基于MEMS氦气传感器阵列的数据采集系统

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该系统通过检测呼气中的氨气（NH₃）浓度替代传统放射性标记方法，更安全、环保且成本低廉。

1. 项目背景

幽门螺杆菌感染是胃炎、胃溃疡的主要病因。传统尿素呼气试验需服用放射性同位素（如¹⁴C或昂贵的¹³C标记尿素），存在潜在健康风险和成本问题。我们的方案通过检测尿素分解产物氨气（NH₃）实现无放射性检测，感染者的呼气氨气浓度显著高于健康人（0.8~0.9 ppm）。

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2. 系统架构

核心功能模块：

• MEMS气体传感器阵列：检测低浓度氨气（TO-5封装，加热电压VH提升灵敏度）。
• STM32F103C8T6主控：72MHz主频，处理传感器数据并控制外设。
• AD7124-4BRUZ ADC芯片：24位高精度模数转换，支持多通道差分输入，内置诊断功能。
• SHT21温湿度传感器：环境补偿，提高检测准确性。
• ECB02S2蓝牙模块：无线传输数据至手机APP。
  
  

系统框图：

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3. 硬件设计亮点3.1 MEMS传感器阵列电路

• 分压电路设计：精密电阻分压 + 电压跟随器，减少信号衰减。
• AD7124配置：
  • 低噪声（<1μV）、可编程激励电流，适配微小信号。
  • 支持CRC校验，提升数据可靠性。
    
    
  
  

3.2 环境补偿

SHT21通过I²C实时采集温湿度数据，修正传感器输出，避免环境干扰。

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4. 软件实现4.1 采集板程序（STM32）

• 初始化：配置ADC、蓝牙、传感器参数。
• 数据处理：SPI读取AD7124数据 → 转换为浓度值 → 蓝牙传输。
• 低功耗优化：STM32休眠模式 + 定时唤醒。
  
  

4.2 手机APP（App Inventor开发）

• 功能流程：
  
  
  • 蓝牙扫描/配对设备。
  • 实时显示氨气浓度曲线和数值。
  • 数据存储与分析。
    
    
• 界面示例：
  
  
  

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5. 测试结果

在密闭气室中通入氨气，传感器响应曲线如下：

• 基线稳定：未通氨气时电压波动<0.1mV。
• 动态响应：通入氨气后，电压变化与浓度线性相关（R²>0.99）。
• 实际应用：系统可区分健康人与感染者（阈值设定为1.0ppm）。
  
  

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6. 优势与改进方向

优势：

• 无放射性：安全性高，适合儿童/孕妇。
• 低成本：MEMS传感器 + STM32方案成本<500元。
• 便携性：蓝牙无线传输，支持手机监控。
  
  

待改进：

• 交叉敏感性（如乙醇干扰需进一步滤波）。
• 长期稳定性测试（传感器寿命优化）。
  
  

参考文献:易洵锐,肖雨佳,何心如,等.基于MEMS氨气传感器阵列的数据采集系统搭建[J].电子制作,2024,32(23):100-102.DOI:10.16589/j.cnki.cn11-3571/tn.2024.23.016.