移動(dòng)式電子鼻平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

作者 張涵羽，繆新穎，許彬，蔡佳慧，舒娜(大連海洋大學(xué) 信息工程學(xué)院，遼寧 大連 116023)

　　摘要：針對(duì)傳統(tǒng)固定式電子鼻不能搜索氣味源的問題，設(shè)計(jì)一種移動(dòng)式電子鼻平臺(tái)。以STC89C52單片機(jī)為核心，采用紅外技術(shù)實(shí)現(xiàn)避障，利用Z字形搜索與氣體濃度算法相結(jié)合的方式對(duì)氣味源進(jìn)行定位。測(cè)試結(jié)果表明，該平臺(tái)可以準(zhǔn)確定位氣味源，并能準(zhǔn)確避障。

　　關(guān)鍵詞：移動(dòng)式電子鼻;氣體濃度;氣味源確定;避障

　　*基金項(xiàng)目：國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201710158000026)。

　　0 引言

　　電子鼻是一種分析、識(shí)別、檢測(cè)復(fù)雜嗅味和揮發(fā)性成分的人工嗅覺系統(tǒng)^[1]，已經(jīng)被廣泛地運(yùn)用到食品、醫(yī)療、工業(yè)等領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)電子鼻進(jìn)行了深入研究^[2-9]。但在現(xiàn)有的電子鼻中，固定式電子鼻占據(jù)著主體地位，對(duì)于一些人類不方便進(jìn)入的場(chǎng)所或者需要定位氣味源的場(chǎng)合，很難勝任。本文正是在此背景下進(jìn)行移動(dòng)式電子鼻平臺(tái)的設(shè)計(jì)，以完成氣味源的定位、進(jìn)入人類不方便進(jìn)入場(chǎng)所的氣味識(shí)別任務(wù)。

　　1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　1.1 總體設(shè)計(jì)方案

　　本文所設(shè)計(jì)的移動(dòng)式電子鼻平臺(tái)主要包括STC89C52單片機(jī)、氣味采集模塊、避障模塊以及驅(qū)動(dòng)模塊等，具體如圖1所示，氣味采集模塊檢測(cè)到信號(hào)后，發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)采集上來的各氣味傳感器的值，采用Z字形搜索與氣體濃度算法相結(jié)合的方式，控制驅(qū)動(dòng)模塊，使得直流電機(jī)動(dòng)作來“尋找”氣味源。如果在行進(jìn)過程中遇到障礙物，會(huì)及時(shí)躲避障礙物。當(dāng)找到氣味源濃度最大的位置時(shí)會(huì)發(fā)出報(bào)警，對(duì)氣味源的位置進(jìn)行提示。另外，該平臺(tái)可以通過串口與上位機(jī)進(jìn)行通信，以方便后期進(jìn)行氣味識(shí)別方法的研究。

　　1.2 平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

　　主要介紹氣味采集模塊、避障模塊和驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)。

　　1.2.1 氣味采集模塊

　　以MQ-3酒精傳感器為例，設(shè)計(jì)氣味采集模塊。如圖2所示，MQ-3酒精傳感器H端接正極5 V電壓，用于電阻絲對(duì)于敏感體電阻的加熱，敏感體電阻的A處引腳有兩根線即1和3，將其連接在一起用于敏感體電阻的一個(gè)電極，兩個(gè)B處引腳同樣有兩根線即4和6也相互連接在一起，作為另一個(gè)電極，敏感體電阻與電位器串聯(lián)起到分壓的作用，當(dāng)MQ-3酒精傳感器的表面吸收到酒精氣體分子時(shí)，表面的導(dǎo)體電子將會(huì)發(fā)生改變，所以MQ-3酒精傳感器測(cè)得的電壓會(huì)隨著酒精濃度的變化而變化，并且這種反應(yīng)是可逆的，可以重復(fù)多次使用。

　　在移動(dòng)式電子鼻平臺(tái)上安裝6只MQ-3酒精傳感器，位置如圖3所示，用來實(shí)時(shí)采集氣味濃度。

　　1.1.2 避障模塊

　　紅外避障主要通過紅外接收管PD333-3B和紅外發(fā)射管IR333-A相互配合來實(shí)現(xiàn)避障。LED D4(紅外發(fā)射管IR333-A)在行進(jìn)過程中發(fā)射紅外線信號(hào)，當(dāng)遇到障礙物時(shí)，LED D4(紅外發(fā)射管IR333-A)發(fā)出的紅外線會(huì)被反射回來被LED D6(紅外接收管PD333-3B)接收到，當(dāng)LED D6(紅外接收管PD333-3B)接收到LED D4(紅外發(fā)射管IR333-A)發(fā)出被反射回來的紅外線，便會(huì)連接上，由于LED D6(紅外接收管PD333-3B)接線與地相連接，因此比較器3處電壓會(huì)被降低，于2處相比，3處正極電壓低，故會(huì)輸出低電平，所以D2會(huì)被點(diǎn)亮。當(dāng)遇到障礙物時(shí)，D2就會(huì)被點(diǎn)亮，開始進(jìn)行避障，當(dāng)無障礙時(shí)D2就會(huì)熄滅。紅外避障模塊電路設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

　　1.1.3 驅(qū)動(dòng)模塊

　　本文所設(shè)計(jì)的移動(dòng)式電子鼻平臺(tái)采用直流電機(jī)，利用L293D芯片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，具體的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)如圖5所示，L293D共16個(gè)引腳，具有使能端、VCC以及GND各兩個(gè)，1A-4A為輸入引腳，即接收單片機(jī)指令的引腳，1Y-4Y為輸出引腳，以此來控制直流電機(jī)。

　　在這個(gè)芯片的內(nèi)部是一個(gè)H橋驅(qū)動(dòng)電路，相比與其他的直流驅(qū)動(dòng)電路，L293D的調(diào)速比較平穩(wěn)，可調(diào)范圍也很大，并可以接收TTL 輸入。本設(shè)計(jì)為單片機(jī)發(fā)出指令通過驅(qū)動(dòng)對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行控制，L293D有著4個(gè)輸出口，當(dāng)四個(gè)輸出口接收到不同的高低電平時(shí)會(huì)進(jìn)行不同的動(dòng)作，如表1所示，其中‘1’為單片機(jī)的I/O口輸出高電平，‘0’為單片機(jī)的I/O口輸出低電平。

　　1.2 平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)

　　1.2.1 主程序流程圖

　　主程序流程圖如圖6所示。當(dāng)移動(dòng)式電子鼻平臺(tái)進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域后，系統(tǒng)即啟用氣味源定位算法，并根據(jù)相應(yīng)的算法驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)運(yùn)動(dòng)。如果在行進(jìn)過程中遇到障礙物，則進(jìn)行避障;如果沒有，則繼續(xù)按照氣味源定位算法行進(jìn)，直至氣味濃度達(dá)到閾值，發(fā)出警報(bào)。

　　1.2.2氣味源定位算法設(shè)計(jì)

　　氣味源定位算法從全局與局部搜索兩個(gè)維度，Z字形搜索與濃度梯度法相結(jié)合的方式進(jìn)行。首先進(jìn)行全局搜索，采用Z字形遍歷的方式進(jìn)行。之所以采用Z字形遍歷的方式是因?yàn)闅馕对窗l(fā)出的煙羽往往呈扇形擴(kuò)散，Z字形的行動(dòng)軌跡可以更廣更好地檢測(cè)到氣味濃度。當(dāng)檢測(cè)到氣味濃度時(shí)則停止全局搜索，然后開始采用局部搜索，對(duì)6個(gè)方向的傳感器檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行判斷，使移動(dòng)式電子鼻平臺(tái)朝著檢測(cè)量最大的方向移動(dòng)，并利用濃度梯度法，沿著氣味源濃度增大的方向移動(dòng)，當(dāng)檢測(cè)到的濃度到達(dá)閾值(人為設(shè)定)，則認(rèn)為移動(dòng)式電子鼻平臺(tái)找到氣味源。程序流程圖如圖7所示。

　　2 測(cè)試

　　以搜索酒精氣味源為例，對(duì)移動(dòng)式電子鼻平臺(tái)進(jìn)行整體測(cè)試。如圖8所示，在移動(dòng)式電子鼻平臺(tái)右前方放置酒精氣味源D，并在前進(jìn)方向上A、B、C處分別放置干擾物水、塊狀障礙物和食用油。

　　測(cè)試結(jié)果表明，移動(dòng)式電子鼻平臺(tái)通過氣味定位算法與避障算法順利搜索到了酒精氣味源，并發(fā)出報(bào)警。

　　3 結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)了一款移動(dòng)式電子鼻平臺(tái)，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)固定式電子鼻不能搜索氣味源且不能進(jìn)入到人類不方便到達(dá)場(chǎng)合的不足。通過紅外技術(shù)實(shí)現(xiàn)避障，利用Z字形遍歷與氣體濃度梯度法相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)氣味源的定位。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]周紅標(biāo),張宇林,張新榮,等.基于虛擬儀器的無線白酒電子鼻的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2012(12):8-16.

　　[2]Sharvari D, Rajib B, Nabarun B, et al.Application of electronic nose for industrial odors and gaseous emissions measurement and monitoring – An overview[J].Talanta, 2015(9):348-358.

　　[3]Miguel P, Laura E G. On-line monitoring of food fermentation processes using electronic noses and electronic tongues: A review[J]. Analytica Chimica Acta,2013(4):378-387.

　　[4]趙萬,梅笑冬,朱哲,等.基于Labview和PCA分析方法的電子鼻設(shè)計(jì)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版),2013(2):147-151.

　　[5]張青春,葉小婷.基于電子鼻技術(shù)的混合氣體檢測(cè)方法研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2011,37(12):80-86.

　　[6]張嘉琪,冀大選,李杰一,等.基于LabVIEW平臺(tái)的電子鼻系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2015(05):92-94.

　　[7]李強(qiáng),谷宇,王南飛,等.電子鼻研究進(jìn)展及在中國(guó)白酒檢測(cè)的應(yīng)用[J].工程科學(xué)學(xué)報(bào).2017,39(4):475-486.

　　[8]高大啟,楊根興.電子鼻技術(shù)新進(jìn)展及其應(yīng)用前景.傳感器技術(shù)[J],2001,20(9):1-5.

　　[9]程磊,張東,劉波,等.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的氣體泄漏源定位機(jī)器人設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng),2015,34(2):85-91.

　　作者簡(jiǎn)介：

　　張涵羽(1995-)，男，主要研究方向：自動(dòng)控制。

　　繆新穎(1977-)，通信作者，女，博士，副教授，主要研究方向：物聯(lián)網(wǎng);自動(dòng)控制。

本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第2期第35頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處