面向茶香信息的多路信號采集系統

遵義師范學院物理電子與科學學院 周朝穩 鐘福如 熊 建 何春木

對氣體信號的采集可以更好地分析物質本身，本文設計了一種基于STM32單片機的多路氣敏電信號的采集、測量系統，系統采用STM32單片機為系統控制核心。本文從系統需求出發，分析了氣敏信號采集的工作原理，設計了相關軟硬件程序。測試結果表明，本系統可以較好地采集茶葉等目標的氣敏信號，具有較強的應用價值。

近年來，隨著數據分析、人工智能的飛速發展，農產品溯源、產品檢測有了新的方法。遵義是全國重要的茶葉產區，茶產業是貴州十二大農業支柱產業之一。影響茶葉的質量的色香味均可以通過電子信息技術進行檢測，并促進加工工藝的優化。目前進行數據采集的電路設計系統有FPGA完成的，有嵌入式系統完成的，更多的是采用單片機完成的。由于單片機設計電路簡單經濟，在許多便攜式以及一些對電路保密性不高的產品中有著大量的應用。在此，本系統開發了一種在線檢測茶葉氣味或者說茶香的信號采集系統。

1 系統方案設計

如圖1所示基于單片機的多路氣敏信號采集系統的硬件結構圖，該系統的控制核心是STM32單片機，型號為STM32F103X。由于STM32單片機自帶ADC，簡單方便，易于控制。傳感器陣列主要采用日本費加羅和鄭州煒盛的氣敏傳感器構成，采用電壓檢測方式。為了方便給傳感器供電，十六路傳感器陣列還包含有穩壓電源及保護電路。整個數據采集系統可以同時采集十六路傳感器信號，為了數據采集方便，系統采用USB接口實現。當傳感器檢測數據值出現異常時，會發出警報。

圖1 多路數據采集系統的硬件結構框圖

2 系統軟硬件設計

2.1 氣敏傳感器陣列

氣敏傳感器陣列是由一些氣敏傳感器及其附加電路組成，總共有16個傳感器排列而成。氣敏傳感器放在氣室上方，下方放置茶葉等目標檢測物，氣室采用3D打印機打印而成。考慮到檢測的穩定性和經濟學，氣敏傳感器采用目前市場上最為廣泛的金屬氧化物氣敏傳感器。金屬氧化物氣敏傳感器是目前電子鼻系統應用較為廣泛的一種導電型傳感器，其結構主要由電極、加熱器、感應膜，三部分組成。感應膜采用半導體金屬氧化物薄膜，金屬氧化物在正常情況下是不導電的，但在氣體作用下電阻值發生改變，從而可以測量各類氣體的濃度，輸出形式可以是電流，也可以是電壓。金屬氧化物半導體氣敏傳感器具有靈敏度高、響應快、穩定性好、使用簡單的特點，應用極其廣泛。表1為篩選的氣敏傳感器類型。

表1 初選氣敏傳感器類型及其敏感氣體

2.2 程序設計

本設計系統的下位機主程序框圖如圖2所示。下位機的作用基本是作為一個采集模塊存在，配合上位機一起工作。上位機系統則是采用Visual C++6.0語言開發而成，具有較好的交互界面，可以隨時測量和采集目標檢測物的參數數據，并可以以excel和txt文件格式保存，方便對數據進一步處理開發。

圖2 多路數據采集系統的硬件結構框圖

中斷程序是其中比較重要的軟件部分，包括系統中斷程序，串口數據收發中斷程序和數據采集中斷程序等，數據采集的程序部分參考了許江河的設計。在上電后，首先進行初始化，然后配置相關的寄存器，在根據中斷程序調用子程序模塊完成數據的采集。

2.3 設計過程和注意事項

本信號采集系統的設計過程將包括傳感器陣列的設計，單片機設計和電腦采集數據三部分。首先明確目標，熟悉氣敏傳感器的引腳分布和典型的應用案例，選好單片機，即選擇STM32，根據應用需求畫出電路的連接草圖，通過Altium Designer Winter 09畫好PCB版，有深圳的一家電路板的制作工廠（嘉立創）制成PCB電路板。將元器件焊接好以后，對氣敏傳感器進行測試，對漂移進行校正，最后對系統的軟硬件進行聯合測試。

本設計中需要注意的地方有：在PCB電路板布局布線時，需要考慮元器件的布局對信號干擾的影響，既要考慮傳感器布局的美觀，還要考慮接線的方便，更要考慮布局對信號采集精度的影響，如電源部分位于電路板右上方等。為減少噪聲，在電源部分多考慮電容濾波。在減少器件間引入的噪聲干擾，采用集成電路器件。

本系統采用的經濟實惠的STM32系列單片機，構建了一個魯棒多路氣敏信號采集系統，成本低廉。本系統采用成熟的單片機技術完成多路信號的采集與測量，為配合模式識別茶葉檢測系統，本設計的存儲設備采用計算機，既可以采用筆記本電腦也可以采用臺式機完成。