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1、编号本科生毕业设计（论文）题目： 基于传感器阵列的电子鼻 系统的设计 物联网工程 学院 电子信息工程专业学 号 学生姓名 指导教师 二一三年六月摘 要电子鼻系统是模仿生物嗅觉系的一种通过使用电学来分析和识别混合气体的一种电子设备利用单一气敏传感器对气体响应的非专一性和对特定气体的择优响应特性,根据实际应用, 将多个单一气敏元件优化组合来构成气敏传感器阵列,气体被吸入气室腔内，被传感器阵列感应到利用阵列的多维空间气体响应模式，传感器将感应的信号转化成电信号，通过信号处理后，送到模式识别系统进行模式识别，并将识别结果输出显示，从而对气体进行定性定量识别本论文叙述了整个电子鼻系统，对CH4、CO和H
2、2三种不同浓度比的混合气体进行了定量分析系统以STC89C52单片机为控制核心，3个基于金属氧化物半导体SnO2的德国GGA系列传感器构成气敏传感器阵列，并设计了信号预处理电路等硬件电路部分；上位机软件采用 VC+6.0开发 ，利用混合编程技术，嵌入 Matlab 引擎，借助 Matlab的人工神经网络工具箱（ANNToolbox）函数实现 BP 网络模式识别算法电子鼻系统将气敏传感器阵列与模式识别技术相结合，能够很好地分析和辨识混合气体的组份及其浓度系统还采用了人工神经网络法，有效地解决了传统的单一气体传感器普遍存在的交叉敏感性问题，有助于气体检测精度的提高关键词：电子鼻；气体传感器阵列；信
3、号预处理；BP网络目录ABSTRACTElectronic 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 characteristics of gas, according to the actual
4、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 induction signal into the electrical signa
5、l, 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 of mixed gases of different conce
6、ntration 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 programming technology, embedded Matlab eng
7、ine, 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 composition and concentration well. The sy
8、stem 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 networkII目 录第1章 绪论11.1 引言11.2 电子鼻系统的发展概况及存在问题1
9、1.2.1 国外的发展概况11.2.2 国内的发展概况31.2.3 存在的问题31.3 本课题研究内容及意义31.4 本论文内容安排4第2章 电子鼻系统综述52.1 电子鼻组成及工作原理52.2 气敏传感器62.2.1 气敏传感器主要特性62.2.2 气敏传感器基本分类72.2.3 气敏传感器阵列82.3 信号预处理方法82.4 模式识别方法92.4.1 模式识别概念92.4.2 模式识别组成及各单元作用92.4.3 模式识别方法92.5 本章小结11第3章 电子鼻系统硬件设计133.1 系统设计方案133.2 单片机模块介绍133.2.1 STC89C52简介133.2.2 电源电路143.
10、2.3 时钟振荡电路143.3 气敏传感器阵列的选择与设计153.3.1 气敏传感器的选取153.3.2 气敏传感器阵列设计163.3.3 传感器阵列加热电路17ii3.4 信号预处理电路183.4.1 放大电路183.4.2 A/D转换电路183.5 串行通信模块介绍19第4章 电子鼻系统软件设计214.1 概述214.2 单片机软件设计214.3 上位机软件设计234.4 BP网络244.4.1 概述244.4.2 基本BP算法254.5 实验及结果分析264.5.1 实验流程264.5.2 数据归一化处理274.5.3 实验结果27第5章 结论与展望335.1 结论335.2 不足之处及
11、未来展望33参考文献34致 谢35附录：系统原理图363535基于传感器阵列的电子鼻系统的设计第1章 绪论1.1 引言 气体检测在环境检测、食品工业、化学工业等领域有着重要的意义以人类自身来说，日常生活和工作就与周围的大气环境息息相关，大气的变化对人类有着极大的影响：空气中缺氧会使人感到呼吸困难甚至窒息；空气中含有有毒气体则会给人类带来更大的伤害室内环境的污染也严重影响人们的身体健康，近年来由于房屋装修中的甲醛超标问题更是引起人们的普遍关注，而家用可燃气的泄漏会引起人体中毒，甚至引发爆炸和火灾，使人们的生命财产受到巨大的损失随着现代工业的不断发展，生产中使用气体原料和生产过程中产生的气体种类和
12、数量也不断提高，这些气体有些是易燃易爆的，有些是有毒的，它们泄漏到空气中就会严重污染环境，尤其是煤炭、化工、汽车等工业的高速发展使大气污染日趋严重煤矿开采中引起的瓦斯爆炸造成人员伤亡，酸雨、温室效应、臭氧层的破坏等造成的环境问题是现代社会的一系列等待解决的问题因此，对人类生存和生产环境中的各种气体进行准确的分析检测，以监测控制气体排放，能对促进社会的健康和谐发展起到重要的作用电子鼻系统是模仿生物嗅觉系的一种通过使用电学来分析和识别混合气体的一种电子设备气体被吸入气室腔内，被传感器阵列感应到传感器将感应的信号转化成电信号，通过信号处理后，送到模式识别系统进行模式识别，并将识别结果输出显示电子鼻的
13、传感器阵列相当于生物嗅觉系统的嗅上皮，信号处理相当于嗅神经，而模式识别系统则相当于大脑皮层的神经系统电子鼻不仅在传导结构上与生物嗅觉系统相类似，在气体识别功能上也很相似电子鼻可以同时对多种气体进行检测，而且电子鼻具有对未知气体的学习功能，这大大提高了电子鼻的仿生功能，使电子鼻更像鼻子一样能够闻到学习到更多的味道电子鼻具有便携及实时、在线、原位分析等特点, 可用于气味鉴别、复杂环境下气体浓度鉴别和可燃气体、有机挥发物或有毒气体的鉴别, 具有广泛的应用前景, 是目前气体传感器研究的热点之一电子鼻的应用前景是令人振奋的，诸如食品、饮料、石化、制药等工业在成品质量检验和过程质量控制等方面可由电子鼻部分
14、代替人工劳动1.2 电子鼻系统的发展概况及存在问题1.2.1 国外的发展概况客观需求推动了电子鼻技术的发展人和动物的嗅觉在人类的生产和生活中一直扮演着重要角色，很早以前人们就利用警犬异常灵敏的嗅觉来识别犯罪嫌疑人留在现场的气味，帮助破案随着社会的发展，嗅觉在生活中的重要性有所下降，但在某些特殊领域却显得格外重要，有些场合并不适合人和动物直接接触，如环境污染监测、有毒气体检测等，因此人们致力于人工嗅觉，即电子鼻的研究早在1962年，Taguch和Seiyama就分别报道了用金属氧化物检测还原性气体的工作，1968年推出第一个商品化的用于检测室内气体泄漏的氧化锡气体传感器(TGS系列)但20世纪6
15、0年代研制的“电子鼻”并非现代意义上的嗅觉模拟系统直到20世纪80年代初，作为气味分类用的新型智能传感器的概念才真正被提出1982年，英国Warwick大学的Persaud和Dodd用3个商品化的SnO2气敏传感器(TGS813,812,711)模拟生物嗅感受器细胞，并对乙醇、乙醚、戊酸等有机挥发气体进行了类别分析从那时起，人们不断探索用嗅觉模拟系统测定简单气体的类别和浓度，涉及领域十分广泛20世纪80年代末期，嗅觉模拟研究进入了快速发展时期电子鼻主要应用在以下几个方面：(1) 食品工业仅用一个石英振荡晶体传感器就可对加热蒸发后的红葡萄酒、白葡萄酒和玫瑰红葡萄酒进行分类识别通过对传感器的响应曲线提取九种特征值，用主成分分析方法和三层前向神经网络可以100%区分上述三种葡萄酒利用WO3薄膜传感器阵列，采用主成分分析和聚类分析作为模式识
