颜色识别技术在甲醛快速测定中的应用研究

来源:用户上传      作者:马明歌 许贵淳 纪丹 朱鹏 杜琳琳

　　摘   要：随着物质水平的提高，人们对居家生活的安全性和舒适度也日益关切。对于室内空气中甲醛浓度的测定较为复杂，即便是操作简便的检测盒也需要人眼比对标准比色卡的颜色来粗略确定浓度，智能化方面有所欠缺。本研究基于酚试剂法测定甲醛含量的原理，利用NFC芯片技术来实现手机用户端监控室内甲醛的浓度功能，实现快速的信息采集和数据交换。
　　关键词：颜色识别  空气净化  甲醛测定
　　中图分类号：TQ326                                文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）05（c）-0109-03
　　最近几年来移动互联网发展的速度飞快，极大地推动了近距离无线技术的发展，例如：蓝牙技术（Bluetooth）、无线局域网技术（Wi-Fi）、射频识别技术（RFID）、近场通信技术等。本研究基于酚试剂法测甲醛的原理，利用NFC芯片技术来实现手机用户端监控室内甲醛的浓度功能，在近距离内实现对室内仪器兼容设备的信息采集和数据交换，为快速检测家居环境甲醛浓度提供科学的参考依据。
　　1  颜色识别系统的构建
　　单片机作为一种集成电路芯片是颜色识别系统的核心技术。2000年单片机还只停留在4位、8位，到2018年为止单片机已经进步到300M[1]。其实单片机的原理是应用超大规模的集成电路技术把具有数据分析和处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一个小而完善的微型计算机系统也就是硅片上，从而在很多控制领域里被广泛的应用。
　　本设计中采用的颜色识别系统型号为TCS230，TCS230是由全球公认的顶尖光传感技术创新厂商TAOS公司研发的一种转换器。此型号转换器创新在能够编程彩色光到频率，该创新公司将电流频率转换器与可配置的硅光电二极管整合在一个单一的能实现逻辑功能的集成电路上[2]，是行业里首次实现有数字兼容接口、单一芯片和三种红绿蓝滤光器为一体的彩色传感器[3]。TCS230系统可以控制输入标准的最大网段数量或者是用半导体制程的芯片，让他们传送出的我们需要的数字量信息，进而帮助其他电路与中央处理器进行连接通信。TCS230颜色识别系统由于这种不用A/D转换电的特性，它的内部电路布局比其他颜色识别系统更加简化，但是得到的数字结果精度和准度非常高[4]。
　　TCS230是有64个光电二极管的单一芯片，这64个管分四种不同型号和特性[5]。其中四分之一是红色滤波器二极管;1/4是绿色滤波器的光電二极管;剩下的一半数量的光电二极管分别是蓝色滤波器不带有任何滤波器的二极管，所有的光信息都能被这种不带任何颜色溜滤波器的滤过[6]。开发者为了能提高颜色是别的精度和准度，这种型号的颜色识别系统内置的光电二极管互相交错分布，将分布不均匀的入射光误差降到最小，从而增加颜色识别的精确度;另一方面，相同颜色的16个光电二极管是并联连接的，均匀分布在二极管阵列中，可以消除颜色的位置误差[7]。工作时，通过两个可编程的引脚来动态选择所需要的滤波器。该传感器的典型输出频率范围从2Hz～500 kHz，用户还可以通过两个可编程引脚来选择100%、20%或2%的输出比例因子，或电源关断模式[8]。输出比例因子使传感器的输出能够适应不同的测量范围，提高了它的适应能力。比如说如果使用低频速度的频率计数器时，我们为了让TCS230的输出频率和计数器相匹配可以选择小的定标值[9]。如果有入射光投射在TCS230上时，我们可以选择不同的滤波器调节光电二极管将引脚进行多种组合[10];经过电流到频率转换器后输出不同频率的方波（占空比是50%）[11]，不同的颜色和光强对应不同频率的方波;为了适应不同的需要我们还可以通过不同的输出比例因子输出定位光标来调整输出的频率进而控制这两种引脚[12]。
　　2  颜色识别系统的应用
　　2.1 电源模块芯片的选择
　　电源模块主要完成降压功能，本次设计里我们为了进行整体供电选择了220V的交流电，这个系统可以将220V交流电转换成20V直流电源;使用LM2596芯片将电压转换成5V电压。电压调节器可以分为多种形式，分别为线性电压调节器和开关电压调节器等，其中稳定性较好的是线性电压调节器但是它的加热性能不是很好，达不到本设计的要求。与之相比LM2596系列得电压调节器就比较满足要求，它是降压型电源管理单片集成电路，有很好的线性和负载性，输出驱动电流为3A。LM2596同样还有其他的优点在特定的输入电压和输出负载时，电压输出的误差可以在±4%的范围内，可以用80μA的待机电流就实现外部的断电，在危机的情况下可以很好的保护自身电路，使电路的安全性有了进一步的提高。
　　2.2 LM2596芯片的选择
　　LM2596芯片是由一家美国的半导体公司生产的一种降压开关型集成稳压芯片[12]，能够完成3A电流的输出。它具有完善的自我保护电路，能够在危险的情况下关断电路。它还含有150KHZ的固定频率振荡器以及1.23V的基准稳压器。系统采用220V交流电进行整体供电，使用开关电源将220V交流电转换成20V直流电源;使用LM2596芯片将电压转换成5V电压。整个过程可以理解为AC（交流220V）转DC（直流20V），DC（直流20V）转DC（直流5V）。LM2596芯片具有很好的线性和负载调节特征，它主导的开关电压调节器是降压型电源控制单片机集成电路。因为该时期只需要4个外接元件，可以使用通用的标准电感，使LM2596有了更加突出的特点，极大地简化开关电源电路的设计。LM2596芯片特点：（1）LM2596最大输出电流为3A。（2）LM2596最高输出电压为37V，同时还有三种输出电压分别为3.3V、5V、12V。（3）LM2596的震荡频率可以达到150KHZ。（4）LM2596的转换效率范围是69%～90%。（5）LM2596的工作温度范围是-40℃～+125℃。（6）LM2596分为低功耗和正常功耗。同用还可以实现外部控制。（7）LM2596的工作模式控制为TTL电平相容模式。（8）LM2596所需外部组件仅有四个（不可调）和六个（可调）两种。（9）LM2596的器件保护方式分为热关断和电流限制两种。 　　2.3 NFC模块的设计
　　安装NFC模块，实现和手机的通信，我们采用网购评价较好的NFC216芯片做为此次甲醛检测装置的传输技术，它是一种高频无源电子标签的优势有：可用于各种带NFC功能的电脑，手机pad PSP等智能终端配对;宽波特率范围4800-1382400，并且模块兼容5V/3.3V单片机系统;当主从模式两个NFC模块配对成功后，可以简单的取代以前的串口通讯的应用，可以改为无线NFC。反复读写次数高达10万次左右，工作温度在-30℃～+50℃。采用易语言为编写环境，将中文的语言表达方式作为此设计得程序编写代码，这种APP编写环境，简单易懂，便于操作。
　　2.4 AD模块的设计
　　A/D转换也被称作“模拟数字转换器”，它的简称是“模数转换器”。A/D转换重要功能是可以将模拟量或者是连续变化的量进行量化最终转换为数字量的电路。随着集成技术的发展，市场上销售的A/D转换器芯片种类繁多，其精度、速度与价格方面千差万别。从其组成结构分，有计数比较型（速度慢、价格便宜），逐次逼近型（分辨率、速度、价格适中），双积分型（分辨率高，抗干扰能力强，价格便宜，但是速度慢）。在数字信息化的今天，人们为了提高系统的性能指标，通常将数字计算机技术加入到信息处理中。由于计算机等都只能识别数字信号，而我们需要处理的数据都是模拟变量，这就需要一个桥梁对两者进行转换，是计算机能够识别需要处理的数据，同样处理好的数据也可以被使用者所分辨。这就是A/D转换器所扮演的角色。它是一个桥梁，连接着数字与模拟的世界，看似微小却必须存在。在本设计中通过运放所采集的颜色信息发送给AD，经过AD转换后数据将会在液晶显示屏上出现，数字使操作者清楚的明白此时的室内甲醛浓度情况，并能做出判断，能够对室内环境的质量监控的下一步工作做出合理的安排。AD转换为整个设计提供了一个更清晰明了的平台。
　　2.5 显示模块的应用
　　显示模块的主要作用是将采集到的实时温度通过数字的形式更加立体地展现到大家的眼前。将采集到的温度通过模数转换显示在液晶显示屏的上面。使操作者能够清楚知道此时的温度，给操作者一个明确的指示。液晶屏在单片机上的应用非常广泛，价格合理又能够准确表达现有的数据。此模块采用LCD1602液晶屏作为本设计的显示液晶屏。一个LCD1602相当于32个LED数码管，因为它可以显示两行，每行显示16个字符。但是与数码管相比它能够变现出更大的信息量，本设计采用LCD1602为显示屏。
　　3  结语
　　作为一种最新兴起检测技术，颜色识别系统是在自动控制系统提出的基础上出现的，颜色识别系统是自动控制理论最简单的应用，也因此得到了非常有前景且有利的发展。本设计中实现了NFC技术将家用检测装置与智能终端进行连接，提高了人们对室内甲醛污染的防范意识，让人们在使用手机的同时及时掌握室内空气的污染程度，即不耗费时间又简单方便。这种创新为无线设备及手机智能终端技术监测室内环境质量提供了可以参考的依据。
　　参考文献
　　[1] 安英奇.单片机的应用于发展趋势[J].时代教育， 2014（2）：96.
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　　[4] 伊力哈木江·哈力木拉提，牛晓良，孙涛，等.简易LED光电特性测试装置设计[J].电子世界，2013（5）：31-33.
　　[5] 李静，梁鹏超.基于TCS230传感器的颜色识别系统设计[J].计算机与数字工程，2017，45（5）：984-987.
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　　[10]林金阳，王明福.基于MC51单片机的直流电机PWM调速系统[J].长春工程学院学报，2009（3）：32-35.
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