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摘 要：文中设计了一种基于LabVIEW控制步进电机的气体自动采样装置。论述了该采样装置的工作原理、软硬件结构。运用该采样装置匹配电子鼻对P25光催化降解甲醛的全过程进行监测。结果表明该采样装置不仅具有自动、定体积气体采样功能，而且稳定、可靠、成本低。
关键词：LabVIEW；步进电机；自动采样装置；电子鼻
在进行气体分析时，都需要对气体进行采样。经常使用的采样方法有：离线采样，如气袋采样、静态顶空采样。这些离线采样的方法都需人工操作，因而耗时耗力，重复性差；在线采样，目前已有商用化的在线自动采样装置，但价格都很昂贵。因此，本文设计了一套基于LabVIEW控制步进电机的气体自动采样装置，该装置具有高稳定性、低成本的特点。
电子鼻是20世纪90年代发展起来的一种新型气体气味分析仪器，其由气体采样、气敏元件阵列和模式识别等模块组成。气体采样模块是电子鼻的主要组成部分，其性能好坏直接取决于电子鼻的识别效果。本文将开发的自动采样装置与电子鼻联用，对光催化降解的全过程进行监测。实验结果表明该自动采样装置具有好的稳定性和重复性。
1 工作原理
自动采样装置的总体结构框图如图1所示。主要包括以下三个部分：USB数据采集卡NI—6008的硬件驱动部分；步进电机（MITSUMI）、注射器（5 mL）和三通电磁阀的执行部分；以及基于PC机的LabVIEW程序控制部分。程序控制部分通过硬件驱动部分来控制步进电机和三通电磁阀的状态，步进电机通过齿轮卡来带动与注射器相连的齿条，同时通过步进电机正向和反向的交替运动实现注射器抽打气体动作。步进电机的步进模式包括单步、重步和半步，其控制如表1至表3所示。注射器抽取气体的体积就是采样的体积，它与步进电机运动的运动步数相关。本文选取5 mL的玻璃注射器，步进电机每运动一步抽取气体体积为5/70 mL（抽取5 mL气体，步进电机需运动70步）。采样气体的进气口和排气口均由三通电磁阀控制。
本文将步进电机的运动控制程序设定为一个子VI，该子VI可以直接与三通电磁阀的控制按采样的流程编LabVIEW控制程序。采样时，先在LabVIEW程序中选择采样模式，主要包括：步进电机运动步数、步进模式和步进间隔，然后运行程序。NI采集卡接受程序给定的指令，通过I/O控制步进电机的运行，实现注射器抽打定量气体，同时控制三通电磁阀1和2的开断，实现对采样气体的进口和出口的控制。
2 硬件设计
MITSUMI步进电机是四相步进电机，具有低振动、低噪声的特点。本文采用L298N芯片来驱动该步进电机的运行。控制电路见图2。图中NI—6008的4个I/O口（P01，P02，P03，P04）分别接L298N的输入管脚，L298N的4个输出管脚接步进电机。这样通过在PC机上的LabVIEW软件界面手动地输入指令，便能够改变采集卡的I/O的电平状态，从而控制步进电机的运动模式，运转速度。此外，采集卡的P05，P06这两个I/O分别接两个三通电磁阀，同样地通过改变I/O的电平状态来实现三通电磁阀的气路的切换。具体的控制方式是：当P05，P06输出低电平的时候，三通电磁阀切换至空气进口；当P05，P06输出高电平的时候，三通电磁阀切换至样品气体进口。
3 软件设计
LabVIEW7.1是由美国（NI）公司开发并广泛运用的计算机语言。它是一种图形化编程语言的开发环境，被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件[10]。步进电机的4个控制I/O由数据采集卡控制。将步进电机的运动步数、运动模式、运动方向和步进间隔作为LabVIEW控制程序的控键，通过一系列运算得到DAQ数据采集的控制序列，进而控制步进电机的运动。其具体的LabVIEW程序框图如图3所示。并将其设为子VI，根据需要直接调用即可。将该子VI与三通电磁阀开断控制按一定的顺序编程，得到对某通路抽取一定体积的样本气体，并从某通路排除样本气体。
4 P25降解甲醛的实验
为检测该采样装置的可靠性，将其应用在电子鼻中，并对光催化降解的全过程进行检测。根据图1，该采样装置配合电子鼻进行光催化降解时，需要将电磁阀1的进气口作为抽取样本气体的通道，即与光催化降解腔相通。电磁阀2的排气口1和排气口2作为排除样本气体的通道，其中排气口1与光催化降解腔相接，通过不断采样保证采样装置内为实时降解气氛；排气口2与电子鼻的传感器腔相接，定时检测降解气氛。
本实验采用P25对162ppm的甲醛在紫外光下降解90 min。降解过程中，该自动采样装置循环对降解气氛进行采样，每隔5 min将采样气体打入传感器腔内进行检测（共19次），其余时间将采样的气体打入到光催化降解腔中。在每次采样气体打入传感器腔进行检测的同时，红外光声光谱仪也对降解气氛中甲醛的浓度进行测试。将红外光声光谱仪测得的甲醛浓度对传感器的响应进行标定与验证。
降解过程中，红外光声光谱仪测得的甲醛浓度变化如图4所示。前25 min的降解过程中，甲醛浓度迅速减小，之后的65 min甲醛浓度变化不大。可见，在紫外光下，P25对甲醛具有很好的降解效果。提取传感器阵列中单传感器的响应曲线，将其19次的响应组合在一起，如图5。对比分析图4和图5，传感器响应曲线的变化与实际甲醛浓度的变化一致。前25 min，响应的最大电压V大幅度减小，这与降解过程中甲醛浓度的降低密切相关。在降解40 min后，图4现实甲醛浓度仅出现微小波动，即甲醛浓度无明显变化。若每次采样体积相同，就能保证传感器的响应曲线接近相同。结果显示，在后10次测试中，传感器的响应曲线能较好的重叠在一起。这表明：该采样装置具有好的稳定性和重复性，并能辅助电子鼻对光催化降解的全过程实现自动监测。
5 结束语
本文利用LabVIEW强大的数据采集和数字信号处理能力，对步进电机和电磁阀进行控制，实现了具有气体自动采样功能的采样装置。该自动采样装置不仅成本低，而且在提高了采样准确性的同时，也减少了测试的时间和工作量。
参考文献
[1] 大气自动监测仪[P]. 西安电子科技大学，2003.
[2] 杨乐平，等. LabVIEW程序设计与应用[M]. 北京： 电子工业出版社，2001.
关键词：LabVIEW；步进电机；自动采样装置；电子鼻
在进行气体分析时，都需要对气体进行采样。经常使用的采样方法有：离线采样，如气袋采样、静态顶空采样。这些离线采样的方法都需人工操作，因而耗时耗力，重复性差；在线采样，目前已有商用化的在线自动采样装置，但价格都很昂贵。因此，本文设计了一套基于LabVIEW控制步进电机的气体自动采样装置，该装置具有高稳定性、低成本的特点。
电子鼻是20世纪90年代发展起来的一种新型气体气味分析仪器，其由气体采样、气敏元件阵列和模式识别等模块组成。气体采样模块是电子鼻的主要组成部分，其性能好坏直接取决于电子鼻的识别效果。本文将开发的自动采样装置与电子鼻联用，对光催化降解的全过程进行监测。实验结果表明该自动采样装置具有好的稳定性和重复性。
1 工作原理
自动采样装置的总体结构框图如图1所示。主要包括以下三个部分：USB数据采集卡NI—6008的硬件驱动部分；步进电机（MITSUMI）、注射器（5 mL）和三通电磁阀的执行部分；以及基于PC机的LabVIEW程序控制部分。程序控制部分通过硬件驱动部分来控制步进电机和三通电磁阀的状态，步进电机通过齿轮卡来带动与注射器相连的齿条，同时通过步进电机正向和反向的交替运动实现注射器抽打气体动作。步进电机的步进模式包括单步、重步和半步，其控制如表1至表3所示。注射器抽取气体的体积就是采样的体积，它与步进电机运动的运动步数相关。本文选取5 mL的玻璃注射器，步进电机每运动一步抽取气体体积为5/70 mL（抽取5 mL气体，步进电机需运动70步）。采样气体的进气口和排气口均由三通电磁阀控制。
本文将步进电机的运动控制程序设定为一个子VI，该子VI可以直接与三通电磁阀的控制按采样的流程编LabVIEW控制程序。采样时，先在LabVIEW程序中选择采样模式，主要包括：步进电机运动步数、步进模式和步进间隔，然后运行程序。NI采集卡接受程序给定的指令，通过I/O控制步进电机的运行，实现注射器抽打定量气体，同时控制三通电磁阀1和2的开断，实现对采样气体的进口和出口的控制。
2 硬件设计
MITSUMI步进电机是四相步进电机，具有低振动、低噪声的特点。本文采用L298N芯片来驱动该步进电机的运行。控制电路见图2。图中NI—6008的4个I/O口（P01，P02，P03，P04）分别接L298N的输入管脚，L298N的4个输出管脚接步进电机。这样通过在PC机上的LabVIEW软件界面手动地输入指令，便能够改变采集卡的I/O的电平状态，从而控制步进电机的运动模式，运转速度。此外，采集卡的P05，P06这两个I/O分别接两个三通电磁阀，同样地通过改变I/O的电平状态来实现三通电磁阀的气路的切换。具体的控制方式是：当P05，P06输出低电平的时候，三通电磁阀切换至空气进口；当P05，P06输出高电平的时候，三通电磁阀切换至样品气体进口。
3 软件设计
LabVIEW7.1是由美国（NI）公司开发并广泛运用的计算机语言。它是一种图形化编程语言的开发环境，被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件[10]。步进电机的4个控制I/O由数据采集卡控制。将步进电机的运动步数、运动模式、运动方向和步进间隔作为LabVIEW控制程序的控键，通过一系列运算得到DAQ数据采集的控制序列，进而控制步进电机的运动。其具体的LabVIEW程序框图如图3所示。并将其设为子VI，根据需要直接调用即可。将该子VI与三通电磁阀开断控制按一定的顺序编程，得到对某通路抽取一定体积的样本气体，并从某通路排除样本气体。
4 P25降解甲醛的实验
为检测该采样装置的可靠性，将其应用在电子鼻中，并对光催化降解的全过程进行检测。根据图1，该采样装置配合电子鼻进行光催化降解时，需要将电磁阀1的进气口作为抽取样本气体的通道，即与光催化降解腔相通。电磁阀2的排气口1和排气口2作为排除样本气体的通道，其中排气口1与光催化降解腔相接，通过不断采样保证采样装置内为实时降解气氛；排气口2与电子鼻的传感器腔相接，定时检测降解气氛。
本实验采用P25对162ppm的甲醛在紫外光下降解90 min。降解过程中，该自动采样装置循环对降解气氛进行采样，每隔5 min将采样气体打入传感器腔内进行检测（共19次），其余时间将采样的气体打入到光催化降解腔中。在每次采样气体打入传感器腔进行检测的同时，红外光声光谱仪也对降解气氛中甲醛的浓度进行测试。将红外光声光谱仪测得的甲醛浓度对传感器的响应进行标定与验证。
降解过程中，红外光声光谱仪测得的甲醛浓度变化如图4所示。前25 min的降解过程中，甲醛浓度迅速减小，之后的65 min甲醛浓度变化不大。可见，在紫外光下，P25对甲醛具有很好的降解效果。提取传感器阵列中单传感器的响应曲线，将其19次的响应组合在一起，如图5。对比分析图4和图5，传感器响应曲线的变化与实际甲醛浓度的变化一致。前25 min，响应的最大电压V大幅度减小，这与降解过程中甲醛浓度的降低密切相关。在降解40 min后，图4现实甲醛浓度仅出现微小波动，即甲醛浓度无明显变化。若每次采样体积相同，就能保证传感器的响应曲线接近相同。结果显示，在后10次测试中，传感器的响应曲线能较好的重叠在一起。这表明：该采样装置具有好的稳定性和重复性，并能辅助电子鼻对光催化降解的全过程实现自动监测。
5 结束语
本文利用LabVIEW强大的数据采集和数字信号处理能力，对步进电机和电磁阀进行控制，实现了具有气体自动采样功能的采样装置。该自动采样装置不仅成本低，而且在提高了采样准确性的同时，也减少了测试的时间和工作量。
参考文献
[1] 大气自动监测仪[P]. 西安电子科技大学，2003.
[2] 杨乐平，等. LabVIEW程序设计与应用[M]. 北京： 电子工业出版社，2001.