基于WIFI的無線甲醛監(jiān)測器設計

摘要：設計了一款WIFI無線甲醛監(jiān)測器，它的傳感器器件采用八個金屬氧化物半導體材料組成的陣列。它既有熱激發(fā)也有光激發(fā)的功能。本系統(tǒng)通過單片機實現(xiàn)信號獲取、光熱控制、存儲等功能。它還可以通過WIFI與PC或智能手機實現(xiàn)無線通訊。本系統(tǒng)以TiO2作為氣敏材料，通過紫外光激發(fā)，溫度控制在75℃左右對甲醛氣體進行測試。結果表明100ppm甲醛的響應靈敏度達1802.03。通過實驗證明了該甲醛檢測器的設計是可行的。

0 引言

甲醛是一種有毒氣體，它廣泛存在于家居裝飾材料中，危害著人們的身體健康，因此對于甲醛的監(jiān)測顯得尤為重要。隨著技術的發(fā)展，甲醛的監(jiān)測主要朝著實時響應、操作簡化、低功耗、低成本方向發(fā)展。目前，國內也有一些人做了關于甲醛監(jiān)測的儀器，他們都采用國外電化學傳感器，但成本較高。本文開發(fā)了一款八陣列金屬氧化物半導體材料點作為傳感器件，基于WIFI通訊的低成本、低功耗甲醛監(jiān)測器。

1 硬件設計

1.1 傳感器器件設計

傳感器器件是甲醛監(jiān)測器的核心，它直接決定甲醛監(jiān)測器的性能。本系統(tǒng)采用金屬氧化物半導體作為傳感器件的材料。金屬氧化物半導體傳感器具有對有機氣體靈敏度高、響應時間快(≤10s)、易大批量生產(chǎn)、價格便宜等特點。我們的傳感器件設計成八陣列的形式，它具有八個材料點，每個材料點可以獲取一種氣體信息，八個材料點就可以獲取八種信號，八種信號再構成一個特征圖譜，把這個特征圖譜與數(shù)據(jù)庫中的圖譜對比就能對未知氣體進行識別。

如圖1所示，該器件以0.38mm厚的氧化鋁陶瓷片為載體材料，通過絲網(wǎng)印刷技術在上面印有信號電極和加熱材料，信號電極采用鉑為原料做成插齒電極，金屬氧化物半導體材料則印在插齒電極上形成八個材料點，加熱采用鉑絲加熱，并且在每個器件上都集成有測溫鉑絲，用于器件溫度的實時監(jiān)控。因為器件需要加熱，我們將陶瓷片通過不銹鋼支撐架固定在轉接電路板上。最后將信號電極與轉接電路板的電極通過金絲球焊連接起來。為了保護材料芯片，器件需加一個外殼，它由不銹鋼薄片通過沖壓成型工藝制成。在外殼的上方開有6mm×5mm的孔，它用作光激發(fā)。

1.2 模組設計

模組主要由傳感器信號采集、溫度信號采集、光熱控制、通訊模塊等構成，如圖2所示。模組以STC12C5A60S2單片機作為核心器件，它內部集成有8路A/D(10位)可用作信號采集、電源電量采集等等，2路PWM可作為D/A(8位)用作加熱控制，36個I/O可用作數(shù)字開關，對芯片進行控制，它內部還集成了2K的EEPROM可用作數(shù)據(jù)的存儲。

1.2.1 信號采集

信號采集主要是采集金屬氧化物半導體材料的電阻信號。其原理如圖3所示，由5V電壓供電，金屬氧化物半導體材料與匹配電阻串聯(lián)，單片機通過1路A/D采集匹配電阻與材料之間的電壓，又因為匹配電阻的阻值是己知的，因此可以很容易地求出材料的電阻值。匹配電阻由八個標準電阻組成，它們連接在一個八路開關上由單片機的3個I/O控制通斷來自動實現(xiàn)匹配電阻與材料的最佳匹配。傳感器器件的八個材料點也與一個八路開關連接，并由3個I/O控制通斷順序，這樣就可以分別測出八個材料點的電阻值。該傳感器電阻測量范圍是100Ω～100MΩ。

1.2.2 溫度采集

溫度測量的原理如圖4所示。因為鉑的電阻與溫度有良好的線性關系，所以測溫電阻為鉑電阻絲。通過測量電阻絲的電阻，再進行溫度標定就能建立電阻與溫度的對應關系，根據(jù)標定的溫度電阻關系就能通過測量電阻絲的電阻換算得到溫度值。因為我們印的鉑電阻的阻值較小，室溫大概30Ω，所以我們采用恒流源的方式測電阻。恒流源產(chǎn)生一個恒定的5mA電流經(jīng)過測溫電阻絲，單片機采集測量測溫電阻絲兩端的電壓通過簡單的運算就能求出電阻絲的電阻值。經(jīng)測試，本模塊的測溫精度在±2℃，符合實驗要求。

1.2.3 光熱控制

因為金屬氧化物半導體材料在光激發(fā)下性能有很大的提高，且工作溫度也大幅降低，所以我們設計了通過單片機控制LED燈珠光激發(fā)部分，其原理圖如圖5所示。我們采用可調穩(wěn)壓開關芯片LM2596ADJ作為光激發(fā)控制的核心，根據(jù)需求的不同可通過它的引腳4的兩個電阻調整輸出電壓值，本實驗控制在3.6V左右。單片機的一個I/O與引腳5相連，當引腳5為低電平“0”時穩(wěn)壓開關芯片輸出3.6V，燈珠發(fā)光對材料進行光激發(fā)，當輸出高電平“1”時芯片輸出0V，停止光激發(fā)。我們采用紫外燈珠，波長在365～370nm，功耗1W。

金屬氧化物半導體材料最佳工作溫度一般較高，所以本模塊需要設計一個加熱部分，其原理如圖6所示。單片機設置好加熱電壓值，經(jīng)過D/A將數(shù)字信號轉換為模擬信號，再經(jīng)過一個運放放大信號，放大后的電壓信號通過一個三極管輸出最終的加熱電壓。加熱電壓加載在加熱鉑絲上，隨著加熱電壓的變化，加熱功耗也在變化，器件的溫度也隨之變化，通過溫度采集我們就能獲取當前溫度，再通過溫度PID控制程序，我們就能將加熱溫度控制在一個固定的值上。