基于LabVIEW 平臺的電子鼻系統設計

張嘉琪，冀大選，李杰一，任 遠

(1.天津理工大學 環(huán)境科學與安全工程學院，天津300384;2.天津房信建筑工程總承包有限公司，天津300000)

0 引 言

隨著工業(yè)化的不斷擴大，有害氣體引起的各種事故屢見不鮮，CH4，CO 氣體是廠礦企業(yè)廢氣中極具代表性的易燃易爆氣體，CO 中毒可以造成急性腦缺氧，甚至死亡。嚴重影響了人民的健康和安全［1］。所以，在廠礦企業(yè)中及時監(jiān)測可燃易爆氣體的含量對員工的安全生產工作具有重要意義。傳統監(jiān)測CH4，CO 的方法普遍存在檢測范圍小、精度低、傳感器使用壽命短、調校復雜等問題，且容易出現誤報錯報等現象［2］。現代儀器現代分析儀器法也存在價格昂貴、操作復雜、分析費時等不足。電子鼻技術則彌補了這些不足，增強了監(jiān)測能力。

電子鼻系統利用普通傳感器的交叉敏感性現象組成傳感器陣列［3］。氣體與傳感器的活性材料反應，傳感器把氣體的物理信號轉換為電信號，通過A/D 轉換器將電信號轉換成計算機可識別的數字信號，最終通過BP 神經網絡模式識別對這些信號進行處理，分析和識別所測的氣體。本文利用電化學傳感器構建電子鼻系統實現對CH4和CO 氣體的檢測。

1 系統整體設計

實驗室檢測裝置示意圖如圖1 所示，電子鼻系統主要由調理電路、采集電路、控制系統和上位機軟件構成。在測試開始前先用零空氣吹掃氣室，然后用注射器向配體箱按比例注入待測氣體，配氣箱是由有機玻璃制成的容積8000mL 的正方體氣室。待配氣完畢后，利用空氣泵將待測氣體抽入傳感器陣列氣腔。四通閥門可以使裝置在檢測、調試、清洗氣腔之間進行自由轉換，在N2氣清洗氣腔的作用下有助于延長電化學傳感器的使用壽命。四通閥門尾部管徑內墊著石棉網可以有效地除去來自采樣段的灰塵。

圖1 檢測裝置示意圖Fig 1 Diagram of detecting device

傳感器陣列由6 種MEMBRAPOR 電化學傳感器(CO/CF—200，NH3/CR—200，SO2/CF—100H2S/C—200，CH2O/C—10，CH3OH/C—1000)組成，每只傳感器緊固在傳感器腔下側，傳感器單元實物如圖2 所示。每一只傳感器都有獨立的氣腔，每一只傳感器氣腔用硅膠管相連構成傳感器陣列，傳感器氣腔由有機玻璃制成，每一個氣腔容積約為6.28 mL。這種小型獨立氣腔的設計主要是考慮到便于氣流均勻，交換迅速，從而在更短的時間內使測量值穩(wěn)定。

流經傳感器陣列的測試氣體最終被收集在與空氣泵相連的集氣袋中以便對廢氣集中處理以免污染大氣。傳感器的采集測試電路的電信號經調理電路放大濾波后被A/D轉換器拾取，轉換成數字信號后采用USB 串口的通信方式將數據實時上傳至上位機PC。控制系統采用32 位微型處理器STM32F103V8T6，在上位PC 運用LabVIEW 2012 軟件對傳感器電流信息進行分析。

圖2 傳感器單元實物圖Fig 2 Physical map of sensor unit

2 電路設計

2.1 傳感器電路

圖3 為單只傳感器的測試電路，給傳感器串聯一只測試電阻器R0，阻值10 kΩ，電化學傳感器本身可以產生電流，但起電流信號極為微弱，需要設置信號放大電路，電路圖如圖4所示。測試溫度為室溫，當待測氣體通入傳感器氣腔時，電化學傳感器的活性材料與氣體接觸后，電化學傳感器產生壓降，電壓U0會發(fā)生改變，R0的阻值不變，根據歐姆定律

根據式(1)可知，流經電路電流值I 將會發(fā)生變化，因此，通過測量流經電阻器R0 的電流I 的變化量就可以得到傳感器的敏感度。

圖3 測試電路Fig 3 Test circuit

圖4 信號放大電路Fig 4 Signal amplifying circuit

2.2 控制系統電路設計

本設計利用STM32F103 處理器為核心，它應用了ARM公司的Cortex－M3 內核，該內核能夠滿足電子鼻系統所需要的高性能低功耗的實時應用，STM32 的工作頻率為72 MHz，片上集成的Flash 最多可達512 kB，5 個USART 接口便于串口連接并完成系統和上位機之間的通信。此外，STM32F103擁有2 個FC 接口，3 個SPI 接口，可以對轉換后的信號進行拾取。STM32F103 嵌入了一個嵌套矢量中斷控制器，同時還支持3 種低功耗模式和靈活的時鐘控制機制［4］。

圖5 為控制系統部分的原理圖。

圖5 控制系統原理圖Fig 5 Diagram of control system

微型處理器STM32F103V8T6 的PA4/SPI1_NSS，PA5/SPI1_SCK，PA6/SPI1_MISO 接口分別于A/D 轉換器ADS8326 的DS/SHDN，DCLOCK，DOUT 相連完成電信號到數字信號的轉換。由于USB 接口在計算機領域應用廣泛，傳輸數據穩(wěn)定快速，電子鼻系統采用CP2103 實現USB 通信，STM32F103V8T6 的PA9 和PA10 分別于CP2013 的RXD 和TXD 相連完成串口電路。

3 軟件系統

電子鼻系統的軟件部分采用基于LabVIEW 2012 的開發(fā)平臺［5～7］，其內部集成了Matlab 腳本，程序編寫簡單且易于掌握，界面簡潔易于操作。再者LabVIEW 針對數據采集、儀器控制、信號處理與分析等方面，擁有專用控制節(jié)點函數，相比其他編程軟件更加方便，軟件流程如圖6。

圖6 軟件流程圖Fig 6 Flow chart of system software

單片機與PC 上位機之間的交流是以字符串的形式進行的［8］，如果要將單片機中的數據反映在LabVIEW 中的波形顯示函數中，需要將字符串轉換成字節(jié)數組。在安裝UART－USB 虛擬驅動后，為保證上位機與下位機通信正常，首先要在LabVIEW 中正確選擇串口，再通過VISA 函數庫中的VISA 串口配置、VISA 寫、VISA 讀和VISA 關閉等函數實現USB 通信。在配置VISA 時波特率設置成9600，字節(jié)大小為8 bit，1 位停止位，無奇偶校驗。

4 系統測試

電子鼻在測試模式下對9 種不同濃度比例的CH4和CO 氣體組分進行檢測，將傳感器數據輸入到已經訓練好的BP 神經網絡進行模式識別，表1 是電子鼻系統混合氣體識別結果和誤差，由表1 得出CO 的平均誤差為5.52×10－6:CH4的平均誤差為7.15×10－6。可以看出該電子鼻系統誤差很小，在實際工作中具有很好的效果。

5 結束語

本設計基于LabVIEW 平臺，利用電化學傳感器組成陣列，結合BP 神經網絡進行模式識別，傳感器數據能直觀地顯示在上位機上，實現了數據分析無縫集成到虛擬檢測平臺。該系統不僅可用于實驗教學和研究，也可以用于礦井中對可燃氣體的含量進行監(jiān)測預警。但是，該系統仍然存在一些問題，如，傳感器響應信號較小，容易被噪聲淹沒，配氣系統的智能操控性能不高，需要人為干預。

表1 電子鼻系統混合氣體識別結果與誤差Tab 1 Results of mixture gas identification of electronic nose system and errors

［1］ 鄭明杰.基于紅外光譜技術的非按觸式氣體識別電子鼻系統［J］.傳感器與微系統，2014，33(9):65－67.

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