摘要：规划了一款WIFI无线甲醛监测器，它的传感器器材选用八个金属氧化物半导体资料组成的阵列。它既有热激起也有光激起的功用。本系统经过单片机完成信号获取、光热操控、存储等功用。它还能够经过WIFI与PC或智能手机完成无线通讯。本系统以TiO2作为气敏资料，经过紫外光激起，温度操控在75℃左右对甲醛气体进行测验。成果表明100ppm甲醛的呼应灵敏度达1802.03。经过试验证明了该甲醛检测器的规划是可行的。
0 导言
甲醛是一种有毒气体，它广泛存在于家居装饰资猜中，危害着人们的身体健康，因而关于甲醛的监测显得尤为重要。跟着技能的开展，甲醛的监测首要朝着实时呼应、操作简化、低功耗、低本钱方向开展。现在，国内也有一些人做了关于甲醛监测的仪器，他们都选用国外电化学传感器，但本钱较高。本文开发了一款八阵列金属氧化物半导体资料点作为传感器材，依据WIFI通讯的低本钱、低功耗甲醛监测器。
1 硬件规划
1.1 传感器器材规划
传感器器材是甲醛监测器的中心，它直接决议甲醛监测器的功能。本系统选用金属氧化物半导体作为传感器材的资料。金属氧化物半导体传感器具有对有机气体灵敏度高、呼应时刻快(≤10s)、易大批量出产、价格便宜等特色。咱们的传感器材规划成八阵列的方法，它具有八个资料点，每个资料点能够获取一种气体信息，八个资料点就能够获取八种信号，八种信号再构成一个特征图谱，把这个特征图谱与数据库中的图谱比照就能对不知道气体进行辨认。
如图1所示，该器材以0.38mm厚的氧化铝陶瓷片为载体资料，经过丝网印刷技能在上面印有信号电极和加热资料，信号电极选用铂为质料做成插齿电极，金属氧化物半导体资料则印在插齿电极上构成八个资料点，加热选用铂丝加热，并且在每个器材上都集成有测温铂丝，用于器材温度的实时监控。由于器材需求加热，咱们将陶瓷片经过不锈钢支撑架固定在转接电路板上。终究将信号电极与转接电路板的电极经过金丝球焊衔接起来。为了维护资料芯片，器材需加一个外壳，它由不锈钢薄片经过冲压成型工艺制成。在外壳的上方开有6mm×5mm的孔，它用作光激起。
1.2 模组规划
模组首要由传感器信号收集、温度信号收集、光热操控、通讯模块等构成，如图2所示。模组以STC12C5A60S2单片机作为中心器材，它内部集成有8路A/D(10位)可用作信号收集、电源电量收集等等，2路PWM可作为D/A(8位)用作加热操控，36个I/O可用作数字开关，对芯片进行操控，它内部还集成了2K的EEPROM可用作数据的存储。
1.2.1 信号收集
信号收集首要是收集金属氧化物半导体资料的电阻信号。其原理如图3所示，由5V电压供电，金属氧化物半导体资料与匹配电阻串联，单片机经过1路A/D收集匹配电阻与资料之间的电压，又由于匹配电阻的阻值是己知的，因而能够很容易地求出资料的电阻值。匹配电阻由八个规范电阻组成，它们衔接在一个八路开关上由单片机的3个I/O操控通断来主动完成匹配电阻与资料的最佳匹配。传感器器材的八个资料点也与一个八路开关衔接，并由3个I/O操控通断次序，这样就能够别离测出八个资料点的电阻值。该传感器电阻丈量规模是100Ω～100MΩ。
1.2.2 温度收集
温度丈量的原理如图4所示。由于铂的电阻与温度有杰出的线性联系，所以测温电阻为铂电阻丝。经过丈量电阻丝的电阻，再进行温度标定就能树立电阻与温度的对应联系，依据标定的温度电阻联系就能经过丈量电阻丝的电阻换算得到温度值。由于咱们印的铂电阻的阻值较小，室温大约30Ω，所以咱们选用恒流源的方法测电阻。恒流源产生一个稳定的5mA电流经过测温电阻丝，单片机收集丈量测温电阻丝两头的电压经过简略的运算就能求出电阻丝的电阻值。经测验，本模块的测温精度在±2℃，契合试验要求。
1.2.3 光热操控
由于金属氧化物半导体资料在光激起下功能有很大的进步，且作业温度也大幅下降，所以咱们规划了经过单片机操控LED灯珠光激起部分，其原理图如图5所示。咱们选用可调稳压开关芯片LM2596ADJ作为光激起操控的中心，依据需求的不同可经过它的引脚4的两个电阻调整输出电压值，本试验操控在3.6V左右。单片机的一个I/O与引脚5相连，当引脚5为低电平“0”时稳压开关芯片输出3.6V，灯珠发光对资料进行光激起，当输出高电平“1”时芯片输出0V，中止光激起。咱们选用紫外灯珠，波长在365～370nm，功耗1W。
金属氧化物半导体资料最佳作业温度一般较高，所以本模块需求规划一个加热部分，其原理如图6所示。单片机设置好加热电压值，经过D/A将数字信号转换为模拟信号，再经过一个运放扩大信号，扩大后的电压信号经过一个三极管输出终究的加热电压。加热电压加载在加热铂丝上，跟着加热电压的改变，加热功耗也在改变，器材的温度也随之改变，经过温度收集咱们就能获取当时温度，再经过温度PID操控程序，咱们就能将加热温度操控在一个固定的值上。
1.2.4 通讯模块
本模块能够完成传统的RS232通讯，也能够完成WIFI无线通讯。单片机的引脚RXD(P30)、TXD(P31)经过MAX232芯片将TTL电平转换为EIA电平，然后完成单片机与PC机的RS232通讯。WIFI无线通讯则是经过WIFI模块将单片机的数据转换成WIFI规范的数据类型。经过设置模块的网络称号、暗码、IP、端口号、串口参数等可完成单片机与PC机或智能手机之间的通讯。
1.3 外壳规划
全体的外壳规划如图7所示。外壳规划首要是依据模组的尺度、电源的方法、接口方位、便利拆开等来考虑。本款模组的长是102mm，宽是40mm，高是30mm。电源既要能用电池供电又要能够经过外接电源供电。综上考虑，外壳由3个部分组成：电路板仓、器材仓、电池仓。电路板经过6个通孔固定在外壳上盖上，一起电路板会与外壳构成一个关闭的仓，即器材仓，在器材仓的上外表再打一些小孔，气体经过分散经过这些小孔与器材产生反响。电池固定在正面，它经过两根线与电路板衔接，电源线与电路板是可拔插的，以便利电池的拆开。外接电源接口、开关、指示灯固定在外壳的尾部。
2 软件规划
本系统的软件部分分为两个部分：单片机部分与客户端部分。单片机软件选用C言语编写，它包括初始化函数、信号获取函数、温度获取函数、数据处理函数、温度标定函数、存储函数等。程序流程图如图8所示，单片机首要初始化，然后等候与客户端衔接，当衔接成功后就判别当时指令是作业形式仍是调试形式，调试形式则进行温度标定，标定的成果存储在单片机的内部存储傍边，如果是作业形式则依据客户端的指令做出相应的操作，终究得到的数据经过WIFI无线传输到客户端显现出来。客户端如果是PC机则依据LabVIEW编写，它首要完成WIFI无线通讯、数据的传输、数据的处理与显现。客户端若是Android智能手机则依据Java开发相应的APP应用程序，该APP首要完成WIFI无线通讯、数据的传输与显现。经过试验测验证明，Android智能手机与甲醛监测器通讯正常。
3 电子鼻的功能测验
灵敏度是甲醛监测器的重要功能参数之一。咱们将TiO2作为气体灵敏资料制作成传感器器材，并用咱们的甲醛监测器将加热温度别离操控在25℃、50℃、75℃、100℃、125℃五个不同的温度，且在紫外光激起的条件下对100ppm甲醛进行了灵敏度测验，如表1所示。成果发现，在紫外光激起的情况下75℃时咱们的甲醛监测器的灵敏度最大，到达了1802.03。
在紫外光激起、加热温度75℃的条件下，咱们就传感器对不同浓度的甲醛的灵敏度做了测验，成果显现在10ppm时咱们的传感器还具有很高的灵敏度。
经过上面的试验成果阐明，咱们规划的甲醛监测器是可行的。
4 结束语
本甲醛监测器有以下几个特色：
(1)既能够进行热激起又能够进行光激起，相关于传统热激起温度要200℃以上才干得到较好的资料功能，本系统在光激起下只需75℃就能到达最好的功能，大大下降了功耗。
(2)本系统尺度小，便于带着。
(3)本系统能够完成WIFI无线通讯，这为传感器联网和长途监控打下了根底。
(4)本系统本钱低且对甲醛的灵敏度好。
