基于手机耳机接口通信的Mini甲醛气体检测仪
张志广+林聪+李志刚
摘 要： 甲醛是室内环境污染的重要因素之一，该文提出一种基于手机耳机接口通信的便携式甲醛气体检测仪，设计基于MSP430单片机的传感器检测终端电路，采用FSK编码进行数据的传输和处理，智能手机APP通过耳机接口读入数据并显示甲醛浓度和报警。结果表明，该检测仪相比传统甲醛检测仪具有功耗低、携带方便、与智能手机相结合易于用户使用等优势，并且具有很好的市场前景。
关键词： 甲醛检测仪； MSP430； 耳机接口通信； FSK
中图分类号： TN911?34； TP216+.1 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）08?0145?03
Mini formaldehyde gas detector based on headphone interface communication
ZHANG Zhiguang， LIN Cong， LI Zhigang
（Research Institute of Henan Hanwei Electronics Co.， Ltd.， Zhengzhou 450001， China）
Abstract： The formaldehyde is one of the main factors of the indoor environmental pollution. A portable formaldehyde gas detector based on headphone interface communication is proposed. The sensor′s detecting terminal circuit based on MSP430 was designed. The FSK coding is used for data transmission and processing. The APP installed into the smart phone reads the data through the headphone interface， displays the formaldehyde concentration， and sends an alarm. In comparison with the traditional formaldehyde detectors， the formaldehyde gas detector has the advantages of lower power consumption and more portable carrying， is easy to use with the smart phone， and has perfect market prospect.
Keywords： formaldehyde gas detector； MSP430； headphone interface communication； FSK
甲醛是一种高挥发性、具有较高毒性的物质，室内甲醛主要来源于装修材料，包括各种人造板材、油漆、墙纸等，是潜在危险致癌物和重要的环境污染物。随着生活水平的提高，人们对生活环境质量的关注也越来越高，因而对居住、办公环境中甲醛的随时检测也引起越来越多的关注[1?2]。
随着智能手机应用功能的日益强大和智能化，能够与手机应用配合使用也是终端设备发展的一大趋势，当前基于Android系统的智能手机USB接口虽然日渐统一，但是基于IOS系统的iPhone手机仍旧使用的是自有接口标准，因此基于USB接口通信的外设存在一定的局限性，而4脚3.5 mm耳机接口如今已经是所有智能手机的标准配置，因此一款能够通过耳机接口[3]和智能手机通信的便携式甲醛气体检测终端就有了其存在的必要。基于智能手机耳机接口通信的超便携式甲醛检测仪，仅有半张信用卡大小，与同类产品相比具有电路简单、体积小巧、价格低廉等优势，尤其是用户只需将产品插入手机耳机孔即可进行检测，结合手机APP即可实时显示当前甲醛浓度值，真正实现随时检测、即插即用的便捷，非常适合家庭和中小公司使用。
1 甲醛检测终端电路设计
基于耳机接口的甲醛检测终端主要由电池供电开关电路，耳机接口通信电路，低功耗MSP430单片机电路，甲醛气体传感器等组成。甲醛气体传感器完成甲醛气体浓度采集并输出电信号，经由运放电路后送给单片机内置A/D转换器，完成模/数转换。单片机将转换后的数据经过调制编码通过通信电路输出给手机APP。
考虑到硬件的外观体积和功耗，整个甲醛检测终端采用3 V纽扣电池供电，内置的电路设计具有不插入手机耳机孔时，主控单片机将处于休眠状态，为了能做到检测终端的长时间待机和续航试用，主控芯片采用的是德州仪器生产超低功耗16位微控器MSP430F1232，该单片机工作电流仅在微安级并有丰富的片内资源。片内资源包括1个16位定时器、1个快速12位A/D转换器，自带采样保持、一个通用串行同步异步通信接口和22个I/O端口；片内包含8 KB FLASH和256 B RAM，并具有片内温度传感器，使用该芯片可减少外围电路设计，降低成本，且能有效降低功耗。单片机负责处理所有的硬件接口和软件协议处理，3.5 mm耳机标准接口實现与手机端APP之间的通信[4?5]。
1.1 电池供电开关电路
电池供电电路如图1所示，其中Left端与耳机插头Left端相连，当耳机插头未插入手机时，MOS管处于截止状态，POWER端输出低电平，此时主控制器处于休眠状态，当耳机插头插入手机后，Left接入手机内部耳机电路，Left端电平被拉低，MOS管导通，POWER输出高电平，使单片机进入工作状态。此时单片机开始A/D采集转换，并对数据编码和手机APP通信。
1.2 耳机通信接口电路
通用的四段式3.5 mm耳机插头如图2所示，通信电路与手机耳机口的MIC端相连，本文采用甲醛检测终端到手机端的单向通行方式实现数据的传输，利用手机耳机接口的MIC端向手机发送数据。
为了降低通信过程中的高频噪声，并隔离耳机接口输入信号中的支流分量，设计了一个RC低通滤波和隔直电容组成接口电路，起到保护手机耳机接口的作用，电路如图3所示。
1.3 甲醛传感器信号调理电路
甲醛气体传感器信号调理电路主要由甲醛气体传感器、运放电路以及滤波电容组成。硬件电路如图4所示。
传感器选用炜盛电子股份有限公司的甲醛气体传感器，该传感器成本低，精度较高，是公司针对家庭客户需求研发的一款传感器。传感器基于电化学原理工作，利用甲醛气体在电极上的电化学氧化过程，发生电化学反应所产生的电流大小与其浓度成比例关系。
传感器输出的电流信号很微弱，运放电路选用了Microchip公司的轨至轨高精度运放MCP6032，该运放偏置电压和静态电流值均很小，从而保证了放大电路对传感器输出信号的无失真放大。
2 软件设计
软件设计主要分为二部分：甲醛采集器终端程序设计和手机APP软件构成。本文重点阐述甲醛采集终端程序设计，并给出信号调制程序部分代码。手机APP只做简要描述。
2.1 甲醛采集器终端程序设计
传感器终端软件采用C语言编程，主程序主要包括甲醛气体浓度采集和FSK编码通信两部分，流程如图5所示。其中甲醛气体浓度采集程序采用了零点跟踪算法，代码如下：
void ZeroTrack（unsigned int MoveAD）
{ …
if（（MoveMaxAD?MoveMinAD）<=StableBoundary）
{ if（count2>StableNumber） //进行跟踪，连续10 s稳定
{ count2=0；
MoveIndex++；
Old_BD_Zero=MoveAD；
MoveIndex=0； //重新进行10 s跟踪
…}
零点跟踪算法会在甲醛检测终端每次开机时判断传感器的A/D采样值是否在最大偏移值MoveMaxAD和最小偏移值MoveMinAD区间范围内，若一定时间内在未超过预设范围则将当前传感器AD值设为零点。若超出范围则判断当前环境存在甲醛气体，不再进行零点跟踪。零点跟踪算法能有效解决气体传感器本身特性存在的零点误差问题，并提高甲醛检测终端的检测准确度。
甲醛检测终端与手机APP采用FSK编码进行数据通信，频移键控（Frequency Shift Keying，FSK）因处理的数据为二进制，所以又称为2FSK，FSK调制传输数据实际上是将数字信号调制到一个更高的载波信号上，数字信号的0和1分别用不同频率的载波信号，接收端则根据接收到的载波频率区分0和1。其调制后的信号可表示为[6?8]：
甲醛数据检测终端部分FSK编码程序代码如下：
_interrupt void Timer_A（void）
{ if（idle_status！=0）
{ if（idle_exit！=0）
{idle_status=0； count_375us=0；WDTCTL=WDT_ARST_1000；_BIC_SR_IRQ（LPM3_bits）；}
if（idle_num>0）
{ if（idle_high_low==0）
{MIC_IO_HIGH；WDTCTL=WDT_ARST_1000；idle_high_low=1；count_375us=0；}
else if（idle_high_low！=0）
{MIC_IO_LOW；idle_high_low=0；count_375us=0；idle_num??；
if（idle_num==0）idle_exit=1；}}}}
其中：_interrupt void Timer_A（void）为MSP430的定时器中断服务函数，甲醛检测终端程序首先将甲醛浓度值数据封装成标准串口数据格式并写入缓存中，执行发送时通过中断服务函数Timer_A（ ）改变相应标志位，从而修改定时器周期，触发定时器输出引脚产生不同频率的PWM信号，用示波器可以看到输出的PWM信号波形如图6所示。
2.2 手机APP软件流程与实现
手机APP通过MIC口接收检测终端发送的PWM信号，软件进行FSK解调出传感器数据，并计算出对应的甲醛气体浓度值，在UI上显示，同时根据不同的浓度值显示不同的报警提示，其工作流程如图7所示，甲醛气体检测仪配合手机APP使用的实物图如图8所示。
3 结 论
本文设计以MSP430单片机为控制核心，通过耳机通信方式，实现了甲醛气体检测器与智能手机的结合使用。该设计甲醛气体检测仪具备很好的便携性和较高的精度，与智能手机的配合使用充分体现了物联网中物物联通的概念，同时该甲醛气体检测仪能够实时地将传感器数据通过手机端传输至大数据云平台，对便携设备的进一步发展带来更多想象空间。
参考文献
[1] 聂帅.基于移动设备的无线甲醛检测仪的设计与实现[D].北京：北京工业大学，2014.
[2] 白宗文，周美丽.低功耗便携式有害气体监测仪的设计与实现[J].现代电子技术，2014，37（17）：151?153.
[3] 邹峥嵘.一种智能手机获取监测环境温度、湿度的实现方法[J].电子产品世界，2015，22（6）：63?66.
[4] 应伟峰.基于耳机的移动终端和传感器节点的通信接口[D].大连：大连理工大学，2013.
[5] 王志誉.一种基于音频通信的安全移动支付终端系统设计与实现[D].南昌：南昌大学，2013.
[6] 高家宝，靳鹏飞，邵炳乾，等.基于2ASK调制解调的智能照明系统设计[J].现代电子技术，2015，38（20）：95?97.
[7] 李逸.2FSK，MSK，GMSK调制性能的比较及其Matlab/Simulink仿真[J].无线互联科技，2012（8）：50?51.
[8] 胡之惠，李渊，施瑛，等.基于V/F转换的2FSK调制电路设计[J].上海电机学院学报，2015（1）：19?23. 技术文
摘 要： 甲醛是室内环境污染的重要因素之一，该文提出一种基于手机耳机接口通信的便携式甲醛气体检测仪，设计基于MSP430单片机的传感器检测终端电路，采用FSK编码进行数据的传输和处理，智能手机APP通过耳机接口读入数据并显示甲醛浓度和报警。结果表明，该检测仪相比传统甲醛检测仪具有功耗低、携带方便、与智能手机相结合易于用户使用等优势，并且具有很好的市场前景。
关键词： 甲醛检测仪； MSP430； 耳机接口通信； FSK
中图分类号： TN911?34； TP216+.1 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）08?0145?03
Mini formaldehyde gas detector based on headphone interface communication
ZHANG Zhiguang， LIN Cong， LI Zhigang
（Research Institute of Henan Hanwei Electronics Co.， Ltd.， Zhengzhou 450001， China）
Abstract： The formaldehyde is one of the main factors of the indoor environmental pollution. A portable formaldehyde gas detector based on headphone interface communication is proposed. The sensor′s detecting terminal circuit based on MSP430 was designed. The FSK coding is used for data transmission and processing. The APP installed into the smart phone reads the data through the headphone interface， displays the formaldehyde concentration， and sends an alarm. In comparison with the traditional formaldehyde detectors， the formaldehyde gas detector has the advantages of lower power consumption and more portable carrying， is easy to use with the smart phone， and has perfect market prospect.
Keywords： formaldehyde gas detector； MSP430； headphone interface communication； FSK
甲醛是一种高挥发性、具有较高毒性的物质，室内甲醛主要来源于装修材料，包括各种人造板材、油漆、墙纸等，是潜在危险致癌物和重要的环境污染物。随着生活水平的提高，人们对生活环境质量的关注也越来越高，因而对居住、办公环境中甲醛的随时检测也引起越来越多的关注[1?2]。
随着智能手机应用功能的日益强大和智能化，能够与手机应用配合使用也是终端设备发展的一大趋势，当前基于Android系统的智能手机USB接口虽然日渐统一，但是基于IOS系统的iPhone手机仍旧使用的是自有接口标准，因此基于USB接口通信的外设存在一定的局限性，而4脚3.5 mm耳机接口如今已经是所有智能手机的标准配置，因此一款能够通过耳机接口[3]和智能手机通信的便携式甲醛气体检测终端就有了其存在的必要。基于智能手机耳机接口通信的超便携式甲醛检测仪，仅有半张信用卡大小，与同类产品相比具有电路简单、体积小巧、价格低廉等优势，尤其是用户只需将产品插入手机耳机孔即可进行检测，结合手机APP即可实时显示当前甲醛浓度值，真正实现随时检测、即插即用的便捷，非常适合家庭和中小公司使用。
1 甲醛检测终端电路设计
基于耳机接口的甲醛检测终端主要由电池供电开关电路，耳机接口通信电路，低功耗MSP430单片机电路，甲醛气体传感器等组成。甲醛气体传感器完成甲醛气体浓度采集并输出电信号，经由运放电路后送给单片机内置A/D转换器，完成模/数转换。单片机将转换后的数据经过调制编码通过通信电路输出给手机APP。
考虑到硬件的外观体积和功耗，整个甲醛检测终端采用3 V纽扣电池供电，内置的电路设计具有不插入手机耳机孔时，主控单片机将处于休眠状态，为了能做到检测终端的长时间待机和续航试用，主控芯片采用的是德州仪器生产超低功耗16位微控器MSP430F1232，该单片机工作电流仅在微安级并有丰富的片内资源。片内资源包括1个16位定时器、1个快速12位A/D转换器，自带采样保持、一个通用串行同步异步通信接口和22个I/O端口；片内包含8 KB FLASH和256 B RAM，并具有片内温度传感器，使用该芯片可减少外围电路设计，降低成本，且能有效降低功耗。单片机负责处理所有的硬件接口和软件协议处理，3.5 mm耳机标准接口實现与手机端APP之间的通信[4?5]。
1.1 电池供电开关电路
电池供电电路如图1所示，其中Left端与耳机插头Left端相连，当耳机插头未插入手机时，MOS管处于截止状态，POWER端输出低电平，此时主控制器处于休眠状态，当耳机插头插入手机后，Left接入手机内部耳机电路，Left端电平被拉低，MOS管导通，POWER输出高电平，使单片机进入工作状态。此时单片机开始A/D采集转换，并对数据编码和手机APP通信。
1.2 耳机通信接口电路
通用的四段式3.5 mm耳机插头如图2所示，通信电路与手机耳机口的MIC端相连，本文采用甲醛检测终端到手机端的单向通行方式实现数据的传输，利用手机耳机接口的MIC端向手机发送数据。
为了降低通信过程中的高频噪声，并隔离耳机接口输入信号中的支流分量，设计了一个RC低通滤波和隔直电容组成接口电路，起到保护手机耳机接口的作用，电路如图3所示。
1.3 甲醛传感器信号调理电路
甲醛气体传感器信号调理电路主要由甲醛气体传感器、运放电路以及滤波电容组成。硬件电路如图4所示。
传感器选用炜盛电子股份有限公司的甲醛气体传感器，该传感器成本低，精度较高，是公司针对家庭客户需求研发的一款传感器。传感器基于电化学原理工作，利用甲醛气体在电极上的电化学氧化过程，发生电化学反应所产生的电流大小与其浓度成比例关系。
传感器输出的电流信号很微弱，运放电路选用了Microchip公司的轨至轨高精度运放MCP6032，该运放偏置电压和静态电流值均很小，从而保证了放大电路对传感器输出信号的无失真放大。
2 软件设计
软件设计主要分为二部分：甲醛采集器终端程序设计和手机APP软件构成。本文重点阐述甲醛采集终端程序设计，并给出信号调制程序部分代码。手机APP只做简要描述。
2.1 甲醛采集器终端程序设计
传感器终端软件采用C语言编程，主程序主要包括甲醛气体浓度采集和FSK编码通信两部分，流程如图5所示。其中甲醛气体浓度采集程序采用了零点跟踪算法，代码如下：
void ZeroTrack（unsigned int MoveAD）
{ …
if（（MoveMaxAD?MoveMinAD）<=StableBoundary）
{ if（count2>StableNumber） //进行跟踪，连续10 s稳定
{ count2=0；
MoveIndex++；
Old_BD_Zero=MoveAD；
MoveIndex=0； //重新进行10 s跟踪
…}
零点跟踪算法会在甲醛检测终端每次开机时判断传感器的A/D采样值是否在最大偏移值MoveMaxAD和最小偏移值MoveMinAD区间范围内，若一定时间内在未超过预设范围则将当前传感器AD值设为零点。若超出范围则判断当前环境存在甲醛气体，不再进行零点跟踪。零点跟踪算法能有效解决气体传感器本身特性存在的零点误差问题，并提高甲醛检测终端的检测准确度。
甲醛检测终端与手机APP采用FSK编码进行数据通信，频移键控（Frequency Shift Keying，FSK）因处理的数据为二进制，所以又称为2FSK，FSK调制传输数据实际上是将数字信号调制到一个更高的载波信号上，数字信号的0和1分别用不同频率的载波信号，接收端则根据接收到的载波频率区分0和1。其调制后的信号可表示为[6?8]：
甲醛数据检测终端部分FSK编码程序代码如下：
_interrupt void Timer_A（void）
{ if（idle_status！=0）
{ if（idle_exit！=0）
{idle_status=0； count_375us=0；WDTCTL=WDT_ARST_1000；_BIC_SR_IRQ（LPM3_bits）；}
if（idle_num>0）
{ if（idle_high_low==0）
{MIC_IO_HIGH；WDTCTL=WDT_ARST_1000；idle_high_low=1；count_375us=0；}
else if（idle_high_low！=0）
{MIC_IO_LOW；idle_high_low=0；count_375us=0；idle_num??；
if（idle_num==0）idle_exit=1；}}}}
其中：_interrupt void Timer_A（void）为MSP430的定时器中断服务函数，甲醛检测终端程序首先将甲醛浓度值数据封装成标准串口数据格式并写入缓存中，执行发送时通过中断服务函数Timer_A（ ）改变相应标志位，从而修改定时器周期，触发定时器输出引脚产生不同频率的PWM信号，用示波器可以看到输出的PWM信号波形如图6所示。
2.2 手机APP软件流程与实现
手机APP通过MIC口接收检测终端发送的PWM信号，软件进行FSK解调出传感器数据，并计算出对应的甲醛气体浓度值，在UI上显示，同时根据不同的浓度值显示不同的报警提示，其工作流程如图7所示，甲醛气体检测仪配合手机APP使用的实物图如图8所示。
3 结 论
本文设计以MSP430单片机为控制核心，通过耳机通信方式，实现了甲醛气体检测器与智能手机的结合使用。该设计甲醛气体检测仪具备很好的便携性和较高的精度，与智能手机的配合使用充分体现了物联网中物物联通的概念，同时该甲醛气体检测仪能够实时地将传感器数据通过手机端传输至大数据云平台，对便携设备的进一步发展带来更多想象空间。
参考文献
[1] 聂帅.基于移动设备的无线甲醛检测仪的设计与实现[D].北京：北京工业大学，2014.
[2] 白宗文，周美丽.低功耗便携式有害气体监测仪的设计与实现[J].现代电子技术，2014，37（17）：151?153.
[3] 邹峥嵘.一种智能手机获取监测环境温度、湿度的实现方法[J].电子产品世界，2015，22（6）：63?66.
[4] 应伟峰.基于耳机的移动终端和传感器节点的通信接口[D].大连：大连理工大学，2013.
[5] 王志誉.一种基于音频通信的安全移动支付终端系统设计与实现[D].南昌：南昌大学，2013.
[6] 高家宝，靳鹏飞，邵炳乾，等.基于2ASK调制解调的智能照明系统设计[J].现代电子技术，2015，38（20）：95?97.
[7] 李逸.2FSK，MSK，GMSK调制性能的比较及其Matlab/Simulink仿真[J].无线互联科技，2012（8）：50?51.
[8] 胡之惠，李渊，施瑛，等.基于V/F转换的2FSK调制电路设计[J].上海电机学院学报，2015（1）：19?23. 技术文
