基于傳感器陣列的電子鼻

1、.PAGE ：.； PAGE 編號(hào)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)論文標(biāo)題： 基于傳感器陣列的電子鼻 系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 物聯(lián)網(wǎng)工程 學(xué)院 電子信息工程專業(yè)學(xué) 號(hào) 學(xué)生姓名 指點(diǎn)教師 二一三年六月摘要摘 要電子鼻系統(tǒng)是模擬生物嗅覺系的一種經(jīng)過(guò)運(yùn)用電學(xué)來(lái)分析和識(shí)別混合氣體的一種電子設(shè)備利用單一氣敏傳感器對(duì)氣體呼應(yīng)的非專注性和對(duì)特定氣體的擇優(yōu)呼應(yīng)特性,根據(jù)實(shí)踐運(yùn)用, 將多個(gè)單一氣敏元件優(yōu)化組合來(lái)構(gòu)成氣敏傳感器陣列,氣體被吸入氣室腔內(nèi)，被傳感器陣列感應(yīng)到利用陣列的多維空間氣體呼應(yīng)方式，傳感器將感應(yīng)的信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)處置后，送到方式識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)展方式識(shí)別，并將識(shí)別結(jié)果輸出顯示，從而對(duì)氣體進(jìn)展定性定量識(shí)別本論文表達(dá)了整個(gè)

2、電子鼻系統(tǒng)，對(duì)CH4、CO和H2三種不同濃度比的混合氣體進(jìn)展了定量分析系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為控制中心，3個(gè)基于金屬氧化物半導(dǎo)體SnO2的德國(guó)GGA系列傳感器構(gòu)成氣敏傳感器陣列，并設(shè)計(jì)了信號(hào)預(yù)處置電路等硬件電路部分；上位機(jī)軟件采用 VC+6.0開發(fā) ，利用混合編程技術(shù)，嵌入 Matlab 引擎，借助 Matlab的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱ANNToolbox函數(shù)實(shí)現(xiàn) BP 網(wǎng)絡(luò)方式識(shí)別算法電子鼻系統(tǒng)將氣敏傳感器陣列與方式識(shí)別技術(shù)相結(jié)合，可以很好地分析和辨識(shí)混合氣體的組份及其濃度系統(tǒng)還采用了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，有效地處理了傳統(tǒng)的單一氣體傳感器普遍存在的交叉敏感性問(wèn)題，有助于氣體檢測(cè)精度的提高關(guān)鍵詞：

3、電子鼻；氣體傳感器陣列；信號(hào)預(yù)處置；BP網(wǎng)絡(luò)Abstract目錄PAGE I PAGE IABSTRACTElectronic nose system is an electronic device of modeling biological olfactory system by using electricity to anlysis and identify mixtures. A single gas sensor of gas response of non-specific and specific to the preferred response characteristic

4、s of gas, according to the actual application, form a plurality of single gas sensor optimization combination to a gas sensor array and the gas is inhaled air chamber cavity, inducted by the sensor array. Using multidimensional space gas response patterns of array, the sensor will translate inductio

5、n signal into the electrical signal, through signal processing, send to the pattern recognition system to pattern recognition and t output and display the recognition result, to identificate the gas.This paper describes the quantitative analysis of the electronic nose system applied for CH4、COand H2

6、 of mixed gases of different concentration ratio. STC89C52 SCM is control core, integrated gas sensor array composed of 3 metal oxide semiconductor based on German GGA series sensor and the design of the signal pretreatment circuit; the PC software development using VC+6.0, using the mixed programmi

7、ng technology, embedded Matlab engine, Implementation of BP network pattern recognition algorithm using artificial neural network toolbox function of Matlab.The electronic nose system of gas sensor array and pattern recognition technology to combine, analysis and identification of mixed gas composit

8、ion and concentration well. The system also uses the artificial neural network method, to effectively solve the cross sensitivity problem of the traditional single gas sensor, to improve the precision of gas detection.Key words: electronic nose; gas sensor array; signal pretreatment; BP network目錄PAG

9、E PAGE i PAGE i目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc358553886 第1章 緒論 PAGEREF _Toc358553886 h 1 HYPERLINK l _Toc358553887 1.1 引言 PAGEREF _Toc358553887 h 1 HYPERLINK l _Toc358553888 1.2 電子鼻系統(tǒng)的開展概略及存在問(wèn)題 PAGEREF _Toc358553888 h 1 HYPERLINK l _Toc358553889 1.2.1 國(guó)外的開展概略 PAGEREF _Toc358553889 h 1 HYPERLINK

10、 l _Toc358553890 1.2.2 國(guó)內(nèi)的開展概略 PAGEREF _Toc358553890 h 3 HYPERLINK l _Toc358553891 1.2.3 存在的問(wèn)題 PAGEREF _Toc358553891 h 3 HYPERLINK l _Toc358553892 1.3 本課題研討內(nèi)容及意義 PAGEREF _Toc358553892 h 3 HYPERLINK l _Toc358553893 1.4 本論文內(nèi)容安排 PAGEREF _Toc358553893 h 4 HYPERLINK l _Toc358553894 第2章 電子鼻系統(tǒng)綜述 PAGEREF _T

11、oc358553894 h 5 HYPERLINK l _Toc358553895 2.1 電子鼻組成及任務(wù)原理 PAGEREF _Toc358553895 h 5 HYPERLINK l _Toc358553896 2.2 氣敏傳感器 PAGEREF _Toc358553896 h 6 HYPERLINK l _Toc358553897 2.2.1 氣敏傳感器主要特性 PAGEREF _Toc358553897 h 6 HYPERLINK l _Toc358553898 2.2.2 氣敏傳感器根本分類 PAGEREF _Toc358553898 h 7 HYPERLINK l _Toc358

12、553899 2.2.3 氣敏傳感器陣列 PAGEREF _Toc358553899 h 8 HYPERLINK l _Toc358553900 2.3 信號(hào)預(yù)處置方法 PAGEREF _Toc358553900 h 8 HYPERLINK l _Toc358553901 2.4 方式識(shí)別方法 PAGEREF _Toc358553901 h 9 HYPERLINK l _Toc358553902 2.4.1 方式識(shí)別概念 PAGEREF _Toc358553902 h 9 HYPERLINK l _Toc358553903 2.4.2 方式識(shí)別組成及各單元作用 PAGEREF _Toc3585

13、53903 h 9 HYPERLINK l _Toc358553904 2.4.3 方式識(shí)別方法 PAGEREF _Toc358553904 h 9 HYPERLINK l _Toc358553905 2.5 本章小結(jié) PAGEREF _Toc358553905 h 11 HYPERLINK l _Toc358553906 第3章 電子鼻系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc358553906 h 13 HYPERLINK l _Toc358553907 3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 PAGEREF _Toc358553907 h 13 HYPERLINK l _Toc358553908 3.2 單片

14、機(jī)模塊引見 PAGEREF _Toc358553908 h 13 HYPERLINK l _Toc358553909 3.2.1 STC89C52簡(jiǎn)介 PAGEREF _Toc358553909 h 13 HYPERLINK l _Toc358553910 3.2.2 電源電路 PAGEREF _Toc358553910 h 14 HYPERLINK l _Toc358553911 3.2.3 時(shí)鐘振蕩電路 PAGEREF _Toc358553911 h 14 HYPERLINK l _Toc358553912 3.3 氣敏傳感器陣列的選擇與設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc358553912 h

15、 15 HYPERLINK l _Toc358553913 3.3.1 氣敏傳感器的選取 PAGEREF _Toc358553913 h 15 HYPERLINK l _Toc358553914 3.3.2 氣敏傳感器陣列設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc358553914 h 16 HYPERLINK l _Toc358553915 3.3.3 傳感器陣列加熱電路 PAGEREF _Toc358553915 h 17PAGE 36PAGE 35 PAGE 35 HYPERLINK l _Toc358553916 3.4 信號(hào)預(yù)處置電路 PAGEREF _Toc358553916 h 18 HYP

16、ERLINK l _Toc358553917 3.4.1 放大電路 PAGEREF _Toc358553917 h 18 HYPERLINK l _Toc358553918 3.4.2 A/D轉(zhuǎn)換電路 PAGEREF _Toc358553918 h 18 HYPERLINK l _Toc358553919 3.5 串行通訊模塊引見 PAGEREF _Toc358553919 h 19 HYPERLINK l _Toc358553920 第4章 電子鼻系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc358553920 h 21 HYPERLINK l _Toc358553921 4.1 概述 PAGERE

17、F _Toc358553921 h 21 HYPERLINK l _Toc358553922 4.2 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc358553922 h 21 HYPERLINK l _Toc358553923 4.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc358553923 h 23 HYPERLINK l _Toc358553924 4.4 BP網(wǎng)絡(luò) PAGEREF _Toc358553924 h 24 HYPERLINK l _Toc358553925 4.4.1 概述 PAGEREF _Toc358553925 h 24 HYPERLINK l _Toc358553926

18、 4.4.2 根本BP算法 PAGEREF _Toc358553926 h 25 HYPERLINK l _Toc358553927 4.5 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析 PAGEREF _Toc358553927 h 26 HYPERLINK l _Toc358553928 4.5.1 實(shí)驗(yàn)流程 PAGEREF _Toc358553928 h 26 HYPERLINK l _Toc358553929 4.5.2 數(shù)據(jù)歸一化處置 PAGEREF _Toc358553929 h 27 HYPERLINK l _Toc358553930 4.5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 PAGEREF _Toc358553930 h 27

19、 HYPERLINK l _Toc358553931 第5章 結(jié)論與展望 PAGEREF _Toc358553931 h 33 HYPERLINK l _Toc358553932 5.1 結(jié)論 PAGEREF _Toc358553932 h 33 HYPERLINK l _Toc358553933 5.2 缺乏之處及未來(lái)展望 PAGEREF _Toc358553933 h 33 HYPERLINK l _Toc358553934 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc358553934 h 34 HYPERLINK l _Toc358553935 致 謝 PAGEREF _Toc358553935

20、 h 35 HYPERLINK l _Toc358553936 附錄：系統(tǒng)原理圖 PAGEREF _Toc358553936 h 36江南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文基于傳感器陣列的電子鼻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第1章 緒論 引言 氣體檢測(cè)在環(huán)境檢測(cè)、食品工業(yè)、化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域有著重要的意義以人類本身來(lái)說(shuō)，日常生活和任務(wù)就與周圍的大氣環(huán)境息息相關(guān)，大氣的變化對(duì)人類有著極大的影響：空氣中缺氧會(huì)使人感到呼吸困難甚至窒息；空氣中含有有毒氣體那么會(huì)給人類帶來(lái)更大的損傷室內(nèi)環(huán)境的污染也嚴(yán)重影響人們的身體安康，近年來(lái)由于房屋裝修中的甲醛超標(biāo)問(wèn)題更是引起人們的普遍關(guān)注，而家用可燃?xì)獾淖呗?huì)引起人體中毒，甚至引發(fā)爆炸和火災(zāi)，使人們的生命

21、財(cái)富遭到宏大的損失隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷開展，消費(fèi)中運(yùn)用氣體原料和消費(fèi)過(guò)程中產(chǎn)生的氣體種類和數(shù)量也不斷提高，這些氣體有些是易燃易爆的，有些是有毒的，它們走漏到空氣中就會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境，尤其是煤炭、化工、汽車等工業(yè)的高速開展使大氣污染日趨嚴(yán)重煤礦開采中引起的瓦斯爆炸呵斥人員傷亡，酸雨、溫室效應(yīng)、臭氧層的破壞等呵斥的環(huán)境問(wèn)題是現(xiàn)代社會(huì)的一系列等待處理的問(wèn)題因此，對(duì)人類生存和消費(fèi)環(huán)境中的各種氣體進(jìn)展準(zhǔn)確的分析檢測(cè)，以監(jiān)測(cè)控制氣體排放，能對(duì)促進(jìn)社會(huì)的安康調(diào)和開展起到重要的作用電子鼻系統(tǒng)是模擬生物嗅覺系的一種經(jīng)過(guò)運(yùn)用電學(xué)來(lái)分析和識(shí)別混合氣體的一種電子設(shè)備氣體被吸入氣室腔內(nèi)，被傳感器陣列感應(yīng)到傳感器將感應(yīng)的信號(hào)

22、轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)處置后，送到方式識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)展方式識(shí)別，并將識(shí)別結(jié)果輸出顯示電子鼻的傳感器陣列相當(dāng)于生物嗅覺系統(tǒng)的嗅上皮，信號(hào)處置相當(dāng)于嗅神經(jīng)，而方式識(shí)別系統(tǒng)那么相當(dāng)于大腦皮層的神經(jīng)系統(tǒng)電子鼻不僅在傳導(dǎo)構(gòu)造上與生物嗅覺系統(tǒng)相類似，在氣體識(shí)別功能上也很類似電子鼻可以同時(shí)對(duì)多種氣體進(jìn)展檢測(cè)，而且電子鼻具有對(duì)未知?dú)怏w的學(xué)習(xí)功能，這大大提高了電子鼻的仿生功能，使電子鼻更像鼻子一樣可以聞到學(xué)習(xí)到更多的味道電子鼻具有便攜及實(shí)時(shí)、在線、原位分析等特點(diǎn), 可用于氣味鑒別、復(fù)雜環(huán)境下氣體濃度鑒別和可燃?xì)怏w、有機(jī)揮發(fā)物或有毒氣體的鑒別, 具有廣泛的運(yùn)用前景, 是目前氣體傳感器研討的熱點(diǎn)之一電子鼻的運(yùn)用前景是令

23、人振奮的，諸如食品、飲料、石化、制藥等工業(yè)在廢質(zhì)量量檢驗(yàn)和過(guò)程質(zhì)量控制等方面可由電子鼻部分替代人工勞動(dòng) 電子鼻系統(tǒng)的開展概略及存在問(wèn)題1.2.1 國(guó)外的開展概略客觀需求推進(jìn)了電子鼻技術(shù)的開展人和動(dòng)物的嗅覺在人類的消費(fèi)和生活中不斷扮演著重要角色，很早以前人們就利用警犬異常靈敏的嗅覺來(lái)識(shí)別犯罪嫌疑人留在現(xiàn)場(chǎng)的氣味，協(xié)助 破案隨著社會(huì)的開展，嗅覺在生活中的重要性有所下降，但在某些特殊領(lǐng)域卻顯得格外重要，有些場(chǎng)所并不適宜人和動(dòng)物直接接觸，如環(huán)境污染監(jiān)測(cè)、有毒氣體檢測(cè)等，因此人們努力于人工嗅覺，即電子鼻的研討早在1962年，Taguch和Seiyama就分別報(bào)道了用金屬氧化物檢測(cè)復(fù)原性氣體的任務(wù)，196

24、8年推出第一個(gè)商品化的用于檢測(cè)室內(nèi)氣體走漏的氧化錫氣體傳感器(TGS系列)但20世紀(jì)60年代研制的“電子鼻并非現(xiàn)代意義上的嗅覺模擬系統(tǒng)直到20世紀(jì)80年代初，作為氣味分類用的新型智能傳感器的概念才真正被提出1982年，英國(guó)Warwick大學(xué)的Persaud和Dodd用3個(gè)商品化的SnO2氣敏傳感器(TGS813,812,711)模擬生物嗅感受器細(xì)胞，并對(duì)乙醇、乙醚、戊酸等有機(jī)揮發(fā)氣體進(jìn)展了類別分析從那時(shí)起，人們不斷探求用嗅覺模擬系統(tǒng)測(cè)定簡(jiǎn)單氣體的類別和濃度，涉及領(lǐng)域非常廣泛20世紀(jì)80年代末期，嗅覺模擬研討進(jìn)入了快速開展時(shí)期電子鼻主要運(yùn)用在以下幾個(gè)方面：(1) 食品工業(yè)僅用一個(gè)石英振蕩晶體傳感

25、器就可對(duì)加熱蒸發(fā)后的紅葡萄酒、白葡萄酒和玫瑰紅葡萄酒進(jìn)展分類識(shí)別經(jīng)過(guò)對(duì)傳感器的呼應(yīng)曲線提取九種特征值，用主成分分析方法和三層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以100%區(qū)分上述三種葡萄酒利用WO3薄膜傳感器陣列，采用主成分分析和聚類分析作為方式識(shí)別方法，在高溫下對(duì)橄欖油、植物油、水果汁、番茄醬和其它飲料等進(jìn)展識(shí)別研討，結(jié)果較好法國(guó)和日本的科學(xué)家們對(duì)食品新穎度的判別問(wèn)題，特別是肉類新穎度，進(jìn)展了積極探求用電子鼻技術(shù)可以很好地測(cè)定食品的氣味質(zhì)量，由此可判別食品新穎程度，并且能對(duì)食品腐爛的時(shí)間進(jìn)展估計(jì)(2) 環(huán)境監(jiān)測(cè)環(huán)境監(jiān)測(cè)主要是集中在對(duì)微量有害有毒氣體的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)上利用微型SnO2傳感器陣列對(duì)含有微量CO、CH4和乙

26、醇的空氣進(jìn)展了識(shí)別研討利用德國(guó)耶那環(huán)境傳感器技術(shù)股份消費(fèi)的GGS1000-GGS7000氣體傳感器對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量進(jìn)展監(jiān)測(cè)致癌物質(zhì)如苯和甲苯的監(jiān)測(cè)也引起了人們的高度注重(3) 醫(yī)學(xué)診斷早在1995年John slater等就利用電子鼻進(jìn)展了與腎有關(guān)的疾病的診斷研討目前電子鼻多用于糖尿病、與腎有關(guān)的疾病和一些細(xì)菌的類型和生長(zhǎng)階段的識(shí)別方面的診斷意大利科學(xué)家最近研制出一種電子鼻，它可嗅出人體各種疾病的氣味，是早期發(fā)現(xiàn)疾病的一種有力武器這種電子鼻不會(huì)受外部干擾，只需向其配備的氣球內(nèi)吹一口氣，電子鼻即可經(jīng)過(guò)生物傳感器捕捉到其中含有的各種氣味，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處置后構(gòu)成化學(xué)圖譜，協(xié)助醫(yī)生分析患者的安康情況這種電

27、子鼻還可以嗅到人體皮膚各種腺體發(fā)出的氣味，以及皮膚寄生蟲和細(xì)菌發(fā)出的氣味所以，對(duì)各種疾病都可以經(jīng)過(guò)氣味圖譜進(jìn)展診斷，它比如今的診斷方法簡(jiǎn)便得多(4) 香水消費(fèi)在設(shè)計(jì)香水的香味時(shí)，許多時(shí)候都是經(jīng)過(guò)人的鼻子來(lái)鑒定香味，但是人的嗅覺會(huì)受人的客觀意志影響，而且進(jìn)展香氣鑒定的人都要經(jīng)過(guò)嚴(yán)厲的訓(xùn)練才干具有這種才干，所以進(jìn)展這種鑒定公司要破費(fèi)很大的代價(jià)( 包括訓(xùn)練費(fèi)用和這些員工的工資)而運(yùn)用電子鼻得出的結(jié)果就會(huì)更加的客觀和準(zhǔn)確(5) 海關(guān)檢查在以往的海關(guān)檢查中，任務(wù)人員都會(huì)運(yùn)用警犬的嗅覺來(lái)檢查乘客的行李中能否有危險(xiǎn)品( 如炸藥) 和違禁品( 如毒品)，但是訓(xùn)練和豢養(yǎng)警犬需求破費(fèi)大量的資金和人力，并且警犬的嗅

28、覺受它本身的心情影響，假設(shè)采用電子鼻就可以更加準(zhǔn)確和客觀的得到檢查結(jié)果隨著資料學(xué)和制造工藝程度的不斷提高，經(jīng)過(guò)英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)等大學(xué)研討人員十幾二十年的努力，電子鼻曾經(jīng)到達(dá)了相當(dāng)程度41.2.2 國(guó)內(nèi)的開展概略相對(duì)而言，我國(guó)在電子鼻方面的研討起步較晚，主要研討單位有西安交通大學(xué)、中科院電子學(xué)研討所、中科院半導(dǎo)體所、復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系、浙江大學(xué)生物系、廈門大學(xué)化學(xué)系、解放軍防化研討院、西北工業(yè)大學(xué)等，大都還處在實(shí)驗(yàn)室階段，可喜的是，由王平教授擔(dān)任的浙江大學(xué)科研人員經(jīng)過(guò)十幾年研制勝利的“電子鼻肺癌診斷儀于2006年12月底經(jīng)過(guò)了浙江省科技成果鑒定研討成果到達(dá)國(guó)際領(lǐng)先程度測(cè)試者只需對(duì)著“電子鼻呼一口氣，

29、把氣體吹入“電子鼻的氣袋中，儀器就能基于對(duì)多種肺癌診斷的標(biāo)志性氣體，在30分鐘內(nèi)查出能否患有肺癌經(jīng)過(guò)在浙大醫(yī)學(xué)院附屬邵逸夫醫(yī)院的30例臨床測(cè)試，判別勝利率近80%101.2.3 存在的問(wèn)題現(xiàn)有的化學(xué)型氣敏傳感器如半導(dǎo)體型普通需求較高的任務(wù)溫度, 因此需求較大的加熱功耗假設(shè)采用多個(gè)氣敏傳感器組成傳感器陣列, 一個(gè)電子鼻系統(tǒng)的功耗將增大幾倍而系統(tǒng)普通要求運(yùn)用電池供電,這樣將大大減少系統(tǒng)的單次運(yùn)用時(shí)間, 添加電池的改換頻率,這顯然不利于傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)揚(yáng)作用傳統(tǒng)的混合氣體定量分析方法, 如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等, 通常要求訓(xùn)練樣本數(shù)足夠多以保證泛化精度, 在小樣本情況下, 很難獲得理想的訓(xùn)練效果和泛化性能而且由于

30、學(xué)習(xí)速率是固定的，所以收斂速度慢，從而能夠出現(xiàn)部分最小值；隱含層的數(shù)目和單元數(shù)的選擇尚無(wú)實(shí)際上的指點(diǎn)；網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)和記憶不穩(wěn)定假設(shè)添加了學(xué)習(xí)樣本，訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)就需求從頭開場(chǎng)重新訓(xùn)練，對(duì)以前的權(quán)值和閾值沒(méi)有記憶1.3 本課題研討內(nèi)容及意義本論文表達(dá)了整個(gè)電子鼻系統(tǒng)，對(duì)CH4、CO和H2三種不同濃度比的混合氣體進(jìn)展了定量分析系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為控制中心，3個(gè)基于金屬氧化物半導(dǎo)體SnO2的德國(guó)GGA系列傳感器構(gòu)成氣敏傳感器陣列，并設(shè)計(jì)了信號(hào)預(yù)處置電路等硬件電路部分；上位機(jī)軟件采用 VC+6.0開發(fā) ，利用混合編程技術(shù)，嵌入 Matlab 引擎，借助 Matlab的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱ANNTo

31、olbox函數(shù)實(shí)現(xiàn) BP 網(wǎng)絡(luò)方式識(shí)別算法電子鼻系統(tǒng)將氣敏傳感器陣列與方式識(shí)別技術(shù)相結(jié)合，可以很好地分析和辨識(shí)混合氣體的組份及其濃度系統(tǒng)還采用了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，有效地處理了傳統(tǒng)的單一氣體傳感器普遍存在的交叉敏感性問(wèn)題，有助于氣體檢測(cè)精度的提高電子鼻具有對(duì)未知?dú)怏w的學(xué)習(xí)功能，這大大提高了電子鼻的仿生功能，使電子鼻更像鼻子一樣可以聞到學(xué)習(xí)到更多的味道電子鼻在食品、醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)、能源、化工、交通、戰(zhàn)爭(zhēng)毒氣檢測(cè)和機(jī)器控制等行業(yè)和領(lǐng)域?qū)⒂兄鴱V泛的運(yùn)用價(jià)值1.4 本論文內(nèi)容安排第一章：從整體上引見電子鼻的產(chǎn)生、開展概略和趨勢(shì)第二章：詳細(xì)引見電子鼻的構(gòu)造組成和各部分的作用第三章：詳細(xì)描畫整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

32、第四章：詳細(xì)描畫整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)第五章：最后對(duì)本文內(nèi)容進(jìn)展全面總結(jié)，并提出了進(jìn)一步研討方向基于傳感器陣列的電子鼻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第2章 電子鼻系統(tǒng)綜述2.1 電子鼻組成及任務(wù)原理電子鼻根本構(gòu)造主要由三大部分構(gòu)成，分別是氣敏傳感器陣列、信號(hào)預(yù)處置單元和方式識(shí)別單元?dú)饷魝鞲衅麝嚵衅胀ㄓ删哂袕V譜呼應(yīng)特性、較大的交叉靈敏度并具有對(duì)不同氣體有不同靈敏度的氣敏元件構(gòu)成，抑制了單個(gè)傳感器存在交叉敏感的難題；氣敏傳感器陣列用來(lái)感應(yīng)氣體中的化學(xué)成分，把氣敏元件對(duì)氣體或氣味的呼應(yīng)轉(zhuǎn)化為可以丈量的變化的電壓信號(hào)信號(hào)預(yù)處置單元對(duì)氣敏傳感器的呼應(yīng)輸出信號(hào)進(jìn)展預(yù)處置，完成濾波和特征提取等義務(wù)方式識(shí)別單元相當(dāng)于生物的神經(jīng)中樞系

33、統(tǒng)，對(duì)信號(hào)預(yù)處置單元所輸出進(jìn)來(lái)的信號(hào)做進(jìn)一步的處置，完成對(duì)氣體成分定性或定量分析混合氣體傳感器1傳感器2傳感器3傳感器n傳感器信號(hào)預(yù)處置傳感器信號(hào)預(yù)處置傳感器信號(hào)預(yù)處置傳感器信號(hào)預(yù)處置陣列信號(hào)預(yù)處置方式識(shí)別引擎模擬信號(hào)傳感數(shù)字信號(hào)處置知識(shí)庫(kù)訓(xùn)練測(cè)試輸出預(yù)測(cè)氣味表達(dá)圖2-1 電子鼻構(gòu)造表示圖某種氣味呈如今一種活性資料的傳感器面前，傳感器將化學(xué)變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由多個(gè)傳感器對(duì)一種氣味的呼應(yīng)便構(gòu)成了傳感器陣列對(duì)該氣味的呼應(yīng)譜顯然，氣味中的各種化學(xué)成分均會(huì)與敏感資料發(fā)生作用，所以這種呼應(yīng)譜為該氣味的廣譜呼應(yīng)譜為實(shí)現(xiàn)對(duì)氣味的定性或定量分析，必需將傳感器的信號(hào)進(jìn)展適當(dāng)?shù)念A(yù)處置消除噪聲、特征提取、信號(hào)放大等

34、后，再采用適宜的方式識(shí)別方法對(duì)其進(jìn)展處置實(shí)際上，每種氣味都有它的特征呼應(yīng)譜，根據(jù)其特征呼應(yīng)譜可區(qū)分不同的氣味同時(shí)還可利用氣體傳感器構(gòu)成陣列對(duì)多種氣體的交叉敏感性進(jìn)展丈量，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)姆治龇椒ǎ瑢?shí)現(xiàn)混合氣體的分析被測(cè)氣體傳感器陣列信號(hào)預(yù)處置單元方式識(shí)別識(shí)別結(jié)果圖2-2 電子鼻原理框圖2.2 氣敏傳感器2.2.1 氣敏傳感器主要特性氣敏傳感器是一種把氣體(多為空氣)中特定成分檢測(cè)出來(lái)，并將其轉(zhuǎn)換成適當(dāng)電信號(hào)的器件氣敏傳感器是氣體檢測(cè)系統(tǒng)的中心,通常安裝在探測(cè)頭內(nèi)從本質(zhì)上講, 氣敏傳感器是一種將某種氣體濃度轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)電信號(hào)的轉(zhuǎn)換器它是電子鼻系統(tǒng)重要的硬件根底,其性能的優(yōu)劣直接影響著電子鼻系統(tǒng)的識(shí)別精度

35、電子鼻系統(tǒng)不要求傳感器具有高度的選擇性,而是要求傳感器具有廣譜的呼應(yīng)性,即對(duì)多種氣體成分敏感,以擴(kuò)展系統(tǒng)的運(yùn)用范圍對(duì)于氣敏傳感器的主要性能特性,我們主要從以下幾方面來(lái)研討：(1) 穩(wěn)定性穩(wěn)定性是指?jìng)鞲衅髟谡麄€(gè)任務(wù)時(shí)間內(nèi)根本呼應(yīng)的穩(wěn)定性它由零點(diǎn)漂移和區(qū)間漂移調(diào)查零點(diǎn)漂移是指在沒(méi)有目的氣體時(shí)在整個(gè)任務(wù)時(shí)間內(nèi)傳感器對(duì)根本線性條件的呼應(yīng)的變化，理想情況下，一個(gè)傳感器可以在延續(xù)任務(wù)情況下每年零點(diǎn)漂移小于10%區(qū)間漂移是指?jìng)鞲衅餮永m(xù)置于目的氣體中的呼應(yīng)變化，它表現(xiàn)為傳感器輸出在任務(wù)時(shí)間內(nèi)的降低一個(gè)傳感器可以在延續(xù)任務(wù)情況下每年區(qū)間漂移小于10%(2) 靈敏度靈敏度是指?jìng)鞲衅鞯妮敵鲈隽颗c被測(cè)輸入量之比，主要

36、依賴于傳感器構(gòu)造所運(yùn)用的技術(shù)大多數(shù)氣體傳感器的設(shè)計(jì)原理都采用四種測(cè)定原理之一，即生物化學(xué)、電化學(xué)、物理、光學(xué)在設(shè)計(jì)之初首先要思索的是選擇一種敏感技術(shù)，它對(duì)目的氣體的閥限值(TOthresh一oldlimitvalue)或最低爆炸限(LELlowerexplosivelimit)的百分比的檢測(cè)要有足夠的靈敏性(3) 選擇性選擇性也被稱為交叉靈敏度它可以經(jīng)過(guò)丈量由某一濃度的干擾氣體所產(chǎn)生的傳感器呼應(yīng)來(lái)確定，這個(gè)呼應(yīng)等價(jià)于一定濃度的目的氣體所消費(fèi)的傳感器呼應(yīng)這種特性在工業(yè)加工領(lǐng)域追蹤多種氣體的運(yùn)用中是非常重要的，由于交叉靈敏度會(huì)降低丈量的反復(fù)性和可靠性，理想傳感器應(yīng)具有高靈敏度和高的選擇性(4) 抗

37、腐蝕性抗腐蝕性是指?jìng)鞲衅鞅┞队诟邼舛饶康臍怏w中的才干在氣體大量走漏時(shí)，探測(cè)器應(yīng)可以接受期望氣體濃度10-20倍，在前往正常任務(wù)條件時(shí)，傳感器漂移和零點(diǎn)校正值應(yīng)盡能夠小另外，從經(jīng)濟(jì)方面思索,傳感器還應(yīng)具備以下條件：(1) 低本錢；(2) 長(zhǎng)壽命；(3) 易于標(biāo)定和維護(hù)；(4) 無(wú)需復(fù)雜的外圍設(shè)備；(5) 所產(chǎn)生的電子信號(hào)不需求由復(fù)雜的電子電路來(lái)處置氣敏傳感器的最根本特征,即靈敏度、選擇性及穩(wěn)定性等主要經(jīng)過(guò)資料選擇確定,目前運(yùn)用的氣敏資料主要有陶瓷氣敏資料和高分子氣敏資料兩大類選擇適當(dāng)?shù)馁Y料以及開發(fā)新資料和使敏感特性最優(yōu)化也是氣體傳感器的開展方向之一2.2.2 氣敏傳感器根本分類在傳感器的研討開發(fā)

38、活動(dòng)中，氣敏傳感器是最為活潑的，由于氣敏傳感器與人類的生活、消費(fèi)活動(dòng)關(guān)系最為親密,適宜于組成陣列的氣敏傳感器有：(1) 金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏傳感器由金屬氧化物如SnO2、ZnO、Fe2O3、TiO2、WO等作為半導(dǎo)體氣敏元件制造的氣敏傳感器，是目前世界上消費(fèi)和運(yùn)用最多的一類氣敏傳感器，它是利用氣體與半導(dǎo)體接觸引起半導(dǎo)體性質(zhì)(如電阻)發(fā)生變化而丈量氣體的它對(duì)氣體和氣味(尤其是可燃性氣體和某些有毒氣體)具有較高的靈敏度，具有制造簡(jiǎn)單、本錢低廉、呼應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，但存在對(duì)氣體和氣味選擇性差、元件參數(shù)分散、運(yùn)用時(shí)要加熱等缺陷經(jīng)過(guò)在半導(dǎo)體內(nèi)參與少量的Pt，Pb，Au等貴金屬催化劑,改善制造工藝、改動(dòng)任務(wù)

39、溫度可以在一定程度上提高靈敏度和選擇性(2) 有機(jī)半導(dǎo)體氣敏傳感器利用有機(jī)資料如酞化控制造氣體傳感器已有很長(zhǎng)一段時(shí)間，電子鼻中運(yùn)用有機(jī)資料傳感器有以下潛在優(yōu)點(diǎn)：資料的選擇范圍廣的多，而且與不同種類氣味分子起作用的重要官能團(tuán)可以嵌入活性資料，導(dǎo)電聚合物(如聚毗咯和聚苯胺)和生物脂涂層就是兩個(gè)主要的例子這些傳感器可以在接近室溫的條件下任務(wù)(3) 固體電解質(zhì)氣敏傳感器這是產(chǎn)量?jī)H次于金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏傳感器的一類氣敏元件它以離子占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的固體電解質(zhì)為原料，制成各種構(gòu)造的電化學(xué)電池,如由穩(wěn)定氧化鉆等固體電解質(zhì)和鐵電極構(gòu)成電化學(xué)電池，可以裝在各種窯爐的煙囪里丈量氧的濃度，用以分析和改善窯爐熄滅情況，這

40、種傳感器叫Lambda傳感器，是最早的固體電解質(zhì)傳感器(4) 質(zhì)量型氣敏傳感器振蕩電路中的石英壓電晶體是靈敏的質(zhì)量檢測(cè)器假設(shè)石英壓電晶體的外表涂上可逆的氣味/氣體吸附資料，就可以得到簡(jiǎn)單的氣味/氣體檢測(cè)器，吸附的氣體分子添加了石英的質(zhì)量,從而降低了振蕩頻率因此振蕩頻率的變化是特定氣味/氣體濃度的線性函數(shù)但這種氣敏傳感器測(cè)試范圍小，受環(huán)境要素影響較大另一種質(zhì)量型氣敏傳感器是聲外表波器件，它丈量的是氣味/氣體吸附膜中建立起來(lái)的繼續(xù)波的擾動(dòng)，具有靈敏度高、信號(hào)易于處置、功耗低等優(yōu)點(diǎn)(5) LB膜氣敏傳感器L-B技術(shù)是一種有機(jī)高分子單分子膜堆積技術(shù)，即在水氣界面上將分子加以嚴(yán)密陳列，然后轉(zhuǎn)移到固體載體

41、上的技術(shù)LB膜極薄，用它作為傳感器的基質(zhì)，加上識(shí)別系統(tǒng)，可研制出相應(yīng)速度快、靈敏度高、性能優(yōu)良的氣體傳感器這種傳感器可在常溫下運(yùn)用，并能與平面硅微技術(shù)兼容，易于實(shí)現(xiàn)小型化、集成化隨著新資料技術(shù)和傳感器技術(shù)的的開展，將會(huì)不斷地有新的性能更優(yōu)良的氣敏傳感器被研制出來(lái)2.2.3 氣敏傳感器陣列該氣敏傳感器陣列采用濺射工藝及混合薄膜技術(shù)制造，由集成在純度較高的Al2O3基底上的三個(gè)單一氣敏傳感器和兩個(gè)用于保證傳感器任務(wù)溫度的加熱器構(gòu)成，尺度為5mm*5mm*0.5mm,氣體傳感器為基于SnO2的金屬半導(dǎo)體敏感層，敏感機(jī)理為被檢測(cè)氣體吸附呵斥的半導(dǎo)體敏感層電導(dǎo)率的變化，制造過(guò)程中摻雜不同的添加劑可以使傳

42、感器對(duì)不同的氣體敏感性加強(qiáng)，加熱器和電極由鉑層組成，同時(shí)，加熱器也可分別作為溫度傳感器運(yùn)用，每一個(gè)傳感器陣列的輸出信號(hào)都是一個(gè)三維向量，該構(gòu)造用于氣體丈量分析，不但節(jié)約了用于丈量的傳感器的個(gè)數(shù)，降低了本錢，更重要的是降低了信號(hào)預(yù)處置電路的復(fù)雜程度，而且多維向量輸出，便于后面的數(shù)據(jù)處置2.3 信號(hào)預(yù)處置方法信號(hào)預(yù)處置在一定程度上對(duì)應(yīng)于生物鼻的嗅泡它對(duì)傳感器或陣列的呼應(yīng)方式進(jìn)展預(yù)加工，其作用是對(duì)傳感器陣列輸出的信號(hào)進(jìn)展濾波、交換和特征提取，其中最重要的就是對(duì)信號(hào)的特征提取，不同的信號(hào)處置方法也正是按特征提取方法的不同來(lái)區(qū)分的目前，常用的特征提取方法模型有；相對(duì)法、差分法、對(duì)數(shù)法和歸一法等，如表2-

43、1所示這些方法既可以處置信號(hào)，為方式識(shí)別做好數(shù)據(jù)預(yù)備，也可以利用傳感器信號(hào)中的瞬態(tài)信息檢測(cè)、校正傳感器陣列大量實(shí)驗(yàn)闡明，相對(duì)差分法和分?jǐn)?shù)差分法有助于補(bǔ)償傳感器的溫度敏感性；部分差分方式除了可以補(bǔ)償敏感性外，還能使傳感器電阻與濃度參數(shù)的關(guān)系線性化；對(duì)數(shù)法可以使高度非線性的濃度依賴關(guān)系線性化；歸一法那么不僅可以減小化學(xué)計(jì)量分類器的計(jì)量誤差，還可以為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器的輸入預(yù)備適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)不同的信號(hào)處置子系統(tǒng)往往與某個(gè)方式識(shí)別子系統(tǒng)相結(jié)合一同，將其設(shè)計(jì)成一套軟件系統(tǒng)的兩個(gè)過(guò)程，這樣可以方便數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并保證方式識(shí)別過(guò)程的準(zhǔn)確性表2-1 部分傳感器信號(hào)預(yù)處置方法算法公式傳感器類型差分金屬氧化物化學(xué)電阻型聲外

44、表波型相對(duì)差分金屬氧化物化學(xué)電阻型聲外表波型分?jǐn)?shù)差分金屬氧化物化學(xué)電阻型導(dǎo)電聚合物型對(duì)數(shù)金屬氧化物化學(xué)電阻型傳感器歸一化金屬氧化物化學(xué)電阻型壓電晶體型平方歸一化金屬氧化物化學(xué)電阻型壓電晶體型導(dǎo)電聚合物型實(shí)驗(yàn)證明，利用適當(dāng)?shù)念A(yù)處置方式對(duì)采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)展處置，一方面可以使傳感器呼應(yīng)曲線更平滑，另一方面可以消除環(huán)境要素對(duì)氣體傳感器的影響，將測(cè)試值中的環(huán)境要素去掉，對(duì)基線進(jìn)展校正并去掉，只保管待測(cè)氣體的呼應(yīng)值，可提高電子鼻測(cè)試的精度和可反復(fù)性總之，信號(hào)預(yù)處置可以實(shí)現(xiàn)以下主要功能：(1) 濾除氣體采集過(guò)程中引入的噪聲和干擾，提高信噪比；(2) 消除信號(hào)的失真，人為加強(qiáng)有用信號(hào)；(3) 為后續(xù)處置信號(hào)進(jìn)展

45、適當(dāng)變換2.4 方式識(shí)別方法2.4.1 方式識(shí)別概念方式識(shí)別對(duì)應(yīng)于生物大腦的嗅覺中樞采用一定的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)氣敏傳感器陣列數(shù)據(jù)的整合處置，能從整體上對(duì)丈量的氣味給出識(shí)別的結(jié)果，可以是定性的，也可以是定量的結(jié)果從廣義上來(lái)說(shuō)，方式是一些供模擬用的完美無(wú)缺的標(biāo)本，方式識(shí)別就是識(shí)別出特定客體所模擬的標(biāo)本詳細(xì)來(lái)說(shuō)，方式識(shí)別就是試圖確定一個(gè)樣本的類別屬性，即把某一樣本歸屬于多個(gè)類型中的某一類從狹義上來(lái)說(shuō)，方式就是某些詳細(xì)的研討對(duì)象定量的或構(gòu)造的描畫，描畫類別就是具有某些共同特征的描畫的集合也就是說(shuō)，方式識(shí)別就是把待識(shí)別的特征與知的方式類別比較，從而確定物體類別歸屬的一個(gè)過(guò)程就電子鼻系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，方式識(shí)別是對(duì)傳感

46、器陣列的輸出信號(hào)進(jìn)展適當(dāng)?shù)奶幹?，以獲得混合氣體的組分信息和濃度信息2.4.2 方式識(shí)別組成及各單元作用方式采集預(yù)處置特征提取方式分類被識(shí)別對(duì)象圖2-3 方式識(shí)別組成(1) 方式采集單元；任何一種方式識(shí)別方法都要首先經(jīng)過(guò)傳感器把被研討對(duì)象的各種物理變量轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以接受的數(shù)值或符號(hào)(串)集合(2) 預(yù)處置單元；為了從這些數(shù)字或符號(hào)(串)中抽取出對(duì)識(shí)別有效的信息，必需對(duì)它進(jìn)展處置，其中包括消除噪聲，排除不相關(guān)的信號(hào)以及與對(duì)象的性質(zhì)和采用的識(shí)別方法親密相關(guān)的特征計(jì)算(如表征物體的外形、周長(zhǎng)、面積等)以及必要的變換(如為得到信號(hào)功率譜所進(jìn)展的快速傅立葉變換)等(3) 特征提取單元；經(jīng)過(guò)特征選擇和提取

47、構(gòu)成方式的特征空間，為以后的方式分類打下根底經(jīng)過(guò)特征提取不僅可以減少運(yùn)算量還可以提高分類的準(zhǔn)確率(4) 方式分類；將特征空間劃分為類型空間2.4.3 方式識(shí)別方法常用的方式識(shí)別方法有統(tǒng)計(jì)方式識(shí)別的方法(包括主成分分析、聚類分析等)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法(包括BP網(wǎng)絡(luò)、Kohonen網(wǎng)絡(luò))等(1) 主成分分析法PCA , principal component analysis主成分分析法是一種古老的統(tǒng)計(jì)分析算法，是有導(dǎo)師監(jiān)視的線性分類技術(shù)其原理是：首先經(jīng)過(guò)線性變換將原始數(shù)據(jù)(矩陣)轉(zhuǎn)換成假設(shè)干個(gè)向量，要求它們之間相互正交，且第一個(gè)向量能反映方式間自變量的最大差別，其它向量所反映的這種差別程度依次

48、降低，稱這些向量為主成分按照一定的法那么選擇部分特征向量構(gòu)成新的數(shù)據(jù)映射空間坐標(biāo)軸，以實(shí)現(xiàn)降維，產(chǎn)生新的“綜合變量，將多維空間的信息在低維空間(通常是二維)表現(xiàn)出來(lái)，可用于尋覓最重要的變量和樣本分類主成分分析法可最大限制地堅(jiān)持原有丈量數(shù)據(jù)集的信息，但降維后保管下來(lái)的信息卻不一定對(duì)分類最有用(2) 偏最小二乘法PLS, partial least square method也是一種線性方法，這種方法可以消除變量之間相關(guān)性的干擾問(wèn)題，還可以最大程度地減弱系統(tǒng)噪聲，使建立的模型預(yù)告準(zhǔn)確度更高對(duì)于用選擇性較差的傳感器組成的陣列，各個(gè)傳感器呼應(yīng)的相關(guān)性較大，用這種方法處置比較適宜但處置強(qiáng)非線性問(wèn)題時(shí)必需

49、謹(jǐn)慎運(yùn)用，或者把非線性問(wèn)題線性合后再用此法(3) 聚類分析法CA, cluster analysis聚類分析法是一種無(wú)導(dǎo)師監(jiān)視的方式分類技術(shù)，可以把事先不能確定的不同種類或級(jí)別的對(duì)象加以正確分類或分級(jí)根本思想是：把要?dú)w類的幾個(gè)變量各自看成一類，共n類，然后按事先規(guī)定好的方法計(jì)算各類之間的歸類指數(shù)如某種相關(guān)系數(shù)或間隔 ，根據(jù)指數(shù)大小衡量?jī)蓛芍g的親密程度，將關(guān)系最親密的兩類并成一類，其他不變，得n-1類在此根底上重新計(jì)算各類之間的歸類指數(shù)，進(jìn)展合并得n-2類如此下去，直到最后與統(tǒng)計(jì)方式識(shí)別相比，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)是一種模擬人類大腦思想的仿生算法，具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：(1) 既可模擬人的邏輯思想

50、又可模擬人的籠統(tǒng)思想，是典型的非參數(shù)數(shù)據(jù)處置方法；(2) 很強(qiáng)的順應(yīng)才干神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)能自動(dòng)掌握和發(fā)掘隱藏在事物內(nèi)部的、不能用明確數(shù)學(xué)表達(dá)式表示的“灰箱或“黑箱關(guān)系，非常適于處置非線性數(shù)據(jù)；(3) 網(wǎng)絡(luò)被訓(xùn)練好后具有快速操作性能；(4) 良好的容錯(cuò)性，能容忍傳感器10%的漂移和噪聲因此在電子鼻系統(tǒng)中成為一種重要的數(shù)據(jù)處置方法，具有廣泛的運(yùn)用前景神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型很多，根據(jù)神經(jīng)元的銜接方式可分為三大類：沒(méi)有反響的前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)feedforward neural networks、反響神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)feedback neural networks和自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)self-organizing neural

51、networks按學(xué)習(xí)方式可分為有導(dǎo)師的、無(wú)導(dǎo)師的和固定權(quán)重三種類型(4) BP網(wǎng)絡(luò)BP 網(wǎng)絡(luò)是最常見的一種前向型有監(jiān)視的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，由輸入層、隱含層和輸出層構(gòu)成，是 80 年代由 Rumelhart 和 McCelland 及其研討小組提出的最有影響的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法誤差反向傳播error back propagation,BP算法，是目前運(yùn)用最廣泛的一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)但也有如下缺陷：由于學(xué)習(xí)速率是固定的，所以收斂速度慢；(1) 能夠出現(xiàn)部分最小值；(2) 隱含層的數(shù)目和單元數(shù)的選擇尚無(wú)實(shí)際上的指點(diǎn)；(3) 網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)和記憶不穩(wěn)定假設(shè)添加了學(xué)習(xí)樣本，訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)就需求從頭開場(chǎng)重新訓(xùn)練，對(duì)以前的權(quán)值和

52、閾值沒(méi)有記憶為此，又提出了一些性能更優(yōu)良的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)具有最正確逼近、可以較好抑制部分最優(yōu)問(wèn)題的才干，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的識(shí)別性能而到進(jìn)一步改善(5) 自組織特征映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)Kohonen網(wǎng)絡(luò)是一種基于無(wú)監(jiān)視學(xué)習(xí)方法的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，和BP網(wǎng)絡(luò)相比，只需輸入層和輸出層兩層輸出層通常由二維平面神經(jīng)元組成，訓(xùn)練或?qū)W習(xí)的結(jié)果是輸出層某一神經(jīng)元及周圍神經(jīng)元對(duì)某一輸入顯示出不同程度的興奮，而其他的神經(jīng)元遭到抑制，具有和人腦信息映射相類似的特點(diǎn)，更接近人腦的認(rèn)知過(guò)程還有其它一些算法如模糊方式識(shí)別法和遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等用于電子鼻中102.5 本章小結(jié)本章首先從構(gòu)造上對(duì)電子鼻的組成作了整體引見其次，

53、分別就電子鼻的幾個(gè)重要組成部分：氣敏傳感器及陣列、信號(hào)預(yù)處置和方式識(shí)別作了較為詳盡的引見江南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文基于傳感器陣列的電子鼻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第3章 電子鼻系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案該系統(tǒng)由STC89C52單片機(jī)、氣敏傳感器陣列、信號(hào)預(yù)處置電路、串行通訊模塊等幾部分組成，系統(tǒng)原理框圖如圖3-1所示系統(tǒng)先將維護(hù)氣、氫氣、甲烷、一氧化碳混合氣體充進(jìn)容器，三種氣體經(jīng)過(guò)傳感器陣列作用，每個(gè)傳感器會(huì)產(chǎn)生電流信號(hào)信號(hào)在經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換和放大等處置，再經(jīng)過(guò)RS232串行通訊模塊將數(shù)據(jù)傳至電腦再經(jīng)由程序算法定量的分析出每種氣體的濃度，并與實(shí)際值比較，分析誤差最后將得到的數(shù)據(jù)用MATLAB圖像顯示出來(lái)整個(gè)系統(tǒng)

54、原理圖見附錄單片機(jī)STC89C52電源電路RS232串行通訊模塊PC機(jī)氣敏傳感器陣列預(yù)處置模塊氣敏傳感器自動(dòng)溫控模塊氣敏傳感器信號(hào)拾取電路氣敏傳感器陣列信號(hào)預(yù)處置圖3-1 基于集成氣體傳感器陣列的氣體識(shí)別硬件系統(tǒng)原理框圖3.2 單片機(jī)模塊引見3.2.1 STC89C52簡(jiǎn)介STC89C52是STC公司消費(fèi)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器STC89C52運(yùn)用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但做了很多的改良使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能在單芯片上，擁有乖巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制運(yùn)用系統(tǒng)提供高靈

55、敏、超有效的處理方案圖3-2 STC89C52單片機(jī)3.2.2 電源電路由于整個(gè)系統(tǒng)是在5V電壓環(huán)境下任務(wù)的，所以需求設(shè)計(jì)一個(gè)5V輸出的電源模塊如圖3-3所示，市電220V電壓首先經(jīng)過(guò)一個(gè)變壓器使電壓降到12V左右的交流電壓，然后經(jīng)由二極管組成的整流電路處置后，變成直流電壓最后在經(jīng)過(guò)三端穩(wěn)壓器就可以輸出一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓了圖中穩(wěn)壓器輸入和輸出端的電容起到濾波的作用，使輸入和輸出的電壓更加穩(wěn)定由于我們要得到一個(gè)5V的直流電壓，所以穩(wěn)壓器的型號(hào)選擇7805圖3-3 電源電路原理圖3.2.3 時(shí)鐘振蕩電路時(shí)鐘電路是用于產(chǎn)生單片機(jī)任務(wù)時(shí)所必需的時(shí)鐘信號(hào)時(shí)鐘是單片機(jī)的心臟，時(shí)鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，

56、時(shí)鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性電路中的電容C2、C3典型值為3010 pF外接電容的值雖然沒(méi)有嚴(yán)厲的要求，但是電容的大小會(huì)影響振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性，本設(shè)計(jì)采用的是22pF電容同時(shí)，在系統(tǒng)中采12MHz的晶體振蕩器來(lái)產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖時(shí)鐘電路原理圖，如圖3-4所示圖3-4 時(shí)鐘振蕩電路原理圖3.3 氣敏傳感器陣列的選擇與設(shè)計(jì)在整個(gè)系統(tǒng)中，傳感器是采集氣體種類及濃度信息的主要器件，是整個(gè)系統(tǒng)的中心之一；傳感器陣列是電子鼻系統(tǒng)的關(guān)鍵，陣列的性能直接決議系統(tǒng)的識(shí)別才干、識(shí)別范圍和運(yùn)用壽命等，因此需求在如何構(gòu)成陣列以提高電子鼻系統(tǒng)的性能方面展開廣泛的研討傳感器陣列的參數(shù)選擇主要是：傳感器類

57、型、陣列規(guī)模及其選擇性、穩(wěn)定性、噪聲程度等3.3.1 氣敏傳感器的選取在實(shí)驗(yàn)中，傳感器陣列普通是由多個(gè)分立元件構(gòu)成，因此選擇適宜的傳感器組合對(duì)整個(gè)系統(tǒng)性能的提高至關(guān)重要傳感器的選擇原那么為：(1) 對(duì)多種氣體都要有呼應(yīng)，且對(duì)所要檢測(cè)的目的氣體至少有一種氣體為傳感器的主要成分氣體；(2) 具有呼應(yīng)廣泛的特性，但對(duì)于不同種類的氣體，呼應(yīng)程度不同；器件的呼應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間要盡量的短，這樣有利于縮短整個(gè)實(shí)驗(yàn)及測(cè)試過(guò)程；(3) 檢測(cè)過(guò)程要是可逆的，器件性能穩(wěn)定，任務(wù)可靠，反復(fù)性好，但思索到有時(shí)需求改換傳感器，所以更加要求傳感器的一致性這樣，氣體傳感器陣列中的各個(gè)傳感器對(duì)氣味的呼應(yīng)，既有區(qū)別又有聯(lián)絡(luò)，具有

58、一定的相關(guān)性；并且，氣體傳感器陣列的輸出結(jié)果也更能比較全面地反映出氣味的化學(xué)組成，使得人工嗅覺系統(tǒng)對(duì)物質(zhì)量量的評(píng)定或鑒別結(jié)果更加可信最早運(yùn)用于氣敏傳感器陣列的采集單元是以SnO2為主體資料的燒結(jié)型元件，如今幾乎一切的氣體傳感器均被用來(lái)構(gòu)建傳感器陣列實(shí)驗(yàn)中我們采取的檢測(cè)元件也是以SnO2為主體資料的器件，故傳感器選用SnO2半導(dǎo)體氣敏傳感器SnO2型半導(dǎo)體氣體傳感器的任務(wù)原理：傳感器外表的半導(dǎo)體資料在吸附氣體后，半導(dǎo)體外表的能態(tài)及其占有情況發(fā)生改動(dòng)而導(dǎo)致資料的電導(dǎo)率發(fā)生變化，從而引起傳感器輸出電壓的改動(dòng)目前，SnO2型氣體傳感器是世界上運(yùn)用最為廣泛，消費(fèi)量最大的氣敏傳感器，和其它氣敏傳感器相比，

59、具有以下特點(diǎn)：(1) 氣敏傳感器的阻值與被測(cè)氣體的濃度呈指數(shù)變化關(guān)系，因此具有較高的靈敏度，所以這種類型的氣敏傳感器適用于低濃度氣體的丈量；(2) SnO2型氣敏傳感器對(duì)氣體的檢測(cè)是可逆的，且吸附和脫附時(shí)間短，可以延續(xù)運(yùn)用；(3) SnO2資料的物理和化學(xué)穩(wěn)定性好，壽命長(zhǎng)，耐腐蝕性強(qiáng)；(4) SnO2型氣敏傳感器構(gòu)造簡(jiǎn)單，本錢低，而且可靠性高；(5) 對(duì)氣體的檢測(cè)不需求復(fù)雜的處置設(shè)備，經(jīng)過(guò)傳感器的阻值變化直接將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，而且其電阻率變化大，信號(hào)處置不需求放大電路就可以實(shí)現(xiàn)13氣敏傳感器陣列采用德國(guó)的GGA系列該氣敏傳感器陣列由集成在Al2O3基底上的三個(gè)單一氣體傳感器和兩個(gè)用于保證傳感器

60、任務(wù)溫度的加熱器構(gòu)成，氣體傳感器為基于SnO2的金屬半導(dǎo)體敏感層, 敏感機(jī)理為被檢測(cè)氣體吸附呵斥的半導(dǎo)體敏感層電導(dǎo)率的變化加熱器及電極由鉑層組成, 同時(shí), 加熱器也可分別作為溫度傳感器運(yùn)用3.3.2 氣敏傳感器陣列設(shè)計(jì)GGA系列由以下7類單一氣敏傳感器中的3者進(jìn)展組合而成；GGA1000：可用于氣體走漏監(jiān)測(cè), 對(duì)甲烷高度敏感；GGA2000：對(duì)一氧化碳和酒精敏感, 對(duì)甲烷和氫氣交叉敏感性??；GGA3000：碳?xì)浠衔镉绕涫翘荚訑?shù)為1到8(18) 的碳?xì)浠衔餀z測(cè)的理想選擇；GGA4000：對(duì)氨氣非常敏感, 即使在高濃度氨氣條件下也有穩(wěn)定輸出, 同時(shí)對(duì)濕度敏感；GGA5000：對(duì)臭氧、氧化氮非