面向茶香信息的多路信号采集系统

遵义师范学院物理电子与科学学院 周朝稳 钟福如 熊 建 何春木

对气体信号的采集可以更好地分析物质本身，本文设计了一种基于STM32单片机的多路气敏电信号的采集、测量系统，系统采用STM32单片机为系统控制核心。本文从系统需求出发，分析了气敏信号采集的工作原理，设计了相关软硬件程序。测试结果表明，本系统可以较好地采集茶叶等目标的气敏信号，具有较强的应用价值。

近年来，随着数据分析、人工智能的飞速发展，农产品溯源、产品检测有了新的方法。遵义是全国重要的茶叶产区，茶产业是贵州十二大农业支柱产业之一。影响茶叶的质量的色香味均可以通过电子信息技术进行检测，并促进加工工艺的优化。目前进行数据采集的电路设计系统有FPGA完成的，有嵌入式系统完成的，更多的是采用单片机完成的。由于单片机设计电路简单经济，在许多便携式以及一些对电路保密性不高的产品中有着大量的应用。在此，本系统开发了一种在线检测茶叶气味或者说茶香的信号采集系统。

1 系统方案设计

如图1所示基于单片机的多路气敏信号采集系统的硬件结构图，该系统的控制核心是STM32单片机，型号为STM32F103X。由于STM32单片机自带ADC，简单方便，易于控制。传感器阵列主要采用日本费加罗和郑州炜盛的气敏传感器构成，采用电压检测方式。为了方便给传感器供电，十六路传感器阵列还包含有稳压电源及保护电路。整个数据采集系统可以同时采集十六路传感器信号，为了数据采集方便，系统采用USB接口实现。当传感器检测数据值出现异常时，会发出警报。

图1 多路数据采集系统的硬件结构框图

2 系统软硬件设计

2.1 气敏传感器阵列

气敏传感器阵列是由一些气敏传感器及其附加电路组成，总共有16个传感器排列而成。气敏传感器放在气室上方，下方放置茶叶等目标检测物，气室采用3D打印机打印而成。考虑到检测的稳定性和经济学，气敏传感器采用目前市场上最为广泛的金属氧化物气敏传感器。金属氧化物气敏传感器是目前电子鼻系统应用较为广泛的一种导电型传感器，其结构主要由电极、加热器、感应膜，三部分组成。感应膜采用半导体金属氧化物薄膜，金属氧化物在正常情况下是不导电的，但在气体作用下电阻值发生改变，从而可以测量各类气体的浓度，输出形式可以是电流，也可以是电压。金属氧化物半导体气敏传感器具有灵敏度高、响应快、稳定性好、使用简单的特点，应用极其广泛。表1为筛选的气敏传感器类型。

表1 初选气敏传感器类型及其敏感气体

2.2 程序设计

本设计系统的下位机主程序框图如图2所示。下位机的作用基本是作为一个采集模块存在，配合上位机一起工作。上位机系统则是采用Visual C++6.0语言开发而成，具有较好的交互界面，可以随时测量和采集目标检测物的参数数据，并可以以excel和txt文件格式保存，方便对数据进一步处理开发。

图2 多路数据采集系统的硬件结构框图

中断程序是其中比较重要的软件部分，包括系统中断程序，串口数据收发中断程序和数据采集中断程序等，数据采集的程序部分参考了许江河的设计。在上电后，首先进行初始化，然后配置相关的寄存器，在根据中断程序调用子程序模块完成数据的采集。

2.3 设计过程和注意事项

本信号采集系统的设计过程将包括传感器阵列的设计，单片机设计和电脑采集数据三部分。首先明确目标，熟悉气敏传感器的引脚分布和典型的应用案例，选好单片机，即选择STM32，根据应用需求画出电路的连接草图，通过Altium Designer Winter 09画好PCB版，有深圳的一家电路板的制作工厂（嘉立创）制成PCB电路板。将元器件焊接好以后，对气敏传感器进行测试，对漂移进行校正，最后对系统的软硬件进行联合测试。

本设计中需要注意的地方有：在PCB电路板布局布线时，需要考虑元器件的布局对信号干扰的影响，既要考虑传感器布局的美观，还要考虑接线的方便，更要考虑布局对信号采集精度的影响，如电源部分位于电路板右上方等。为减少噪声，在电源部分多考虑电容滤波。在减少器件间引入的噪声干扰，采用集成电路器件。

本系统采用的经济实惠的STM32系列单片机，构建了一个鲁棒多路气敏信号采集系统，成本低廉。本系统采用成熟的单片机技术完成多路信号的采集与测量，为配合模式识别茶叶检测系统，本设计的存储设备采用计算机，既可以采用笔记本电脑也可以采用台式机完成。