电子鼻空气质量检测系统研究优秀毕业论文.pdf

重庆大学 硕士学位论文 电子鼻空气质量检测系统研究 姓名 马剑伟 申请学位级别 硕士 专业 信号与信息处理 指导教师 田逢春 2010 04 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 i 摘 要 如今 室内空气质量问题已成为人们普遍关注的热点 室内空气污染物主要包括甲 醛 苯系物 总挥发性有机物 氮氧化物等 室内空气质量改善的前提是对室内空气污 染物的检测 基于电子鼻的空气质量检测系统具有实时性 便捷 高效等优点 电子鼻又称人工嗅觉系统 主要由气体传感器阵列 信号预处理单元 模式识别算 法三个部分构成 本论文以电子鼻有害气体检测为应用背景 主要研究了电子鼻系统的 硬件设计 传感器阵列的选型和优化以及识别能力 电子鼻空气质量检测系统的硬件设计 根据实时性 稳定性和便携性的要求 重点 讨论了系统的控制模块 信号调理模块 数据采样和 a d 模块 显示和声光报警模块的 电路设计和驱动程序设计 传感器选型和阵列优化 针对室内主要污染气体 根据金属氧化物传感器的交叉敏 感特性和选择性 确定了金属氧化物传感器为 tgs2201 tgs2602 tgs620 gsbt11 氧气含量也是衡量室内空气质量的一个重要指标 选择了氧气传感器对氧气浓度进行检 测 根据实际需要还选择了温度 湿度 压力传感器 传感器阵列优化的目的是去除冗 余和相关 提高系统的识别能力 在分析常见气体传感器阵列优化方法的基础上 提出 了基于遗传算法的阵列优化方法 通过设定重要性系数 实现了阵列的去冗余和相关 达到阵列优化的目的 建立了定性和定量分析的识别算法 主成分分析是一种成功的数据降维和压缩方法 可以用作阵列信号的降维 概率神经网络分类器在各类别先验概率相等的条件下等价于 基于核函数的 bayes 分类器 可以实现在分类误差最小意义上的最优分类 文中首先对 阵列信号进行降维 然后再送入概率神经网络识别 对甲醛 一氧化碳和二氧化氮三种 气体的定性分析表明 概率神经网络分类器可以实现正确的分类 本文进一步讨论了有 害气体的定量识别 使用径向基神经网络进行识别 通过对甲醛 一氧化碳和二氧化氮气 体的识别结果表明 该算法能够获得较高的识别精度 关键词关键词 电子鼻 气体检测 主成分分析 概率神经网络 径向基神经网络 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 ii abstract nowadays indoor air quality problem has already become the focus of people s attention indoor air pollutants include formaldehyde benzene volatile organic compounds nitrogen oxides etc indoor air quality s improvement is the premise of testing indoor air pollutants based on the air quality of testing system of electronic nose with real time convenient and efficient etc e nose also called artificial olfactory system is mainly composed of a gas sensor array a signal preprocessing unit and a pattern recognition algorithm applying e nose s detection of hazardous gas this paper investigates the hardware design of e nose system selection and optimization of sensor arrays and differentiating capability hardware s design of e nose system for air detection according to real time performance stability and portability it focuses on the system s control module signal conditioning module sampling and a d conversion module display module circuit design and drive programming selection and optimization of sensor arrays according to metal oxide sensor cross sensitivity and selectivity characteristics tgs2201 tgs2602 tgs2620 and gsbt11 are selected as metal oxide sensors for indoor air pollution and oxygen sensor is also used to detect concentration of oxygen content because it is also an important indicator of indoor air quality to meet actual needs temperature sensor humidity sensor and pressure sensor are chosen too the optimization of the sensor array is to eliminate redundancy and correlation and enhance the differentiating capability of the system based on the analysis of the common optimization method of the gas sensor array a sensor array optimization method is proposed based on adaptive genetic algorithm which realizes the elimination of redundancy and correlation and achieves the optimization of sensor array by setting the significant coefficients of the sensors established recognition algorithms based on qualitative analysis and quantitative analysis principal component analysis is a successful data compression method which can be used to reduce the dimensionality of array signals probabilistic neural network classifier under certain condition that the a priori probabilities of all classes are equal is equivalent to the bayes classifier based on the kernel function and can achieve minimum error in 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 iii classification on optimal classifier in the paper the dimension of the array signal is reduced firstly and then sent into the probabilistic neural network the results from quantitative analysis show that the probabilistic neural network classifier can achieve the accurate classification of the formaldehyde carbon monoxide and nitrogen dioxide furthermore it discusses the quantitative analysis of harmful gases using radial basis function neural network to identify and the identification of formaldehyde carbon monoxide and nitrogen oxides shows that this algorithm can obtain higher accuracy keywords electronic nose gas detection principal component analysis probabilistic neural network radial basis function neural networks 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 绪论 1 1 引言 1 1 1 室内空气质量的研究背景 室内环境一般泛指人们的生活居室 劳动与工作场所以及其他活动的公共场所 等 1 人的一生大约有 80 90 的时间是在室内度过的 在室内很多污染物的含 量比室外更高 因此 室内空气质量 indoor air quality iaq 的好坏对人们的身体 健康和对生活的影响明显高于室外环境 2 如今 室内空气质量已成为全球关注的 热点 改善室内空气质量的前提是对室内空气污染物的检测 主要包括甲醛 苯 系物 总挥发性有机物 氡气 石材放射 氨的检测等 室内空气质量问题是在上世纪 70 年代末期出现的 最初 人们把室内空气质 量几乎等价为污染物浓度的指标 主要针对厨房燃料 香烟烟雾 油烟以及室内 人们呼出的二氧化碳 co2 携带的微尘 微生物 细菌等 随着经济飞速发展和 社会进步 人们越来越崇尚居室环境的舒适化 高档化和智能化 由此带动了装 修装饰热和室内设施现代化的兴起 良莠不齐的建筑材料 装饰材料及现代化的 家电设备进驻室内 使得室内污染物成分更加复杂多样了 有些室内甲醛 苯系 物 氨气 臭氧等污染物浓度远远高于国家标准 近来 因室内建筑和装饰材料 质量不合格导致室内空气污染的报道不断增多 有专家认为继 煤烟型污染 和 光 化学烟雾型污染 后 现代人正进入 室内空气污染 为标志的第三污染时期 3 室内空气污染物的成分相当复杂 有成千上百种污染物同时作用于人体 4 可 将室内空气污染物分为有害气体和颗粒物两大类 己检测出的有害气体就有 300 多种 室内空气污染物的详细分类见表 1 1 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 2 表 1 1 室内污染物种类 table 1 1 kinds of indoor contaminants 污染物种类 典型污染物 燃烧产物 一氧化碳 氮氧化物 二氧化碳 多环芳烃 烟草烟雾组合 挥发性有机物污染 杀虫 杀菌 灭鼠剂组分 乙醇 二丁醇 甲醇 1 十二烷醇 2 乙醇 1 己醇 1 己醇 异丙醇 苯酚 脂肪类 环己胺 葵烷 十二烷 2 4 甲基己烷 1 3 二甲基环戊烷 二十烷 庚烷 己烷 壬烷 辛烷 戊烷 芳香烃 苯 二己基苯 已烷苯 甲苯己烷苯 蔡 4 苯基环己烷 苯 乙烯 甲苯 二甲苯 醋 乙烷基醛酸盐 1 己基丁酷 卤代烃 氯仿 二氯苯 四氯乙烯 1 1 1 三氯乙烷 三氯乙烯 三 氯甲烷 可吸入颗粒物 可吸入颗粒物石棉 玻璃纤维 磨损产生的粉尘 无机尘粒 金属尘 粒 砷 铜 铿 汞 有机尘粒 纸张 粉尘 花粉 生物和生物气溶胶 真菌 细菌 原生动物 病毒 微生物颗粒 呼吸产物 水蒸气 二氧化碳 放射性物质 氛 氛的衰变产物 气味 以上诸种物质单独或组合产生的气味 1 1 2 污染物检测方法 鉴于污染物对人体的极大危害 研究快速 准确可靠 简便易行的检测室内痕 量污染物的方法就越发显得重要和紧迫 目前国内外提出的检测方法有很多 主 要包括比色法 极谱法 色谱法 光谱法 荧光法 传感器法等 比色法 比色法因为其设备简单 投资少 测量准确而得到广泛的应用 主要包括酚试 剂比色法 乙酞丙酮比色法 变色酸比色法 副品红比色法 4 氨基 3 联氨 5 疏 基 1 2 4 三氮杂茂 ahmt 比色法等 极谱法 极谱电极法是一个比较完善的控制电极电位的电解过程 极谱定量分析的依据 是极限扩散电流与被测离子的浓度成正比 5 黎源倩 6 7 等人研究了甲醛在醋酸 醋酸钱 乙酞丙酮底液中的极谱行为和电极反应机理 并用该方法分析了室内空 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 3 气中的痕量甲醛 色谱法 利用甲醛吸附剂对甲醛进行采样 经分析柱热解吸附 再用质谱仪测定 8 该 方法对甲醛很敏感 光谱法 近年来光谱学测量技术在大气甲醛的测量中发展迅速 主要是由于它们的探测 灵敏度高 一般可达到 ppb ppt 级 由于分子光谱的 指纹 特征 选择性较强 常 用的光谱学测量技术有差分光学吸收光谱 傅里叶变换光谱和可调谐半导体激光 吸收光谱等 传感器法 1 电化学传感器法 目前 在我国市场上销售的几种甲醛分析仪大多数采用电化学原理研制 英国 ppm400 手持式甲醛分析仪采用先进的电化学传感器技术来确定大气中甲醛的浓 度 美国 interscan4160 甲醛测定仪的原理是气体分子被吸附在电催化传感电极上 通过一个扩散介质后 在适宜的传感电极电位上产生电化学反应 产生的电流同 气体浓度成比例 电流可转换成测试电压或直接读出 2 半导体传感器法 2001年美国盐湖城utah大学的dirksen 9 等人首次报道了用nio薄膜研制的半 导体甲醛传感器 xu 10 等人用掺有金的混合氧化物 zn0 znsn03 作为敏感材料研制 出了有选择性的甲醛传感器 从以上介绍的检测甲醛的方法可以看出 每种方法都有其各自的特点 比色 法虽然经典 简单 成本低 但灵敏度不高 选择性不好 采样时间长 不能对 待测气体浓度的快速波动迅速作出反应 hplc gc 荧光法 极谱法通常需要有 毒的试剂 测试过程中易受到干扰 同时仪器使用所需要准备的时间长而不适于 实时测试 而且对操作人员要求较高 光谱学测量技术允许在现场检测 但常需 要很长的通路长度以达到高的灵敏度 通常仪器巨大 价格昂贵 电化学传感器 检测仪灵敏度高 携带方便 适于现场测试 但相对于家庭消费者 其价格较高 不可能在每个家庭大量推广 所以 目前研究具有灵敏度高 操作简便 携带方 便 成本低 检测准确可靠 能在现场实时 持续测试的室内痕量级污染物的检 测已变得非常迫切 1 2 电子鼻技术概述 嗅觉是生物嗅觉系统对气体或挥发性物质分子产生的一种生理反应 嗅细胞感 受气味分子刺激而产生的微弱信号经嗅神经传递至嗅小球 僧帽细胞 粒状细胞 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 4 层 最后传送至大脑中枢 人的嗅觉对气味的感知过程如图 1 1 所示 图 1 1 嗅觉对气味的感知 fig 1 1 sensing of odor gas 生物嗅觉系统是人工嗅觉系统的生物学基础 模仿人和哺乳动物的嗅觉系统 人工嗅觉系统 电子鼻 常由传感器阵列 信号预处理和模式识别算法等构成 从功能上讲 气体传感器阵列相当于人的嗅觉系统中的嗅觉感受细胞 数据处理 器和智能解释器相当于人的大脑 其余部分相当于嗅觉神经信号传递系统 11 1994 年 学术界给电子鼻下了如下的定义 电子鼻是一个由具有部分专一性 的传感器阵列 结合相应的模式识别算法构成的系统 用于识别单一成分或复杂 成分的气体或气味 an electronic nose is an instrument which comprises an array of electronic chemical sensors with partial specificity and an appropriate recognition system capable of recognizing simple or complex odors 由上述定义可见 人工嗅觉系统至少应包含以下部分 气体传感器阵列 信号 预处理单元 模式识别算法 1 传感器阵列 人工嗅觉系统中使用的气体传感器的主要类型 特点如表 1 2 所示 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 5 表 1 2 常用的气体传感器 table 1 2 common gas sensors 类型 特点 生产厂家 金属氧化物半导体型 metal oxide semiconductor mos 工作温度较高 长时间工作 响应基准 值易发生漂移 对气体混合物中出现的 硫化物呈 中毒 反应 但制造简单 价 格低廉 日本费加罗公司 东北传感 技术研究所 英国城市技术 公司等 电化学型 electrochemical sensor ec 高灵敏度 气体选择性出色 在低浓度 的范围内输出呈直线性 通常配以变送 器 英国城市技术公司 瑞士 membrapor 公司 德国 it 公司等 导电聚合物型 conducting polymer cp 常温工作 无需加热 响应存在时漂 对湿度极为敏感 易掩盖和干扰对气体 的正常响应 美国 cyrano sciences 公司 英国利兹大学等 质量型气体传感器 温漂小 恢复时间短 体积小 功耗低 振荡频率的变化是气体浓度的线性函 数 需频率检出器 活性薄膜的老化会 使共振频率漂移 瑞典 q sense 公司 英国 tfs 公司 美国 maxtek 公司等 光学型 有很强的抗噪能力和极高的灵敏度 但 是相关的控制设备比较复杂 成本较高 美国 e2v 公司 美国德康公 司 英国城市技术公司等 光离子化传感器 photo ionization detector pid 响应速度快 检测种类多 灵敏度高 无中毒问题 安全可靠 价格较高 美国 rae 公司 美国德康 公司和英国离子公司等 在构建传感器阵列时 性能的优化是必要的 12 13 将特征选择技术用于传感器 阵列的优化 可以去除冗余和相关 提高预测精度 多变量技术和基因算法 14 也 可用于阵列性能优化 文献 15 以阵列灵敏度和选择性为依据 讨论了阵列优化技 术 2 信号的拾取与预处理 信号的拾取为保证测量信号的准确性和可重复性 需要精心设计气体测试单 元 采用合适的采样方式和测量电路 对浓度低于传感器检测限的样本 必要时 还可以采用预浓缩方式以富集样本中的待测物 电子鼻信号预处理的主要目的是对传感器漂移补偿 16 28 从响应曲线中抽取描 述参数形成特征向量 29 31 信号预处理对模式识别系统各部分特性影响很大 32 可分为基线处理 压缩 归一化 降维 特征提取 特征选择等方法 特征提取是寻找一个能够最大限度的反应原响应的信息低维的映射 33 有两 种标准可以判别映射的信息量 34 36 信号分类能力和信号重现能力 特征提取的 方法主要有主成分分析 37 和线性判别分析 另外也可采用变换域的方式来实现特 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 6 征抽取 如小波变换与傅立叶变换 38 特征选择的目的是从 m 个传感器或原始特征中选择一个最优的特征子集以达 到最大的信息含量和最高的预测精度 具体方法分为指数法 顺序法 随机法 其中模拟退火与遗传算法使用较多 特征子集性能评价策略分 filters 法和 wrappers 法 前者比较特征子集的信息含量 后者比较特征子集的预测精度 具体评价函 数常用距离测度 信息测度 相关性测度 一致性测度 分类错误率测度 39 40 3 模式识别算法 电子鼻系统模式识别算法的设计要综合考虑多元数据处理中的各种因素 41 42 信号预处理 特征抽取 特征选择 分类 回归 聚类 以及来自于统计模式识 别 神经网络 化学计量学 机器学习 生物控制学的大量方法用于处理人工嗅 觉系统中的数据 模式识别算法在气体传感器阵列的测量中有着举足轻重的地位 目前应用最为 广泛的气体传感器阵列模式识别算法包括 聚类分析 cluster analysis ca k 近邻 法 k nearest neighbour k nn 判别分析 discriminant analysis da 主成分 分析法 principal component analysis pca 反向传播人工神经网络 back propagation artificial neural networks bp ann 自组织映射 self organizing map som 概率神经网 probabilistic neural network pnn 支持向量机 support vector machine svm 以及遗传算法 genetic algorithm ga 等 前 4 种属于线性 分类方法 是建立在统计理论上的 后 4 种是基于神经网络基础上的 优秀的模式识别算法应该具备以下 6 个特征 43 46 1 高精度 2 抗干扰能力 强 3 运算速度快 4 易于训练 5 存储空间小 6 能对不确定性进行估计 虽 然目前还没有任何一种算法能满足上述所有特征 但这些特征为评价模式识别算 法提供了一个很好的标准 1 3 电子鼻应用现状及前景 电子鼻是在 20 世纪 90 年代发展起来的分析 识别和检测复杂嗅味和挥发性成 份的仪器 gardner 给电子鼻下的定义 47 是 电子鼻是一种由一定选择特性的电化 学传感器阵列和适当的识别装置组成的仪器 能识别简单和复杂的气味 早在 1982 年 英国的两名学者 persuad 和 dodd 用 3 个商品化气体传感器 tgs813 812 711 对戊基醋酸酷 乙醇 乙醚 戊酸 柠檬油等有机挥发气进行了类别分析 开 了电子鼻研究之先河 11 国外对电子鼻的研究相对成熟 1995 年就出现了商品化 的电子鼻设备 以美国 英国 德国为代表的西方国家都已经能够提供电子鼻设 备并形成了一定的市场规模 法国的 alpha mos 公司 fox 系列电子鼻能够用于食 品和化妆品工业 表 1 3 列举出了部分商业化的电子鼻产品 我国对电子鼻的研究 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 7 起步较晚 不过在众多科学家的共同努力下 我国的电子鼻研究也取得了骄人的 成果 浙江大学于勇等人将电子鼻技术成功应用于农产品检测 江苏理工大学殷 勇博士用电子鼻对不同品牌的卷烟和酒类产品 48 进行了识别 还有其他的一些科 学家也在电子鼻研究中取得了一定的进展 表 1 3 部分商用电子鼻信息 table1 3 part of commercial e nose production 产品名称 公司名称 构成及说明 cyranose 320 美国 cyrano science inc 公司 使用 32 个 cp 传感器 a32 英国 osmetech plc 公司 使用 32 个 cp 传感器 nose 英国 neotronics 公司 使用 10 个 cp 传感器 fox 系列 法国 alpha mos 公司 6 个 mos cp 或 qcm 传感器组成 阵列 pen 德国 wma airsense analysentechnic 公 司 使用 10 个 mos 传感器 qmb6 德国 hkr sensor system gmbh 使用 6 个 qcm znose7100 美国 electronic sensortechnology inc 使用 12 个 saw 传感器 e nose5000 eev technologies 包括 cp mos 和 qcm 传感器 moses 德国 lennartz electronic mos 模块或 qcm 模块 bh114 英国 bloodhouse sensors ltd 使用 14cp 传感器 注 mos 为金属氧化物传感器 cp 为导电聚合物传感器 qcm 为石英晶体溶液传感器 saw 为声表面波传感器 随着各相关学科和制造工艺的发展 经过各国研究人员的共同努力 目前 电子鼻的研究主要集中在以下几个方面 1 器件方面的研究 49 50 新型敏感材料 特别是有机材料 复合材料和生物 敏感材料 以及新型传感器结构和工艺的研究 2 模式识别方法的研究 51 52 主要是适合传感器阵列响应信号的特征提取方法 和模式识别方法两方面 3 应用研究 53 主要集中在食品工业 环境保护 医疗卫生等方面 1 4 课题意义及论文结构 1 4 1 论文的意义及主要内容 随着生活水平的提高 人们对居室环境质量有了越来越高的要求 建筑材料 装修装饰材料 家用洗涤剂 漂白剂 清洁剂 油漆 薪合剂 化妆品 杀虫剂 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 8 电器 烟草 地毯等会散发挥发性有机气体 加之室内某些家用电器在制造工艺 中涂敷的一些聚合物本身可能会散发不利于人体的难闻的气味使室内空气质量下 降 室内常见的污染有机物如甲醛 甲苯 丙酮等 其中尤以甲醛的污染最为严 重 我国 60 94 新装修的房间内甲醛浓度超过国家标准 其平均浓度是国家居 室内甲醛卫生标准的 3 10 倍 本课题是基于重庆市重大专项课题基金 基于电子鼻的气体监测研究是一个多 学科的交叉工程 涉及化工技术 生物技术 电子技术 传感器技术 信息技术 以及计算机模式识别技术等广泛的学科领域 电子鼻的研究仍有多个富有挑战的 问题需要解决 因此对该课题的研究具有深远的学术价值和实用价值 本论文研究了基于电子鼻的有害气体检测系统 不同的气体传感器对不同的气 体成分和浓度呈现出不同的敏感性 因此有多个传感器组成的传感器阵列对不同 的气体组分和浓度呈现出不同的响应结果 加之传感器自身响应特性易受到温度 湿度等环境因素的影响 在实际使用中 应充分考虑环境对测试系统的影响 所 以在构建电子鼻系统时 如何利用传感器的交叉敏感响应特性和选择性 以及环 境信息构造适合本系统的气体传感器阵列是论文首先需要解决的一个重要任务 电子鼻系统的信号是基于传感器阵列的高维信号 由于金属氧化物的交叉敏感 响应特性 每个传感器都是对某种特定的气体敏感 但是同时对其他气体也有一 定的响应 所以 每个传感器的输出信号实际上是对多种气体响应的合成 电子 鼻系统正是利用了这种交叉响应特性来识别气体的 如何正确建立电子鼻系统模 式识别的数学模型 合理选择模式识别方法以提高系统识别的精度是本文着重解 决的问题 模式识别算法在电子鼻信号处理中有着举足轻重的地位 正确的选择 应用数 字信号处理方法是识别系统成败的关键 本论文中 我们将考虑使用现代信号处 理中的主成分分析技术 人工神经网络技术 遗传算法技术等一系列方法对信号 进行处理识别 以提本高电子鼻系统的识别精度 1 4 2 论文章节安排 本文的章节安排如下 第一章绪论部分首先介绍了室内空气污染的现状以及常用的检测方法 提出了 基于电子鼻的空气质量检测系统 介绍了电子鼻的基本结构 各模块的组成 简 单介绍了电子鼻国内外的研究现状以及电子鼻研究的意义 第二章介绍了空气质量检测系统的硬件设计 详细介绍了本硬件系统的各个组 成模块设计方法 包括电源保护模块 信号调理模块 采样及模数转换模块 液 晶显示及报警模块 第三章讨论了电子鼻系统信号处理方法 详细介绍了本系统采用了数据预处理 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 9 方法 主成分分析方法 径向基人工神经网络 概率神经网络 第四章建立用于电子鼻识别系统中定性分析和定量识别的数据模型 探讨了气 体测试的实验方法 通过实验数据验证了上述数学模型效果 为了进一步提高系 统的识别精度 探讨了传感器阵列的优化方法 建立了基于遗传算法的阵列优化 方法 通过验证较大的提高了系统的精度 第五章总结与展望 给出了系统已经达到的目标 尚待解决的问题和努力的方 向 重庆大学硕士学位论文 2 空气质量监测系统的硬件设计 10 2 空气质量检测系统的硬件设计 2 1 系统硬件结构及原理 2 1 1 功能结构 基于 stc89c52 的室内空气质量检测系统是以室内空气中有毒有害气体的监 测监控为背景 能够实现对室内温度 湿度等环境信息 以及甲醛 一氧化碳 二氧化氮等有毒有害气体信息实时采集处理 显示 报警等功能 仪器小巧精致 具有良好的便携性和通用性 并且使用 lcd 液晶屏显示菜单 有良好的人机界面 同时设计了声光报警系统 实现在参数超标时及时的报警 空气质量检测系统的硬件部分主要由气体传感器阵列 信号调理电路 数据采 集和转换以及显示模块等组成 气体传感器阵列与待测气体接触 将气味信息转 换为模拟电压或电流信号 经调理电路放大 滤波后送入 a d 芯片进行转换 最 后将数字信号送入 mcu 进行运算处理 处理结果信息通过液晶实时显示或使用串 口将数据送入 pc 机保存 如图 2 1 所示 图 2 1 空气质量检测系统结构 fig 2 1 structure of air quality testing system 重庆大学硕士学位论文 2 空气质量监测系统的硬件设计 11 2 1 2 微控制器 随着计算机技术的发展 单片机因具有集成度高 体积小 速度快 价格低等 特点在许多领域如过程控制 数据采集 机电一体化 智能化仪表 家用电器以 及网络技术等方面得到广泛应用 从而使得这些领域的技术水平 自动化程度大 大提高 正因为如此国内外多家电子生产厂商把目光投向了单片机的生产当中 其中最为著名的当数 intel 公司生产的 mcs 51 系列单片机 单片机型号的选择是根据控制系统的目标 功能 可靠性 性价比 精度和速 度等来决定的 根据上述几方面及本课题的实际情况 单片机型号的选择主要从 以下两点考虑 一是要有较强的抗干扰能力 由于一般室内电子电器产品比较多 这对单片机 的干扰较大 所以应采用抗干扰性能较好的单片机机型 二是要有较高的性价比 由于 mcs 51 系列在我国使用最广且该系列的资料和能够兼容的外围芯片也 比较多 特别是宏晶公司推出的新一代 stc89c51rc rd 系列单片机 其典型产 品 stc89c52 单片机具有较高的性能价格比 因此越来越受到用户的欢迎 因此 本文采用宏晶公司生产 stc89c52 单片机作为本系统控制单元的核心部件 该单 片机在在线系统设计 开发调试及便携式 低功耗应用上与其它单片机相比具有 非常明显的优势 stc89c52 的主要性能有 54 增强型 6 时钟 机器周期 12 时钟 机器周期 8051 cpu 宽电压 5 5 3 4v 工作频率 0 40mhz 相当于普通 8051 单片机 0 80mhz 实际工作频率 可达 48mhz 8k 字节片内 flash 程序存储器 擦写次数 10 万次以上 片上集成 512ram 通用 i o 口 32 36 个 可编程 isp iap 在系统可编程 在应用可编程 无需编程器 仿真器 eeprom 功能 内部看门狗定时器 内部集成 max810 专用复位电路 3 个 16 位定时器 计数器 外部中断 4 路 下降沿中断或低电平触发中断 power down 模式可由外部 中断低电平触发中断方式唤醒 通用异步串口 还可用定时器软件实现多个 uart 重庆大学硕士学位论文 2 空气质量监测系统的硬件设计 12 工作温度范围 0 75 40 85 双数据指针 此外 stc89sc2 与 8051 相比新增加了许多功能 这将使单片机在工作过程 中具备更高的稳定性和电磁抗干扰性 首先 stc89c52 支持 isp 在线编程 这使 生产及维护更为方便 其次 stc89c52 内部增加了片内看门狗定时器 这将有利 于坚固用户应用系统 提高系统可靠性 再次 stc89c52 独有的双数据指针使数 据操作更加快捷方便 最后 stc89c52 运行速度更高 最高晶振可达到 35mhz 正因为 stc89sc2 单片机增加了高可靠性 安全性的功能 所以能避免因外部 芯片扩展过多或传感器输入信号过多引起的信号失真 电磁干扰等现象的发生 因此 用它作为室内空气品质监测控制完全可以满足实时监测 报警等要求 而 且 从经济性的角度来看 stc89c52 不但硬件结构简单 而且价格低 功能强 性价比高 符合我国工业设计制造的要求 2 2 电源管理模块 在单片机系统设计中 首先考虑的是电源管理问题 在信号拾取中 要考虑对 传感器阵列的供电 因为要使多路检测信号能同时满足控制器输入接口的电平要 求 对不同的信号调节电路中的芯片进行供电 如运算放大器可能对电源有特殊 要求 随着变换电路选用一些特殊芯片时 也要求有特殊的供电 因此 应根据 电路配置状况 优先解决电源供给问题 在实际设计中很多设计者喜欢采用线性稳压器件 它使用电压调节和稳压器件 将较高的直流电压直接转变为嵌入式控制系统所需的工作电压 然而 这种稳压 电源的线性调整工作方式在工作中会产生较大的 热损失 其工作效率仅为 30 50 而开关电源调节器件的工作方式是开关管的导通或截至 因此 工作时要么 是大电流流过低导通电压的开关管 要么是完全截止无电流流过 所以 开关稳 压电源的功耗极低 其平均工作效率可达 70 90 开关稳压电源可大大减少 散热片体积和 pcb 板的面积 甚至在大多数情况下不需要加装散片 lm2596 系列是美国国家半导体公司生产的 3a 电流输出降压开关型集成稳 压电路 它内含固定频率振荡器 150khz 和基准稳压器 1 23v 并具有完善 的保护电路 包括电流限制及热关断电路等 利用该器件只需极少的外围器件便 可构成高效稳压电路 提供有 3 3v 5v 12v 及可调 adj 等多个电压档次产 品 55 因此根据实际的需要 本系统采用开关稳压电源 lm2596 进行电源管理 在电 子鼻硬件系统中 主控制器 a d 模块 液晶模块 调理模块以及主要传感器工 作在 5 伏电压下 部分传感器的工作电压为 7 伏 因此分别选择 lm2596 5 和 重庆大学硕士学位论文 2 空气质量监测系统的硬件设计 13 lm2596 adj 产生 5v 和 7 伏的稳定电压 具体电路如图 2 2 和图 2 3 vdd 12v vin 1 on off 5 gnd 3 fb 4 out 2 ic2 lm2596 c1 1 470u c1 2 220u c1 3 180u in1 in5822 l1 1 33uh l1 2 3uh vcc agnd 图 2 2 lm2596 5 电源电路 fig 2 2 power circuit of lm2596 5 vdd 12v in2 ln5822 r 1 1 1k r 1 2 4 7k c 1 4 3 3nf c 1 6 470uf c 1 5 470uf l1 3 68uh out 2 gnd 3 on off 5 vin 1 fb 4 ic 2 1 lm2596a vdd 7v agnd agnd l1 4 3u c 1 7 180u 图 2 3 lm2596 adj 电源电路 fig 2 3 power circuit of lm2596 adj 在开关调节器中 pcb 版面布局图非常重要 开关电流与环线电感密切相关 由这种环线电感所产生的暂态电压往往会引起许多问题 要使这种感应最小 图 中所示的回路周线在 pcb 板上要印制得宽一点 且要尽可能地短 为了取得最好 的效果 外接元器件要尽可能地靠近开关型集成电路 最好用地线屏蔽或单点接 地 最好使用磁屏蔽结构的电感器 如果所用电感是磁芯开放式的 那么 对它 的位置必须格外小心 如果电感通量和敏感的反馈线相交叉 则集成电路的地线 及输出端的电容 cout 的连线可能会引起一些问题 在输出可调的方案中 必须 特别注意反馈电阻及其相关导线的位置 在物理上 一方面电阻要靠近 ic 另一 方面相关的连线要远离电感 如果所用电感是磁芯开放式的 那么 这一点就显 得更加重要 重庆大学硕士学位论文 2 空气质量监测系统的硬件设计 14 2 3 传感器阵列及调理电路 课题采用的传感器阵列中包含了 6 只气体传感器 详细的传感器选型及阵列构 建方法见 4 1 节 本节主要介绍日本费加罗公司生产的 tgs2602 tgs2620 tgs2201 双端 韩国 gsbt11 以及英国 alphasense 公司的 o2 a2 由于金属氧化 物半导体传感器的响应值易受温度 湿度等环境因素的影响 因此在传感器阵列 中还加入了温度传感器 lm35 湿度传感器 hih4000 2 3 1 金属氧化物半导体传感器 日本费加罗公司 tgs 系列和韩国 gsbt11 气体传感器属于 mos 传感器 mos 传感器采用 sn02 薄膜作为敏感材料 在一定的工作温度下 敏感材料的电阻值随 被测环境中吸收气体分子的变化而变化 通常还原性气体使电阻减小 而氧化性 气体使电阻增大 测量电阻变化的输出信号 可得到与气体特性对应的关系 tgs2620 是一种用于探测有机气体的传感器 它有 4 个引脚 其典型内部工作 原理如图 2 4 所示 实际工作电路如图 2 5 56 tgs2620 对有机气体和挥发性气体 有很高的灵敏度 同时 它也对可燃性气体 比如一氧化碳和乙醇等有较高的灵 敏度 可用于酒精测试 有机气体 voc 探测等 tgs2602 是一款探测空气污 染的传感器 其引脚功能和典型电路与 tgs2620 相同 tgs2602 可以探测很低浓 度的氨气 h2s 等工业废气 同时也可以探测低浓度 voc 故而其广泛用于空调 设备 排风设备以及空气控制器和 voc 监控器中 57 韩国的 gsbt11 是一款用以 检测有机气体的传感器 其引脚功能和典型电路同 tgs2602 相同 gsbt11 可以 检测较低浓度的甲醛 苯 甲苯 58 图 2 4 tgs2602 工作原理图 fig 2 4 principle diagram of tgs2602 重庆大学硕士学位论文 2 空气质量监测系统的硬件设计 15 h 4 h 1 o 2 v 3 s6 tgs2602 r1 4 5 1k vcc agnd p5 tgs2602 agndvcc p5 图 2 5 tgs2602 电路图 fig 2 5 circuit of tgs2602 tgs 系列和 gsbt11 气体传感器的特性指标见表 2 1 表 2 1 tgs 系列传感器特性指标 table 2 1 characteristics of tgs series sensors 传感器型号 tgs2602 tgs2620 tgs2201atgs2201b gsbt11 目标气体 氨 气 h2s voc 乙醇 有机 气体 氮氧化物 co h2 vocs hc 测量范围 1 10ppm 50 500ppm 0 1 10ppm10 1000ppm 0 1 1000 ppm 标准电路 条件 加热电压 vh 5 0 0 2v 5 0 0 2v 7 0 0 2v 7 0 0 2v 5 0 0 2v 工作电压 vs 5 0 0 2v 5 0 0 2v 15v 15v 5 0 0 2v 负载 可变 可变 可变 可变 可变 电气特性 加热电阻 rh 59 83 8 65 6 65 6 25 5 0 2 加热电流 130ma 56ma 72ma 72ma 加热电源功 率 280mw 210mw 505mw 505mw 420mw 敏感电阻 10 100k 1 5k 250k 25k 1 7 24k 灵敏度 rs 变化率 0 3 0 5 0 25 0 45 2 5 0 35 2 3 2 氧气传感器 英国的 alphasense 公司研制气体传感器应用广泛 其氧气传感器在煤矿 钢铁 石油化工 医疗等都有大量使用 故课题中选用该公司的 o2 a2 氧气传感器 氧 气传感器输出为电流信号 a d 芯片要求输入为电压信号 再者氧气传感器的输 出较小 需经过放大后才能送入 a d 转换 所以我们选用电压并联负反馈对输入 信号进行放大 转换 实际电路如图 2 6 59 o2 a2 主要特性如下 重庆大学硕士学位论文 2 空气质量监测系统的硬件设计 16 测量范围 0 30 输出 80 120 a 22 20 9 o2 响应时间 t90 秒 10 线性度 ppm 0 6 nc 3 v 2 v 1 s3o2a2 r2 1 390 r2 2 47 r2 6 10k r2 3 5 1k r2 4 390 r2 5 10k c2 1 0 1u c2 3 0 1u c2 2 10u lm385b25 2 5v agnd o2 vcc agnd o2 agnd o2 o2a2 vcc agnd o2 5 6 7 ic1b ad8067 1 84 2 3 ic1a ad8067 图 2 6 氧气传感器调理电路 fig 2 6 conditioning circuit oxygen sensor 2 3 3 温度传感器 lm35 系列温度传感器是一种电压输出型精密集成温度传感器 其输出的电压 与摄氏温度成正比 线性度好 灵敏度高 精度适中 lm35 系列温度传感器生产 时内部电路已经过校准 输出电压与摄氏温度一一对应 使用极为方便 在静止 温度中自热效应低 0 08 工作电压宽 耗电低 工作电流一般小于 60ua 重复 性好 低输出阻抗 在电流为 1ma 时负载为 0 1 线形输出和内部精密校准使其 与读出或控制电路接口简单和方便 60 lm35 系列温度传感器的特性 可在摄氏温度下直接校准 10mv 的线性刻度系数 确保 0 5 的精度 25 额定温度范围为 5 5 至 150 能够适合于远程应用 工作电压范围宽 4v 30v 低功耗 小于 60ua 在静止空气中 自热效应低 小于 0 08 的自热 重庆大学硕士学位论文 2 空气质量监测系统的硬件设计 17 非线性仅为 1 4 低输出阻抗 通过 1ma 电流时仅为 0 1 lm35 的工作及其调理电路如图 2 7 gnd 1 vout 2 vs 3 s1 lm35dz r1 1 390 agndvcc 1 54 2 3ic3a ad8067 r1 2 510 r1 3 1 6k agnd lm35 agnd vcc c1 1 0 1uf c1 2 10uf agnd 图 2 7 lm35 调理电路 fig 2 7 conditioning circuit for lm35 2 3 4 湿度传感器 相对湿度传感器 hih4000 是热固聚酯电容式具有信号处理功能的传感器 线 性放大输出 可直接送入到放大器或其他装置 hih4