基于LabVIEW 平台的电子鼻系统设计

张嘉琪，冀大选，李杰一，任 远

(1.天津理工大学 环境科学与安全工程学院，天津300384;2.天津房信建筑工程总承包有限公司，天津300000)

0 引 言

随着工业化的不断扩大，有害气体引起的各种事故屡见不鲜，CH4，CO 气体是厂矿企业废气中极具代表性的易燃易爆气体，CO 中毒可以造成急性脑缺氧，甚至死亡。严重影响了人民的健康和安全［1］。所以，在厂矿企业中及时监测可燃易爆气体的含量对员工的安全生产工作具有重要意义。传统监测CH4，CO 的方法普遍存在检测范围小、精度低、传感器使用寿命短、调校复杂等问题，且容易出现误报错报等现象［2］。现代仪器现代分析仪器法也存在价格昂贵、操作复杂、分析费时等不足。电子鼻技术则弥补了这些不足，增强了监测能力。

电子鼻系统利用普通传感器的交叉敏感性现象组成传感器阵列［3］。气体与传感器的活性材料反应，传感器把气体的物理信号转换为电信号，通过A/D 转换器将电信号转换成计算机可识别的数字信号，最终通过BP 神经网络模式识别对这些信号进行处理，分析和识别所测的气体。本文利用电化学传感器构建电子鼻系统实现对CH4和CO 气体的检测。

1 系统整体设计

实验室检测装置示意图如图1 所示，电子鼻系统主要由调理电路、采集电路、控制系统和上位机软件构成。在测试开始前先用零空气吹扫气室，然后用注射器向配体箱按比例注入待测气体，配气箱是由有机玻璃制成的容积8000mL 的正方体气室。待配气完毕后，利用空气泵将待测气体抽入传感器阵列气腔。四通阀门可以使装置在检测、调试、清洗气腔之间进行自由转换，在N2气清洗气腔的作用下有助于延长电化学传感器的使用寿命。四通阀门尾部管径内垫着石棉网可以有效地除去来自采样段的灰尘。

图1 检测装置示意图Fig 1 Diagram of detecting device

传感器阵列由6 种MEMBRAPOR 电化学传感器(CO/CF—200，NH3/CR—200，SO2/CF—100H2S/C—200，CH2O/C—10，CH3OH/C—1000)组成，每只传感器紧固在传感器腔下侧，传感器单元实物如图2 所示。每一只传感器都有独立的气腔，每一只传感器气腔用硅胶管相连构成传感器阵列，传感器气腔由有机玻璃制成，每一个气腔容积约为6.28 mL。这种小型独立气腔的设计主要是考虑到便于气流均匀，交换迅速，从而在更短的时间内使测量值稳定。

流经传感器阵列的测试气体最终被收集在与空气泵相连的集气袋中以便对废气集中处理以免污染大气。传感器的采集测试电路的电信号经调理电路放大滤波后被A/D转换器拾取，转换成数字信号后采用USB 串口的通信方式将数据实时上传至上位机PC。控制系统采用32 位微型处理器STM32F103V8T6，在上位PC 运用LabVIEW 2012 软件对传感器电流信息进行分析。

图2 传感器单元实物图Fig 2 Physical map of sensor unit

2 电路设计

2.1 传感器电路

图3 为单只传感器的测试电路，给传感器串联一只测试电阻器R0，阻值10 kΩ，电化学传感器本身可以产生电流，但起电流信号极为微弱，需要设置信号放大电路，电路图如图4所示。测试温度为室温，当待测气体通入传感器气腔时，电化学传感器的活性材料与气体接触后，电化学传感器产生压降，电压U0会发生改变，R0的阻值不变，根据欧姆定律

根据式(1)可知，流经电路电流值I 将会发生变化，因此，通过测量流经电阻器R0 的电流I 的变化量就可以得到传感器的敏感度。

图3 测试电路Fig 3 Test circuit

图4 信号放大电路Fig 4 Signal amplifying circuit

2.2 控制系统电路设计

本设计利用STM32F103 处理器为核心，它应用了ARM公司的Cortex－M3 内核，该内核能够满足电子鼻系统所需要的高性能低功耗的实时应用，STM32 的工作频率为72 MHz，片上集成的Flash 最多可达512 kB，5 个USART 接口便于串口连接并完成系统和上位机之间的通信。此外，STM32F103拥有2 个FC 接口，3 个SPI 接口，可以对转换后的信号进行拾取。STM32F103 嵌入了一个嵌套矢量中断控制器，同时还支持3 种低功耗模式和灵活的时钟控制机制［4］。

图5 为控制系统部分的原理图。

图5 控制系统原理图Fig 5 Diagram of control system

微型处理器STM32F103V8T6 的PA4/SPI1_NSS，PA5/SPI1_SCK，PA6/SPI1_MISO 接口分别于A/D 转换器ADS8326 的DS/SHDN，DCLOCK，DOUT 相连完成电信号到数字信号的转换。由于USB 接口在计算机领域应用广泛，传输数据稳定快速，电子鼻系统采用CP2103 实现USB 通信，STM32F103V8T6 的PA9 和PA10 分别于CP2013 的RXD 和TXD 相连完成串口电路。

3 软件系统

电子鼻系统的软件部分采用基于LabVIEW 2012 的开发平台［5～7］，其内部集成了Matlab 脚本，程序编写简单且易于掌握，界面简洁易于操作。再者LabVIEW 针对数据采集、仪器控制、信号处理与分析等方面，拥有专用控制节点函数，相比其他编程软件更加方便，软件流程如图6。

图6 软件流程图Fig 6 Flow chart of system software

单片机与PC 上位机之间的交流是以字符串的形式进行的［8］，如果要将单片机中的数据反映在LabVIEW 中的波形显示函数中，需要将字符串转换成字节数组。在安装UART－USB 虚拟驱动后，为保证上位机与下位机通信正常，首先要在LabVIEW 中正确选择串口，再通过VISA 函数库中的VISA 串口配置、VISA 写、VISA 读和VISA 关闭等函数实现USB 通信。在配置VISA 时波特率设置成9600，字节大小为8 bit，1 位停止位，无奇偶校验。

4 系统测试

电子鼻在测试模式下对9 种不同浓度比例的CH4和CO 气体组分进行检测，将传感器数据输入到已经训练好的BP 神经网络进行模式识别，表1 是电子鼻系统混合气体识别结果和误差，由表1 得出CO 的平均误差为5.52×10－6:CH4的平均误差为7.15×10－6。可以看出该电子鼻系统误差很小，在实际工作中具有很好的效果。

5 结束语

本设计基于LabVIEW 平台，利用电化学传感器组成阵列，结合BP 神经网络进行模式识别，传感器数据能直观地显示在上位机上，实现了数据分析无缝集成到虚拟检测平台。该系统不仅可用于实验教学和研究，也可以用于矿井中对可燃气体的含量进行监测预警。但是，该系统仍然存在一些问题，如，传感器响应信号较小，容易被噪声淹没，配气系统的智能操控性能不高，需要人为干预。

表1 电子鼻系统混合气体识别结果与误差Tab 1 Results of mixture gas identification of electronic nose system and errors

［1］ 郑明杰.基于红外光谱技术的非按触式气体识别电子鼻系统［J］.传感器与微系统，2014，33(9):65－67.

［2］ 续文浩.基于Zig Bee 网络的甲烷监测系统设计［J］.仪表技术，2014(1):10－12.

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［4］ 杨光祥，刘渝新.基于STM32 的振弦式频率测量仪器研究［J］.计算机测量与控制，2013(6):1708－1710.

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［7］ 刘树海，郑传涛，徐 琳，等.基于恒电流源的电阻式气敏传感器检测系统［J］.吉林大学学报:信息科学版，2012，30(4):376－380.

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