移动式电子鼻平台的设计与实现

作者 张涵羽，缪新颖，许彬，蔡佳慧，舒娜(大连海洋大学 信息工程学院，辽宁 大连 116023)

　　摘要：针对传统固定式电子鼻不能搜索气味源的问题，设计一种移动式电子鼻平台。以STC89C52单片机为核心，采用红外技术实现避障，利用Z字形搜索与气体浓度算法相结合的方式对气味源进行定位。测试结果表明，该平台可以准确定位气味源，并能准确避障。

　　关键词：移动式电子鼻;气体浓度;气味源确定;避障

　　*基金项目：国家级大学生创新创业训练计划项目(201710158000026)。

　　0 引言

　　电子鼻是一种分析、识别、检测复杂嗅味和挥发性成分的人工嗅觉系统^[1]，已经被广泛地运用到食品、医疗、工业等领域。国内外许多学者对电子鼻进行了深入研究^[2-9]。但在现有的电子鼻中，固定式电子鼻占据着主体地位，对于一些人类不方便进入的场所或者需要定位气味源的场合，很难胜任。本文正是在此背景下进行移动式电子鼻平台的设计，以完成气味源的定位、进入人类不方便进入场所的气味识别任务。

　　1 平台结构设计

　　1.1 总体设计方案

　　本文所设计的移动式电子鼻平台主要包括STC89C52单片机、气味采集模块、避障模块以及驱动模块等，具体如图1所示，气味采集模块检测到信号后，发送给单片机，单片机根据采集上来的各气味传感器的值，采用Z字形搜索与气体浓度算法相结合的方式，控制驱动模块，使得直流电机动作来“寻找”气味源。如果在行进过程中遇到障碍物，会及时躲避障碍物。当找到气味源浓度最大的位置时会发出报警，对气味源的位置进行提示。另外，该平台可以通过串口与上位机进行通信，以方便后期进行气味识别方法的研究。

　　1.2 平台硬件设计

　　主要介绍气味采集模块、避障模块和驱动模块的设计。

　　1.2.1 气味采集模块

　　以MQ-3酒精传感器为例，设计气味采集模块。如图2所示，MQ-3酒精传感器H端接正极5 V电压，用于电阻丝对于敏感体电阻的加热，敏感体电阻的A处引脚有两根线即1和3，将其连接在一起用于敏感体电阻的一个电极，两个B处引脚同样有两根线即4和6也相互连接在一起，作为另一个电极，敏感体电阻与电位器串联起到分压的作用，当MQ-3酒精传感器的表面吸收到酒精气体分子时，表面的导体电子将会发生改变，所以MQ-3酒精传感器测得的电压会随着酒精浓度的变化而变化，并且这种反应是可逆的，可以重复多次使用。

　　在移动式电子鼻平台上安装6只MQ-3酒精传感器，位置如图3所示，用来实时采集气味浓度。

　　1.1.2 避障模块

　　红外避障主要通过红外接收管PD333-3B和红外发射管IR333-A相互配合来实现避障。LED D4(红外发射管IR333-A)在行进过程中发射红外线信号，当遇到障碍物时，LED D4(红外发射管IR333-A)发出的红外线会被反射回来被LED D6(红外接收管PD333-3B)接收到，当LED D6(红外接收管PD333-3B)接收到LED D4(红外发射管IR333-A)发出被反射回来的红外线，便会连接上，由于LED D6(红外接收管PD333-3B)接线与地相连接，因此比较器3处电压会被降低，于2处相比，3处正极电压低，故会输出低电平，所以D2会被点亮。当遇到障碍物时，D2就会被点亮，开始进行避障，当无障碍时D2就会熄灭。红外避障模块电路设计图如图4所示。

　　1.1.3 驱动模块

　　本文所设计的移动式电子鼻平台采用直流电机，利用L293D芯片进行驱动，具体的驱动电路设计如图5所示，L293D共16个引脚，具有使能端、VCC以及GND各两个，1A-4A为输入引脚，即接收单片机指令的引脚，1Y-4Y为输出引脚，以此来控制直流电机。

　　在这个芯片的内部是一个H桥驱动电路，相比与其他的直流驱动电路，L293D的调速比较平稳，可调范围也很大，并可以接收TTL 输入。本设计为单片机发出指令通过驱动对直流电机进行控制，L293D有着4个输出口，当四个输出口接收到不同的高低电平时会进行不同的动作，如表1所示，其中‘1’为单片机的I/O口输出高电平，‘0’为单片机的I/O口输出低电平。

　　1.2 平台的软件设计

　　1.2.1 主程序流程图

　　主程序流程图如图6所示。当移动式电子鼻平台进入检测区域后，系统即启用气味源定位算法，并根据相应的算法驱动直流电机运动。如果在行进过程中遇到障碍物，则进行避障;如果没有，则继续按照气味源定位算法行进，直至气味浓度达到阈值，发出警报。

　　1.2.2气味源定位算法设计

　　气味源定位算法从全局与局部搜索两个维度，Z字形搜索与浓度梯度法相结合的方式进行。首先进行全局搜索，采用Z字形遍历的方式进行。之所以采用Z字形遍历的方式是因为气味源发出的烟羽往往呈扇形扩散，Z字形的行动轨迹可以更广更好地检测到气味浓度。当检测到气味浓度时则停止全局搜索，然后开始采用局部搜索，对6个方向的传感器检测信号进行判断，使移动式电子鼻平台朝着检测量最大的方向移动，并利用浓度梯度法，沿着气味源浓度增大的方向移动，当检测到的浓度到达阈值(人为设定)，则认为移动式电子鼻平台找到气味源。程序流程图如图7所示。

　　2 测试

　　以搜索酒精气味源为例，对移动式电子鼻平台进行整体测试。如图8所示，在移动式电子鼻平台右前方放置酒精气味源D，并在前进方向上A、B、C处分别放置干扰物水、块状障碍物和食用油。

　　测试结果表明，移动式电子鼻平台通过气味定位算法与避障算法顺利搜索到了酒精气味源，并发出报警。

　　3 结论

　　本文设计了一款移动式电子鼻平台，以弥补传统固定式电子鼻不能搜索气味源且不能进入到人类不方便到达场合的不足。通过红外技术实现避障，利用Z字形遍历与气体浓度梯度法相结合的方式实现气味源的定位。

　　参考文献

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　　作者简介：

　　张涵羽(1995-)，男，主要研究方向：自动控制。

　　缪新颖(1977-)，通信作者，女，博士，副教授，主要研究方向：物联网;自动控制。

本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第2期第35页，欢迎您写论文时引用，并注明出处