遵義師范學(xué)院物理電子與科學(xué)學(xué)院 周朝穩(wěn) 鐘福如 熊 建 何春木

對(duì)氣體信號(hào)的采集可以更好地分析物質(zhì)本身，本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32單片機(jī)的多路氣敏電信號(hào)的采集、測(cè)量系統(tǒng)，系統(tǒng)采用STM32單片機(jī)為系統(tǒng)控制核心。本文從系統(tǒng)需求出發(fā)，分析了氣敏信號(hào)采集的工作原理，設(shè)計(jì)了相關(guān)軟硬件程序。測(cè)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)可以較好地采集茶葉等目標(biāo)的氣敏信號(hào)，具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

近年來，隨著數(shù)據(jù)分析、人工智能的飛速發(fā)展，農(nóng)產(chǎn)品溯源、產(chǎn)品檢測(cè)有了新的方法。遵義是全國(guó)重要的茶葉產(chǎn)區(qū)，茶產(chǎn)業(yè)是貴州十二大農(nóng)業(yè)支柱產(chǎn)業(yè)之一。影響茶葉的質(zhì)量的色香味均可以通過電子信息技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，并促進(jìn)加工工藝的優(yōu)化。目前進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)有FPGA完成的，有嵌入式系統(tǒng)完成的，更多的是采用單片機(jī)完成的。由于單片機(jī)設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，在許多便攜式以及一些對(duì)電路保密性不高的產(chǎn)品中有著大量的應(yīng)用。在此，本系統(tǒng)開發(fā)了一種在線檢測(cè)茶葉氣味或者說茶香的信號(hào)采集系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

如圖1所示基于單片機(jī)的多路氣敏信號(hào)采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖，該系統(tǒng)的控制核心是STM32單片機(jī)，型號(hào)為STM32F103X。由于STM32單片機(jī)自帶ADC，簡(jiǎn)單方便，易于控制。傳感器陣列主要采用日本費(fèi)加羅和鄭州煒盛的氣敏傳感器構(gòu)成，采用電壓檢測(cè)方式。為了方便給傳感器供電，十六路傳感器陣列還包含有穩(wěn)壓電源及保護(hù)電路。整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以同時(shí)采集十六路傳感器信號(hào)，為了數(shù)據(jù)采集方便，系統(tǒng)采用USB接口實(shí)現(xiàn)。當(dāng)傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)值出現(xiàn)異常時(shí)，會(huì)發(fā)出警報(bào)。

圖1 多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 氣敏傳感器陣列

氣敏傳感器陣列是由一些氣敏傳感器及其附加電路組成，總共有16個(gè)傳感器排列而成。氣敏傳感器放在氣室上方，下方放置茶葉等目標(biāo)檢測(cè)物，氣室采用3D打印機(jī)打印而成。考慮到檢測(cè)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)學(xué)，氣敏傳感器采用目前市場(chǎng)上最為廣泛的金屬氧化物氣敏傳感器。金屬氧化物氣敏傳感器是目前電子鼻系統(tǒng)應(yīng)用較為廣泛的一種導(dǎo)電型傳感器，其結(jié)構(gòu)主要由電極、加熱器、感應(yīng)膜，三部分組成。感應(yīng)膜采用半導(dǎo)體金屬氧化物薄膜，金屬氧化物在正常情況下是不導(dǎo)電的，但在氣體作用下電阻值發(fā)生改變，從而可以測(cè)量各類氣體的濃度，輸出形式可以是電流，也可以是電壓。金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、使用簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，應(yīng)用極其廣泛。表1為篩選的氣敏傳感器類型。

表1 初選氣敏傳感器類型及其敏感氣體

2.2 程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的下位機(jī)主程序框圖如圖2所示。下位機(jī)的作用基本是作為一個(gè)采集模塊存在，配合上位機(jī)一起工作。上位機(jī)系統(tǒng)則是采用Visual C++6.0語言開發(fā)而成，具有較好的交互界面，可以隨時(shí)測(cè)量和采集目標(biāo)檢測(cè)物的參數(shù)數(shù)據(jù)，并可以以excel和txt文件格式保存，方便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理開發(fā)。

圖2 多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖

中斷程序是其中比較重要的軟件部分，包括系統(tǒng)中斷程序，串口數(shù)據(jù)收發(fā)中斷程序和數(shù)據(jù)采集中斷程序等，數(shù)據(jù)采集的程序部分參考了許江河的設(shè)計(jì)。在上電后，首先進(jìn)行初始化，然后配置相關(guān)的寄存器，在根據(jù)中斷程序調(diào)用子程序模塊完成數(shù)據(jù)的采集。

2.3 設(shè)計(jì)過程和注意事項(xiàng)

本信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程將包括傳感器陣列的設(shè)計(jì)，單片機(jī)設(shè)計(jì)和電腦采集數(shù)據(jù)三部分。首先明確目標(biāo)，熟悉氣敏傳感器的引腳分布和典型的應(yīng)用案例，選好單片機(jī)，即選擇STM32，根據(jù)應(yīng)用需求畫出電路的連接草圖，通過Altium Designer Winter 09畫好PCB版，有深圳的一家電路板的制作工廠（嘉立創(chuàng)）制成PCB電路板。將元器件焊接好以后，對(duì)氣敏傳感器進(jìn)行測(cè)試，對(duì)漂移進(jìn)行校正，最后對(duì)系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行聯(lián)合測(cè)試。

本設(shè)計(jì)中需要注意的地方有：在PCB電路板布局布線時(shí)，需要考慮元器件的布局對(duì)信號(hào)干擾的影響，既要考慮傳感器布局的美觀，還要考慮接線的方便，更要考慮布局對(duì)信號(hào)采集精度的影響，如電源部分位于電路板右上方等。為減少噪聲，在電源部分多考慮電容濾波。在減少器件間引入的噪聲干擾，采用集成電路器件。

本系統(tǒng)采用的經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的STM32系列單片機(jī)，構(gòu)建了一個(gè)魯棒多路氣敏信號(hào)采集系統(tǒng)，成本低廉。本系統(tǒng)采用成熟的單片機(jī)技術(shù)完成多路信號(hào)的采集與測(cè)量，為配合模式識(shí)別茶葉檢測(cè)系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)設(shè)備采用計(jì)算機(jī)，既可以采用筆記本電腦也可以采用臺(tái)式機(jī)完成。