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

對氣體信號的采集可以更好地分析物質(zhì)本身，本文設(shè)計了一種基于STM32單片機的多路氣敏電信號的采集、測量系統(tǒng)，系統(tǒng)采用STM32單片機為系統(tǒng)控制核心。本文從系統(tǒng)需求出發(fā)，分析了氣敏信號采集的工作原理，設(shè)計了相關(guān)軟硬件程序。測試結(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，具有較強的應(yīng)用價值。

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)品檢測有了新的方法。遵義是全國重要的茶葉產(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)進行檢測，并促進加工工藝的優(yōu)化。目前進行數(shù)據(jù)采集的電路設(shè)計系統(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完成的。由于單片機設(shè)計電路簡單經(jīng)濟，在許多便攜式以及一些對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)了一種在線檢測茶葉氣味或者說茶香的信號采集系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

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

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

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)檢測物，氣室采用3D打印機打印而成。考慮到檢測的穩(wěn)定性和經(jīng)濟學(xué)，氣敏傳感器采用目前市場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、使用簡單的特點，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

本設(shè)計系統(tǒng)的下位機主程序框圖如圖2所示。下位機的作用基本是作為一個采集模塊存在，配合上位機一起工作。上位機系統(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，可以隨時測量和采集目標(biāo)檢測物的參數(shù)數(shù)據(jù)，并可以以excel和txt文件格式保存，方便對數(shù)據(jù)進一步處理開發(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。在上電后，首先進行初始化，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)計過程和注意事項

本信號采集系統(tǒng)的設(shè)計過程將包括傳感器陣列的設(shè)計，單片機設(shè)計和電腦采集數(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，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，對氣敏傳感器進行測試，對漂移進行校正，最后對系統(tǒng)的軟硬件進行聯(lián)合測試。

本設(shè)計中需要注意的地方有：在PCB電路板布局布線時，需要考慮元器件的布局對信號干擾的影響，既要考慮傳感器布局的美觀，還要考慮接線的方便，更要考慮布局對信號采集精度的影響，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)濟實惠的STM32系列單片機，構(gòu)建了一個魯棒多路氣敏信號采集系統(tǒng)，成本低廉。本系統(tǒng)采用成熟的單片機技術(shù)完成多路信號的采集與測量，為配合模式識別茶葉檢測系統(tǒng)，本設(shè)計的存儲設(shè)備采用計算機，既可以采用筆記本電腦也可以采用臺式機完成。