馬明歌 許貴淳 紀丹 朱鵬 杜琳琳

摘? ?要：隨著物質(zhì)水平的提高，人們對居家生活的安全性和舒適度也日益關(guān)切。對于室內(nèi)空氣中甲醛濃度的測定較為復(fù)雜，即便是操作簡便的檢測盒也需要人眼比對標準比色卡的顏色來粗略確定濃度，智能化方面有所欠缺。本研究基于酚試劑法測定甲醛含量的原理，利用NFC芯片技術(shù)來實現(xiàn)手機用戶端監(jiān)控室內(nèi)甲醛的濃度功能，實現(xiàn)快速的信息采集和數(shù)據(jù)交換。

關(guān)鍵詞：顏色識別? 空氣凈化? 甲醛測定

中圖分類號：TQ326? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）05（c）-0109-03

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

1? 顏色識別系統(tǒng)的構(gòu)建

單片機作為一種集成電路芯片是顏色識別系統(tǒng)的核心技術(shù)。2000年單片機還只停留在4位、8位，到2018年為止單片機已經(jīng)進步到300M[1]。其實單片機的原理是應(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、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器等功能（還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一個小而完善的微型計算機系統(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)計中采用的顏色識別系統(tǒng)型號為TCS230，TCS230是由全球公認的頂尖光傳感技術(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單一的能實現(xiàn)邏輯功能的集成電路上[2]，是行業(yè)里首次實現(xiàn)有數(shù)字兼容接口、單一芯片和三種紅綠藍濾光器為一體的彩色傳感器[3]。TCS230系統(tǒng)可以控制輸入標準的最大網(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，進而幫助其他電路與中央處理器進行連接通信。TCS230顏色識別系統(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別系統(tǒng)更加簡化，但是得到的數(shù)字結(jié)果精度和準度非常高[4]。

TCS230是有64個光電二極管的單一芯片，這64個管分四種不同型號和特性[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[6]。開發(fā)者為了能提高顏色是別的精度和準度，這種型號的顏色識別系統(tǒng)內(nèi)置的光電二極管互相交錯分布，將分布不均勻的入射光誤差降到最小，從而增加顏色識別的精確度;另一方面，相同顏色的16個光電二極管是并聯(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，通過兩個可編程的引腳來動態(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，用戶還可以通過兩個可編程引腳來選擇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)不同的測量范圍，提高了它的適應(yīng)能力。比如說如果使用低頻速度的頻率計數(shù)器時，我們?yōu)榱俗孴CS230的輸出頻率和計數(shù)器相匹配可以選擇小的定標值[9]。如果有入射光投射在TCS230上時，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行多種組合[10];經(jīng)過電流到頻率轉(zhuǎn)換器后輸出不同頻率的方波（占空比是50%）[11]，不同的顏色和光強對應(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不同的輸出比例因子輸出定位光標來調(diào)整輸出的頻率進而控制這兩種引腳[12]。

2? 顏色識別系統(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)計里我們?yōu)榱诉M行整體供電選擇了220V的交流電，這個系統(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，達不到本設(shè)計的要求。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，有很好的線性和負載性，輸出驅(qū)動電流為3A。LM2596同樣還有其他的優(yōu)點在特定的輸入電壓和輸出負載時，電壓輸出的誤差可以在±4%的范圍內(nèi)，可以用80μA的待機電流就實現(xiàn)外部的斷電，在危機的情況下可以很好的保護自身電路，使電路的安全性有了進一步的提高。

2.2 LM2596芯片的選擇

LM2596芯片是由一家美國的半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種降壓開關(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電路，能夠在危險的情況下關(guān)斷電路。它還含有150KHZ的固定頻率振蕩器以及1.23V的基準穩(wěn)壓器。系統(tǒng)采用220V交流電進行整體供電，使用開關(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。整個過程可以理解為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載調(diào)節(jié)特征，它主導(dǎo)的開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器是降壓型電源控制單片機集成電路。因為該時期只需要4個外接元件，可以使用通用的標準電感，使LM2596有了更加突出的特點，極大地簡化開關(guān)電源電路的設(shè)計。LM2596芯片特點：（1）LM2596最大輸出電流為3A。（2）LM2596最高輸出電壓為37V，同時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。同用還可以實現(xiàn)外部控制。（7）LM2596的工作模式控制為TTL電平相容模式。（8）LM2596所需外部組件僅有四個（不可調(diào)）和六個（可調(diào)）兩種。（9）LM2596的器件保護方式分為熱關(guān)斷和電流限制兩種。