張志廣+林聰+李志剛

摘 要： 甲醛是室內(nèi)環(huán)境污染的重要因素之一，該文提出一種基于手機(jī)耳機(jī)接口通信的便攜式甲醛氣體檢測儀，設(shè)計(jì)基于MSP430單片機(jī)的傳感器檢測終端電路，采用FSK編碼進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和處理，智能手機(jī)APP通過耳機(jī)接口讀入數(shù)據(jù)并顯示甲醛濃度和報(bào)警。結(jié)果表明，該檢測儀相比傳統(tǒng)甲醛檢測儀具有功耗低、攜帶方便、與智能手機(jī)相結(jié)合易于用戶使用等優(yōu)勢，并且具有很好的市場前景。

關(guān)鍵詞： 甲醛檢測儀； MSP430； 耳機(jī)接口通信； FSK

中圖分類號： TN911?34； TP216+.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）08?0145?03

Mini formaldehyde gas detector based on headphone interface communication

ZHANG Zhiguang， LIN Cong， LI Zhigang

（Research Institute of Henan Hanwei Electronics Co.， Ltd.， Zhengzhou 450001， China）

Abstract： The formaldehyde is one of the main factors of the indoor environmental pollution. A portable formaldehyde gas detector based on headphone interface communication is proposed. The sensor′s detecting terminal circuit based on MSP430 was designed. The FSK coding is used for data transmission and processing. The APP installed into the smart phone reads the data through the headphone interface， displays the formaldehyde concentration， and sends an alarm. In comparison with the traditional formaldehyde detectors， the formaldehyde gas detector has the advantages of lower power consumption and more portable carrying， is easy to use with the smart phone， and has perfect market prospect.

Keywords： formaldehyde gas detector； MSP430； headphone interface communication； FSK

甲醛是一種高揮發(fā)性、具有較高毒性的物質(zhì)，室內(nèi)甲醛主要來源于裝修材料，包括各種人造板材、油漆、墻紙等，是潛在危險(xiǎn)致癌物和重要的環(huán)境污染物。隨著生活水平的提高，人們對生活環(huán)境質(zhì)量的關(guān)注也越來越高，因而對居住、辦公環(huán)境中甲醛的隨時(shí)檢測也引起越來越多的關(guān)注[1?2]。

隨著智能手機(jī)應(yīng)用功能的日益強(qiáng)大和智能化，能夠與手機(jī)應(yīng)用配合使用也是終端設(shè)備發(fā)展的一大趨勢，當(dāng)前基于Android系統(tǒng)的智能手機(jī)USB接口雖然日漸統(tǒng)一，但是基于IOS系統(tǒng)的iPhone手機(jī)仍舊使用的是自有接口標(biāo)準(zhǔn)，因此基于USB接口通信的外設(shè)存在一定的局限性，而4腳3.5 mm耳機(jī)接口如今已經(jīng)是所有智能手機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置，因此一款能夠通過耳機(jī)接口[3]和智能手機(jī)通信的便攜式甲醛氣體檢測終端就有了其存在的必要?；谥悄苁謾C(jī)耳機(jī)接口通信的超便攜式甲醛檢測儀，僅有半張信用卡大小，與同類產(chǎn)品相比具有電路簡單、體積小巧、價(jià)格低廉等優(yōu)勢，尤其是用戶只需將產(chǎn)品插入手機(jī)耳機(jī)孔即可進(jìn)行檢測，結(jié)合手機(jī)APP即可實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前甲醛濃度值，真正實(shí)現(xiàn)隨時(shí)檢測、即插即用的便捷，非常適合家庭和中小公司使用。

1 甲醛檢測終端電路設(shè)計(jì)

基于耳機(jī)接口的甲醛檢測終端主要由電池供電開關(guān)電路，耳機(jī)接口通信電路，低功耗MSP430單片機(jī)電路，甲醛氣體傳感器等組成。甲醛氣體傳感器完成甲醛氣體濃度采集并輸出電信號，經(jīng)由運(yùn)放電路后送給單片機(jī)內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器，完成模/數(shù)轉(zhuǎn)換。單片機(jī)將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)經(jīng)過調(diào)制編碼通過通信電路輸出給手機(jī)APP。

考慮到硬件的外觀體積和功耗，整個(gè)甲醛檢測終端采用3 V紐扣電池供電，內(nèi)置的電路設(shè)計(jì)具有不插入手機(jī)耳機(jī)孔時(shí)，主控單片機(jī)將處于休眠狀態(tài)，為了能做到檢測終端的長時(shí)間待機(jī)和續(xù)航試用，主控芯片采用的是德州儀器生產(chǎn)超低功耗16位微控器MSP430F1232，該單片機(jī)工作電流僅在微安級并有豐富的片內(nèi)資源。片內(nèi)資源包括1個(gè)16位定時(shí)器、1個(gè)快速12位A/D轉(zhuǎn)換器，自帶采樣保持、一個(gè)通用串行同步異步通信接口和22個(gè)I/O端口；片內(nèi)包含8 KB FLASH和256 B RAM，并具有片內(nèi)溫度傳感器，使用該芯片可減少外圍電路設(shè)計(jì)，降低成本，且能有效降低功耗。單片機(jī)負(fù)責(zé)處理所有的硬件接口和軟件協(xié)議處理，3.5 mm耳機(jī)標(biāo)準(zhǔn)接口實(shí)現(xiàn)與手機(jī)端APP之間的通信[4?5]。

1.1 電池供電開關(guān)電路

電池供電電路如圖1所示，其中Left端與耳機(jī)插頭Left端相連，當(dāng)耳機(jī)插頭未插入手機(jī)時(shí)，MOS管處于截止?fàn)顟B(tài)，POWER端輸出低電平，此時(shí)主控制器處于休眠狀態(tài)，當(dāng)耳機(jī)插頭插入手機(jī)后，Left接入手機(jī)內(nèi)部耳機(jī)電路，Left端電平被拉低，MOS管導(dǎo)通，POWER輸出高電平，使單片機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)。此時(shí)單片機(jī)開始A/D采集轉(zhuǎn)換，并對數(shù)據(jù)編碼和手機(jī)APP通信。

1.2 耳機(jī)通信接口電路

通用的四段式3.5 mm耳機(jī)插頭如圖2所示，通信電路與手機(jī)耳機(jī)口的MIC端相連，本文采用甲醛檢測終端到手機(jī)端的單向通行方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，利用手機(jī)耳機(jī)接口的MIC端向手機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。

為了降低通信過程中的高頻噪聲，并隔離耳機(jī)接口輸入信號中的支流分量，設(shè)計(jì)了一個(gè)RC低通濾波和隔直電容組成接口電路，起到保護(hù)手機(jī)耳機(jī)接口的作用，電路如圖3所示。

1.3 甲醛傳感器信號調(diào)理電路

甲醛氣體傳感器信號調(diào)理電路主要由甲醛氣體傳感器、運(yùn)放電路以及濾波電容組成。硬件電路如圖4所示。

傳感器選用煒盛電子股份有限公司的甲醛氣體傳感器，該傳感器成本低，精度較高，是公司針對家庭客戶需求研發(fā)的一款傳感器。傳感器基于電化學(xué)原理工作，利用甲醛氣體在電極上的電化學(xué)氧化過程，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的電流大小與其濃度成比例關(guān)系。

傳感器輸出的電流信號很微弱，運(yùn)放電路選用了Microchip公司的軌至軌高精度運(yùn)放MCP6032，該運(yùn)放偏置電壓和靜態(tài)電流值均很小，從而保證了放大電路對傳感器輸出信號的無失真放大。

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要分為二部分：甲醛采集器終端程序設(shè)計(jì)和手機(jī)APP軟件構(gòu)成。本文重點(diǎn)闡述甲醛采集終端程序設(shè)計(jì)，并給出信號調(diào)制程序部分代碼。手機(jī)APP只做簡要描述。

2.1 甲醛采集器終端程序設(shè)計(jì)

傳感器終端軟件采用C語言編程，主程序主要包括甲醛氣體濃度采集和FSK編碼通信兩部分，流程如圖5所示。其中甲醛氣體濃度采集程序采用了零點(diǎn)跟蹤算法，代碼如下：

void ZeroTrack（unsigned int MoveAD）

{ …

if（（MoveMaxAD?MoveMinAD）<=StableBoundary）

{ if（count2>StableNumber） //進(jìn)行跟蹤，連續(xù)10 s穩(wěn)定

{ count2=0；

MoveIndex++；

Old_BD_Zero=MoveAD；

MoveIndex=0； //重新進(jìn)行10 s跟蹤

…}

零點(diǎn)跟蹤算法會(huì)在甲醛檢測終端每次開機(jī)時(shí)判斷傳感器的A/D采樣值是否在最大偏移值MoveMaxAD和最小偏移值MoveMinAD區(qū)間范圍內(nèi)，若一定時(shí)間內(nèi)在未超過預(yù)設(shè)范圍則將當(dāng)前傳感器AD值設(shè)為零點(diǎn)。若超出范圍則判斷當(dāng)前環(huán)境存在甲醛氣體，不再進(jìn)行零點(diǎn)跟蹤。零點(diǎn)跟蹤算法能有效解決氣體傳感器本身特性存在的零點(diǎn)誤差問題，并提高甲醛檢測終端的檢測準(zhǔn)確度。

甲醛檢測終端與手機(jī)APP采用FSK編碼進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，頻移鍵控（Frequency Shift Keying，F(xiàn)SK）因處理的數(shù)據(jù)為二進(jìn)制，所以又稱為2FSK，F(xiàn)SK調(diào)制傳輸數(shù)據(jù)實(shí)際上是將數(shù)字信號調(diào)制到一個(gè)更高的載波信號上，數(shù)字信號的0和1分別用不同頻率的載波信號，接收端則根據(jù)接收到的載波頻率區(qū)分0和1。其調(diào)制后的信號可表示為[6?8]：

甲醛數(shù)據(jù)檢測終端部分FSK編碼程序代碼如下：

_interrupt void Timer_A（void）

{ if（idle_status！=0）

{ if（idle_exit！=0）

{idle_status=0； count_375us=0；WDTCTL=WDT_ARST_1000；_BIC_SR_IRQ（LPM3_bits）；}

if（idle_num>0）

{ if（idle_high_low==0）

{MIC_IO_HIGH；WDTCTL=WDT_ARST_1000；idle_high_low=1；count_375us=0；}

else if（idle_high_low！=0）

{MIC_IO_LOW；idle_high_low=0；count_375us=0；idle_num??；

if（idle_num==0）idle_exit=1；}}}}

其中：_interrupt void Timer_A（void）為MSP430的定時(shí)器中斷服務(wù)函數(shù)，甲醛檢測終端程序首先將甲醛濃度值數(shù)據(jù)封裝成標(biāo)準(zhǔn)串口數(shù)據(jù)格式并寫入緩存中，執(zhí)行發(fā)送時(shí)通過中斷服務(wù)函數(shù)Timer_A（ ）改變相應(yīng)標(biāo)志位，從而修改定時(shí)器周期，觸發(fā)定時(shí)器輸出引腳產(chǎn)生不同頻率的PWM信號，用示波器可以看到輸出的PWM信號波形如圖6所示。

2.2 手機(jī)APP軟件流程與實(shí)現(xiàn)

手機(jī)APP通過MIC口接收檢測終端發(fā)送的PWM信號，軟件進(jìn)行FSK解調(diào)出傳感器數(shù)據(jù)，并計(jì)算出對應(yīng)的甲醛氣體濃度值，在UI上顯示，同時(shí)根據(jù)不同的濃度值顯示不同的報(bào)警提示，其工作流程如圖7所示，甲醛氣體檢測儀配合手機(jī)APP使用的實(shí)物圖如圖8所示。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)以MSP430單片機(jī)為控制核心，通過耳機(jī)通信方式，實(shí)現(xiàn)了甲醛氣體檢測器與智能手機(jī)的結(jié)合使用。該設(shè)計(jì)甲醛氣體檢測儀具備很好的便攜性和較高的精度，與智能手機(jī)的配合使用充分體現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)中物物聯(lián)通的概念，同時(shí)該甲醛氣體檢測儀能夠?qū)崟r(shí)地將傳感器數(shù)據(jù)通過手機(jī)端傳輸至大數(shù)據(jù)云平臺(tái)，對便攜設(shè)備的進(jìn)一步發(fā)展帶來更多想象空間。

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