移動(dòng)式電子鼻平臺的設計與實(shí)現

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：針對傳統固定式電子鼻不能搜索氣味源的問(wèn)題，設計一種移動(dòng)式電子鼻平臺。以STC89C52單片機為核心，采用紅外技術(shù)實(shí)現避障，利用Z字形搜索與氣體濃度算法相結合的方式對氣味源進(jìn)行定位。測試結果表明，該平臺可以準確定位氣味源，并能準確避障。

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

　　*基金項目：國家級大學(xué)生創(chuàng )新創(chuàng )業(yè)訓練計劃項目(201710158000026)。

　　0 引言

　　電子鼻是一種分析、識別、檢測復雜嗅味和揮發(fā)性成分的人工嗅覺(jué)系統^[1]，已經(jīng)被廣泛地運用到食品、醫療、工業(yè)等領(lǐng)域。國內外許多學(xué)者對電子鼻進(jìn)行了深入研究^[2-9]。但在現有的電子鼻中，固定式電子鼻占據著(zhù)主體地位，對于一些人類(lèi)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)式電子鼻平臺的設計，以完成氣味源的定位、進(jìn)入人類(lèi)不方便進(jìn)入場(chǎng)所的氣味識別任務(wù)。

　　1 平臺結構設計

　　1.1 總體設計方案

　　本文所設計的移動(dòng)式電子鼻平臺主要包括STC89C52單片機、氣味采集模塊、避障模塊以及驅動(dòng)模塊等，具體如圖1所示，氣味采集模塊檢測到信號后，發(fā)送給單片機，單片機根據采集上來(lái)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合的方式，控制驅動(dòng)模塊，使得直流電機動(dòng)作來(lái)“尋找”氣味源。如果在行進(jìn)過(guò)程中遇到障礙物，會(huì )及時(shí)躲避障礙物。當找到氣味源濃度最大的位置時(shí)會(huì )發(fā)出報警，對氣味源的位置進(jìn)行提示。另外，該平臺可以通過(guò)串口與上位機進(jìn)行通信，以方便后期進(jìn)行氣味識別方法的研究。

　　1.2 平臺硬件設計

　　主要介紹氣味采集模塊、避障模塊和驅動(dòng)模塊的設計。

　　1.2.1 氣味采集模塊

　　以MQ-3酒精傳感器為例，設計氣味采集模塊。如圖2所示，MQ-3酒精傳感器H端接正極5 V電壓，用于電阻絲對于敏感體電阻的加熱，敏感體電阻的A處引腳有兩根線(xiàn)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(xiàn)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)，表面的導體電子將會(huì )發(fā)生改變，所以MQ-3酒精傳感器測得的電壓會(huì )隨著(zhù)酒精濃度的變化而變化，并且這種反應是可逆的，可以重復多次使用。

　　在移動(dòng)式電子鼻平臺上安裝6只MQ-3酒精傳感器，位置如圖3所示，用來(lái)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(guò)紅外接收管PD333-3B和紅外發(fā)射管IR333-A相互配合來(lái)實(shí)現避障。LED D4(紅外發(fā)射管IR333-A)在行進(jìn)過(guò)程中發(fā)射紅外線(xiàn)信號，當遇到障礙物時(shí)，LED D4(紅外發(fā)射管IR333-A)發(fā)出的紅外線(xiàn)會(huì )被反射回來(lái)被LED D6(紅外接收管PD333-3B)接收到，當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(lái)的紅外線(xiàn)，便會(huì )連接上，由于LED D6(紅外接收管PD333-3B)接線(xiàn)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。當遇到障礙物時(shí)，D2就會(huì )被點(diǎn)亮，開(kāi)始進(jìn)行避障，當無(wú)障礙時(shí)D2就會(huì )熄滅。紅外避障模塊電路設計圖如圖4所示。

　　1.1.3 驅動(dòng)模塊

　　本文所設計的移動(dòng)式電子鼻平臺采用直流電機，利用L293D芯片進(jìn)行驅動(dòng)，具體的驅動(dòng)電路設計如圖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，即接收單片機指令的引腳，1Y-4Y為輸出引腳，以此來(lái)控制直流電機。

　　在這個(gè)芯片的內部是一個(gè)H橋驅動(dòng)電路，相比與其他的直流驅動(dòng)電路，L293D的調速比較平穩，可調范圍也很大，并可以接收TTL 輸入。本設計為單片機發(fā)出指令通過(guò)驅動(dòng)對直流電機進(jìn)行控制，L293D有著(zhù)4個(gè)輸出口，當四個(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’為單片機的I/O口輸出高電平，‘0’為單片機的I/O口輸出低電平。

　　1.2 平臺的軟件設計

　　1.2.1 主程序流程圖

　　主程序流程圖如圖6所示。當移動(dòng)式電子鼻平臺進(jìn)入檢測區域后，系統即啟用氣味源定位算法，并根據相應的算法驅動(dòng)直流電機運動(dòng)。如果在行進(jìn)過(guò)程中遇到障礙物，則進(jìn)行避障;如果沒(méi)有，則繼續按照氣味源定位算法行進(jìn)，直至氣味濃度達到閾值，發(fā)出警報。

　　1.2.2氣味源定位算法設計

　　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為氣味源發(fā)出的煙羽往往呈扇形擴散，Z字形的行動(dòng)軌跡可以更廣更好地檢測到氣味濃度。當檢測到氣味濃度時(shí)則停止全局搜索，然后開(kāi)始采用局部搜索，對6個(gè)方向的傳感器檢測信號進(jìn)行判斷，使移動(dòng)式電子鼻平臺朝著(zhù)檢測量最大的方向移動(dòng)，并利用濃度梯度法，沿著(zhù)氣味源濃度增大的方向移動(dòng)，當檢測到的濃度到達閾值(人為設定)，則認為移動(dòng)式電子鼻平臺找到氣味源。程序流程圖如圖7所示。

　　2 測試

　　以搜索酒精氣味源為例，對移動(dòng)式電子鼻平臺進(jìn)行整體測試。如圖8所示，在移動(dòng)式電子鼻平臺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。

　　測試結果表明，移動(dòng)式電子鼻平臺通過(guò)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)出報警。

　　3 結論

　　本文設計了一款移動(dòng)式電子鼻平臺，以彌補傳統固定式電子鼻不能搜索氣味源且不能進(jìn)入到人類(lèi)不方便到達場(chǎng)合的不足。通過(guò)紅外技術(shù)實(shí)現避障，利用Z字形遍歷與氣體濃度梯度法相結合的方式實(shí)現氣味源的定位。

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