摘 要

基于微控制芯片和气体传感器阵列的电子鼻系统目前发展境况良好。作为一种探测技术，电子鼻在各大领域都应用广泛。在国外电子鼻在商业化后价格也普遍偏贵，为了精简费用和扩大电子鼻的应用区域，本篇论文就旨在设计一种结构简单的基于STM32的电子鼻设计方案。依据气体传感器阵列输出的响应信号，执行信号放大程序和控制模数转换电路数据变换。所采集的数据在STM32中执行数据处理运算，主要方法是排序法，该方法能够利用差值剔除气体浓度，环境温度和湿度对计算结果的影响。通过LCD显示识别结果，这种电子鼻系统具有算法简单直接，较高识别准确率等优点。经过实际测试C₂H₆O、LPG这两种气体，都能成功识别。

关键词：电子鼻；排序法；STM32；气体传感器；Keil

Abstract

An electronic nose system based on micro-controller and the gas sensor array is developed well currently. As the kind of testing technology, electronic nose is widely used in various fields. There is the commercialization of electronic noses with high prices in other countries. In order to reduce the costs and expand application scope, This paper is introduced the design of electronic noses system with the core of STM32.based on the output of the sensor array, this system finished the signal measurement, amplification and analog-digital conversion circuits. The data collected from STM32 will be ranked after a certain operation. This ranking method can effectively eliminate The affections on the recognition results because of the difference of gas concentration, temperature and humidity. And these gases will be identified through code displaying simply and intuitively. This paper is adopted Altium Designer software to draw hardware circuit diagram. The advantage of this electronic nose system is the high real correct recognition rate, with the simple algorithm. The success of the test proves that the design in practical application is feasible.

Key words: electronic nose; ranking method; STM32; gas sensor; Keil

目录

摘要 I

Abstract I

第1章 绪论 1

1.1背景 1

1.2嗅觉解析 1

1.3国内外研究现状 1

1.4课题研究内容 2

1.5目的和意义 3

第2章 整体方案设计 4

2.1 功能与实现 4

2.2 方案对比与选择 4

2.3 基于单片机的电子鼻识别原理 5

第3章 硬件电路设计 6

3.1气体传感器 6

3.1.1 气体传感器介绍 6

3.1.2 气体传感器参数 6

3.2 STM32F103最小系统设计 9

3.2.1 STM32F103介绍 9

3.2.2 最小系统 10

3.3 电源设计 12

3.3.1 供电接口 12

3.3.2 LT1963-3.3 12

3.4 CH340G 13

3.5 外设电路 13

3.5.1 按键电路 13

3.5.2 报警电路 13

3.5.3 SWD下载电路 14

3.5.4 旁路电容 14

3.6 传感器分压电路 15

3.7 同相双运放高共模抑制比放大电路 15

3.7.1 LM324 15

3.7.2放大电路 15

3.8 模数转换电路 17

3.8.1 ADC0809简介 17

3.8.2 ADC0809工作过程 18

3.8.3 频率及精度问题 18

3.9 LCD1602 19

第4章 软件设计 20

4.1 编程语言与开发环境 20

4.2 电子鼻软件设计部分 20

4.2.1 程序初始化函数 21

4.2.2 定时中断函及 21

4.2.3 LCD1602显示程序 21

4.2.4 外设函数 22

4.2.5 种类识别、浓度计算函数 22

4.2.6 独立看门狗 23

第5章 硬件制作与系统调试 24

5.1 AD绘制原理图和PCB图 24

5.2 实物制作 26

5.3 硬件调试 27

第6章 误差分析 29

总结 30

参考文献 31

致 谢 32

第1章 绪论

1.1背景

人类的生活、生产与周围大气环境紧密相关，大气环境对人类的影响巨大。随着人类文明和社会的进步，工业污染一直危害着人类的健康和安全，例如石化、能源开采和汽车等工业发展，会使大气污染日益加重，引发酸雨、温室效应等全球性问题。气体检测技术就是伴随着工业进步和环境巨变而发展起来的，无论是现在还是将来都必是各行业发展的重要环节。

气体检测技术是一门集传感器技术、数字电子技术、模拟电子技术和计算机技术等交叉性内容为一体的综合技术。因为它的特殊功能，在食品、酒类、环保、化工等领域有着极其重要的作用，因而引发广大关注。易燃、有毒气体离我们越来越近且变得无形^[1]。这些气体在生产、运输或者使用中若是泄漏又未及时发现，就可能导致不可估量的损失。

及时可靠地“读取”空气中某些气体的含量并且能够采取有效措施补救，采用正确的处理办法，是避免重大财产和人员伤亡的必要条件。作为一种气体探测装置的“电子鼻”已经得到了较快的发展，而且可以预见它在未来，应用也必将越来越广泛。

1.2嗅觉解析

嗅上皮是分布在鼻孔的一个与外界环境接触的气味敏感层。嗅上皮中有覆盖着一层嗅黏膜的感受器系统。以人类作为例子，嗅上皮面积约为5cm²，却拥有约10⁸个感受器神经元（嗅细胞）^[2]。嗅细胞上有长约为0.15um 类似于传感原理中感受器功能的嗅纤维，是它和空气中的气体分子相接触，产生嗅细胞感受信号。在神经末梢上分布着近百个蛋白质感受元以保证感受细胞之间具有部分的交叉敏感性。嗅觉神经系统中嗅觉细胞既能增强信号，还能产生次级嗅觉信息，促进气味信号的传递。

感受器的响应范围不大，但是还没有发现只对一种特定分子有敏感反应的嗅细胞^[3]。尽管单个感受细胞的敏感性和选择性比较差，且嗅细胞的生存周期也只有约三周，但人类嗅觉系统功能却异常强大，嗅细胞从复杂环境中感受到多种信息经嗅觉系统处理后，将系统的灵敏度提高千倍，并能够识别几千种气味。

1.3国内外研究现状

国外电子鼻早已经进入商品应用阶段，但是国内电子鼻研究依旧处于实验室研发阶段，但是进展可观。国内电子鼻研究团队数量在不断增加。1999年西北工业大学教授王磊团队将模糊集合理论和自组织映照神经网络组合起来用于电子鼻研究。2001年，西北工业大学杨建华教授指导王晗和王米娜分别展开动态特征信息和便携式电子鼻的研究^[4]，他们使用德国研发的电子鼻和自己独立设计的实验系统开展基于金属氧化物半导体SnO₂传感器阵列的动态响应特性研究。