基于51单片机的电子鼻的设计探讨

湖北工程学院新技术学院 王 烨



基于51单片机的电子鼻的设计探讨

湖北工程学院新技术学院 王 烨

【摘要】在航空航天、环境保护、化工控制、公安消防和临床诊断等多个领域，电子鼻都得到了广泛的应用。基于这种认识，本文对基于51单片的电子鼻的设计问题展开了探讨，先对电子鼻使用的51单片机性能及特点展开了介绍，然后对电子鼻的设计思路和软硬件设计问题展开了研究，从而为关注这一话题的人们提供参考。

【关键词】51单片机；电子鼻；设计

0 引言

从国内外发展情况来看，电子鼻的设计和制造成本较高，并且体型普遍较大，以至于导致电子鼻的应用受到了限制。而使用51单片机进行电子鼻的设计，不仅能够降低电子鼻的制造成本，还能够实现电子鼻的便携式设计。此外，设计基于51单片机的电子鼻还能不对吸入气体量进行严格控制，并且准确进行气体的识别，所以将有利于电子鼻的推广应用。

1 电子鼻使用的51单片机的性能及特点

电子鼻的设计，可以使用型号为STC89C516RD+的8位51单片机。该种单片机封装形式为PLCC，具有成本低、性能稳定、易操作、结构简单、控制能力强和兼容性好等多种应用优势。从单片机工作性能上来看，其工作电压为5V，工作频率为22.1185MHz，拥有1280字节随机存储器和36个I/O口。由于具有电可擦写可编程功能，该单片机能够通过擦除已有信息进行重新编程，并且能够确保系统掉电时数据不丢失。此外，该种单片机使用在系统可编程方式，可以在几秒内利用串口进行所需C语言源程序文件。使用该种单片机时，需要在单片机外围进行电平转换电路、复位电路和振荡电路的设置，以确保单片机正常独立工作。因为，单片机的输入和输出串口为TTL电平，与计算机串口的RS-232电平不兼容，需要使用电平转换芯片实现二者通信。

2 基于51单片机的电子鼻的设计

2.1 电子鼻设计思路

从原理上来看，电子鼻的工作原理就是模拟人的嗅觉形成过程。使用51单片机进行电子鼻的设计，单片机将相当于人的神经中枢，可以进行传感器采集的信号的识别、分析和处理，然后将结果显示出来。而设计一种多种人机交互方式的便携式电子鼻，则能够将搜集到的信息利用无线或有线方式发送给周围信息处理终端，从而使电子鼻的使用更加人性化和多样化。为此，可以使用电子鼻服务系统进行低成本、无线化的电子鼻设计。在实际应用电子鼻的过程中，电子鼻终端能够根据不同应用需求进行传感器阵列的更换，然后通过各种网络连接设备将数据上传至网络，以便由电子鼻工作站进行数据分析和处理。而通过将电子鼻终端应用在各种场合，则能够使系统得到不断学习和训练，继而使系统识别能力得到提升，所以将有利于电子鼻技术的推广应用。

2.2 电子鼻硬件设计

2.2.1 硬件结构设计

从电子鼻硬件结构上来看，该系统应该由信息发送端和信息接收端构成。其中，信息发送端负责进行金属氧化物半导体气体传感器阵列信号电压的采集，接收端可以利用移动计算机进行数据模式的识别，并且完成数据的分析和处理。而利用无线模块，这两个终端将能实现数据交换。进一步分析系统结构可以发现，发送端由采样系统、传感器阵列和电路系统构成。接收端则由无线模块、接口模块、单片机和移动计算机组成，能够进行发送端数据的处理，并且进行发送端所有动作的控制。在系统工作的过程中，接收端会进行各种指令的发送［1］。收到指令后，发送端将作出不同动作响应，如切换电磁阀气路通道、加热气体传感器阵列和控制传感器电压信号等。

2.2.2 系统发送端设计

在系统发送端设计方面，发送端采样系统由微型气泵、传感器腔体和三通电磁阀构成。在传感器腔体两侧，各有一个通孔分别是气体入口和出口。其出口需要与微型气泵入口连接，入口则需要与三通电磁阀出口连接。而微型气泵出口直接与空气连接，三通电磁阀入口拥有两个可切换通道，即空气通道和样品气体通道。在系统采集样品气体前，需将电磁阀切换至空气通道进行传感器腔体清洗。清洗完成后，三通电磁阀将切换至样品提起通道进行样品气体吸入［2］。而样品气体进入腔体后会与传感器阵列发生反应，从而使系统获得需要的数据信息。

在系统发送端工作的过程中，主要需要完成的任务就是进行气体传感器阵列响应信息的采集和存储，需要利用无线模块进行信息的发送。所以发送端电路系统主要由系统最小工作电路、电压信号提取电路、ADC模块、存储模块等多个电路及模块构成，系统最小工作电路即为51单片机，能够独立工作。系统发送端的传感器阵列为MOS气体传感器阵列，由7个商用TGS气体传感器组成，每个传感器型号都不相同，分别对香烟烟雾、烹调臭味、氨气、硫化氢、丁烷、甲烷等不同气体具有较高的灵敏度。使用这些气体传感器时，需要将其加热至250℃以上才能对气体进行有效感应［3］。所以在传感器内部，需要设置加热电阻。

系统工作的过程中，传感器信号提取电路的取样电阻将与传感器串联，其两端设有测试电压。在传感器与气体发生反应后，传感器内部气体敏感模的电导率会发生改变，从而导致取样电阻的端电压产生变化。通过采集这一电压信号，将能够得知传感器气敏膜电阻随时间变化关系。而系统ADC模块主要可以进行阵列信号电压采集，由A/D转换芯片和八路模拟多路复用器组成。在实际工作过程中，ADC模块需要同时进行八个气体传感器电压信号的采集，可以通过控制单片机三个I/O端口的电平状态进行八路模拟开关的选择管脚控制。而通过进行8路开关的实时切换，则能够完成8个MOS气体传感器构成的阵列响应信号电压的采集。此外，接收端存储模块由地质锁存器和闪存芯片构成，具有较大存储容量，并且拥有编程时间短、读写数据占用资源少和能够实现数据保护等功能。

2.2.3 系统接收端设计

在电子鼻接收端设计方面，接收端可以利用无线模块进行发送端数据的接收，然后利用单片机引脚进行串口通信。考虑到移动计算机上只有USB接口，没有RS232串口，所以还需要进行串口转接口电路的设计，然后利用该电路实现单片机与移动计算机的数据交换。具体来讲，就是使用内置有USB上拉电阻的转换芯片进行异步串口、同步串口和并口等接口的转换。从接收端总体设计上来看，无线模块是重要组成部分。为实现发送端与接收端的无线通信，可以使用单片射频收发器进行无线模块的设计。利用该收发器，需要在单片机和无线模块之间进行上拉电阻的连接［4］。而无线模块的工作频段为433MHz，工作速率最高可达50kbps，其中有125个频道，可以使多点通信和调频通信的需要得到满足。从工作模式上来看，无线通信模块拥有两种节电模式和两种工作模式，无线模块的工作状态由工作模式决定，所以需要预先设置好。

2.3 电子鼻软件设计

电子鼻的软件设计可以划分成两部分，即发送端软件编写和接收端的软件编写。在Keil uVision2开发环境中，使用C语言就可以进行发送端和接收端的51单片机软件程序的编写。编写完成后，可以利用RS232串口直接进行源程序的烧录。此外，还需要使用LabVIEW7.1平台进行接收端中的移动计算机软件平台的开发。完成系统所有软件程序编写后，则需要进行所有软件的调试，然后进行简单的验证性试验［5］。而通过试验可以发现，电子鼻系统及软件运行正常，能够满足系统设计的功能要求。

3 结论

总而言之，在生活的许多领域，电子鼻都能够得到应用。而使用51单片机进行一种便携式电子鼻的设计，并且使该种电子鼻能够进行多种气味的识别和分析，则能够使电子鼻的应用范围得到进一步拓展。因此，相信随着相关技术的发展，电子鼻的设计问题也将得到进一步研究，而本文提出的基于51单片机的电子鼻的设计也将得到进一步完善，从而使其获得一定的应用前景。

参考文献

［1］宋凯，王祁，张振平.基于单传感器温度调制的无线电子鼻系统设计［J］.仪器仪表学报，2011（1）﹕150-156.

［2］李宇骁，张顺平.基于STC89C516RD+单片机的手持式电子鼻的设计［J］.电子技术，2011（12）﹕34-37.

［3］潘辉.基于气体传感器的仿生电子鼻设计［J］.信息技术，2012（3）﹕128-132.