基于51单片机的电子鼻的设计与实现

不断探索51单片机的电子鼻的设计与实现，有利于提升电子鼻对气体的检测效率，对促进电子鼻在更多领域内的应用，具有重要作用。本文在对电子鼻的设计原理进行综合阐述的基础上，论述了基于51单片机的电子鼻的硬件设计，并结合实验，验证了基于51单片机的电子鼻的设计可行性，以期为相关人士提供借鉴和参考。

【关键词】电子鼻 51单片机 传感器

随着社会经济的不断发展和社会生产力水平的进一步提升，电子鼻凭借其优越的传感性能和模式识别技术，得到了迅速发展。现阶段，电子鼻已经被广泛应用于环保、消防、质检和航空航天领域，有效提升了气体检测的效率。但现阶段，国外生产的电子鼻价格较高，提升了测试系统的建设成本。基于此，探索51单片机的电子鼻的设计与实现技术，对降低检测仪器生产成本，具有十分重要的意义。

1 电子鼻的设计原理

本次研究设计的电子鼻建立在对人嗅觉形成过程精准模拟的基础上，该电子鼻主要由传感器阵列、51单片机、LCD显示装置和A/D转换器构成。其中，传感器阵列发挥初级嗅觉细胞的功用，利用A/D转换器将传感器接收的响应信号转化为数字信号，并将信号传输至51单片机，51单片机具有神经中枢功能，能够实现对数字信号的识别和分析，并利用LCD显示装置呈现出来，由此完成整个检测过程。

2 基于51单片机的电子鼻的硬件设计

本次研究设计的基于51单片机的硬件设计选用二氧化锌基金金属氧化物半导体传感器（炜盛电子公司生产），同时选用16只MC和MQ系列传感器，上述两个系列的传感器将二氧化锌作为生产的原材料，应用粉末冶金法进行压制和烧结，制作成气体传感器，具有价格低廉，使用寿命长和稳定性高的特点。硬件设计原理：多路开关通过利用单片机选择响应信号，并发送给16路传感器，然后经由A/D转换器，将响应信号转换为数字信号，将数字信号分别连接51单片机和PC数据采集接口，一方面，51单片机能够通过数据采集和运算，对数字信号进行精准识别，并发送至LCD显示装置，另一方面，PC数据采集接口能够根据采集的数字信号，绘制传感器响应曲线，进而构建以PC为核心的电子鼻检测网络。

3 基于51单片机的电子鼻的实验

3.1 实验装置

本次实验的装置主要包括51单片机、16路数据线、传感器阵列、大屏LCD显示、PC接口、风扇、实验样品，实验中的具体运算都靠51单片机独立完成。实验材料的试验箱选择不锈钢材料，并且将容易挥发气味或发生化学作用的实验材料设计到试验箱外，避免实验容器或实验器材中自带的气味影响传感器的正常工作。另外，将单片机的系统电路板设置在试验箱外，防止在实验过程中的加热造成电路元件参数不准确的现象发生。在实验过程中要将传感器阵列进行预热，一般预热时间为40分钟以上。LCD面板会显示具体的操作步骤，让系统对气味进行具体检测。

3.2 实验过程

实验中主要对酒精、甲醛、水杨酸、敌敌畏和白酒等样本的实验数据进行采集。实验会对实验样本中的气体进行反复的检测，得出其具体的特征向量。在实验中，不仅要考虑实验仪器带来的不同程度的影响，还要考虑天气和气温的影响，因为在不同的天气和气温情况下，空气的湿度对传感器造成的影响程度也不同，因此要进行大量的实验区分其中的差别。实验选择晴天、阴天和雨天进行测试，在不同的天气情况下在不同的温度条件下又进行测试。实验结果将不同气体样本的特征向量进行编号。研究发现，不同的气体样本在不同天气和温度情况下对传感器的影响程度也不同，因此实验结果按照影响程度的大小进行排列，最终排除其他因素对传感器造成的干扰，选择出最适宜的七组数据。

3.3 模式识别

模式识别主要包括以下三种形式。

3.3.1 排序法识别

在整个实验过程中，实验数据根据不同因素的影响进行标号排列，这种排列方式可以让实验人员对气体不同的气体样本在不同天气和温度情况下对传感器的影响程度有一个直观的体现，从而准确掌握不同气体样本的特征向量。排序法的识别方式主要有四个优点，分别是能够将不同气体样本受温度、湿度和气体浓度的影响降到最低；能使得出的特征向量更易于被人工神经网络辨别；能够更易于被51单片机进行数据运算；不同因素影响对排序的影响较小。

3.3.2 人工神经网络模式识别

这种识别方式能够对不同气体样本与特征向量之间有一个直观的对应。

3.3.3 气体判别

这种模式识别方法是通过51单片机矩阵运算程序计算出相关向量，从而标记出气体种类，从而实现神经网络识别的算法。

3.4 实验结果

经过实验发现，传感器受到天气的影响主要在于空气的干湿情况。一般晴天和阴天状态下空气湿度较小，因此对传感器的影响较弱，有利于实验的开展。实验结果表明，神经网络识别算法能够有效对不同气味的样本进行分类，并且得到其特征向量。基于51单片机设计电子鼻实现了低成本人工嗅觉系统的开发。虽然人工嗅觉系统的准确度对于传感器的依赖程度较大，而且无法准确识别一些化学成分较弱的气体，并且受到外部的因素干扰较大，但是仍然能在排除干扰的情况下达到实验室的使用要求。

4 结论

通过以上研究发现，在基于51单片机设计电子鼻检測网络的过程中，通过明确电子鼻的设计原理，能够形成提升电子鼻设计可靠性的良好基础。在此基础上，完善电力鼻的硬件设计，有利于提升电子鼻的检测效率。此外，对基于51单片机设计的电子鼻检测网络进行实验验证，有利于确保电子鼻设计的可行性。因此，在基于51单片机设计电子鼻检测网络的过程中，可以应用上述方法。

参考文献

[1]张航.基于硬件实现BP神经网络的电子鼻设计[D].西南交通大学，2015.

[2]闫嘉.基于电子鼻技术的人体伤口感染检测系统构建及算法研究[D].重庆大学，2012.

作者简介

张诚超（1997-），男，江苏省苏州市人。本科在读，就读于江西理工大学。主要研究方向为嵌入式。

作者单位

江西理工大学 江西省赣州市 341000