZ的固定頻率振蕩器以及1.23V的基準(zhǔn)穩(wěn)壓器。系統(tǒng)采用220V交流電進(jìn)行整體供電，使用開(kāi)關(guān)電源將220V交流電轉(zhuǎn)換成20V直流電源;使用LM2596芯片將電壓轉(zhuǎn)換成5V電壓。整個(gè)過(guò)程可以理解為AC（交流220V）轉(zhuǎn)DC（直流20V），DC（直流20V）轉(zhuǎn)DC（直流5V）。LM2596芯片具有很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特征，它主導(dǎo)的開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器是降壓型電源控制單片機(jī)集成電路。因?yàn)樵摃r(shí)期只需要4個(gè)外接元件，可以使用通用的標(biāo)準(zhǔn)電感，使LM2596有了更加突出的特點(diǎn)，極大地簡(jiǎn)化開(kāi)關(guān)電源電路的設(shè)計(jì)。LM2596芯片特點(diǎn)：（1）LM2596最大輸出電流為3A。（2）LM2596最高輸出電壓為37V，同時(shí)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(dá)到150KHZ。（4）LM2596的轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)外部控制。（7）LM2596的工作模式控制為T(mén)TL電平相容模式。（8）LM2596所需外部組件僅有四個(gè)（不可調(diào)）和六個(gè)（可調(diào)）兩種。（9）LM2596的器件保護(hù)方式分為熱關(guān)斷和電流限制兩種。