納米電子鼻傳感器系統(tǒng)課程設(shè)計范本

年4月19日納米電子鼻傳感器系統(tǒng)課程設(shè)計文檔僅供參考中北大學(xué)課程設(shè)計說明書學(xué)生姓名:周明行學(xué)號：32學(xué)院:電子與計算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院專業(yè):微電子學(xué)題目:納米電子鼻傳感器設(shè)計

指導(dǎo)教師：譚秋林職稱:副教授6月3日目錄1、課程設(shè)計目的·······················································012、課程設(shè)計內(nèi)容和要求···············································01

2.1、設(shè)計內(nèi)容···························································012.2、設(shè)計要求···························································013、設(shè)計方案及實現(xiàn)情況···············································013.1、納米電子鼻傳感器簡介·············································013.2、納米電子鼻的工作原理及框圖······································013.3、納米電子鼻傳感器系統(tǒng)設(shè)計········································023.3.1、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)···················································023.3.2、氣敏傳感器的設(shè)計··············································033.3.3、信號處理·······················································093.3.4、模式識別·······················································154、課程設(shè)計總結(jié)·····················································185、參考文獻(xiàn)···························································191.設(shè)計目的（1）學(xué)習(xí)納米電子鼻傳感器的工作原理。（2）掌握納米電子鼻傳感器制作過程。（3）掌握納米電子鼻傳感器信號的讀取方法。2.設(shè)計內(nèi)容和要求（1）查閱相關(guān)資料，提出相應(yīng)設(shè)計方案。（2）選擇適當(dāng)?shù)牟牧显O(shè)計該傳感器。（3）在設(shè)計過程中，進(jìn)行相應(yīng)的計算和分析。（4）能夠?qū)崿F(xiàn)該氣體傳感器的信號的正常讀取。（5）整理設(shè)計內(nèi)容，編寫設(shè)計說明書3.設(shè)計方案及實現(xiàn)情況3.1納米電子鼻傳感器簡介電子鼻，又稱人工嗅覺系統(tǒng)，是模擬生物嗅覺系統(tǒng)而設(shè)計的一種智能電子“嗅覺”儀器，電子鼻技術(shù)涉及材料、化學(xué)、傳感器、信息融合、電子技術(shù)、模式識別、計算機(jī)、應(yīng)用數(shù)學(xué)以及應(yīng)用領(lǐng)域的科學(xué)與技術(shù)的一門綜合性技術(shù)。主要用來分析、識別和檢測揮發(fā)性化學(xué)物質(zhì)、復(fù)雜氣味和有毒氣體。電子鼻這個術(shù)語出現(xiàn)在80年代晚期，1987年它被專門用于一個會議[4]，1989年北大西洋公約組織召開了關(guān)于化學(xué)傳感器信息處理的高級專題討論會[5]，會議上對電子鼻做了如下定義:“電子鼻是由多個性能彼此重疊的氣敏傳感器和適當(dāng)?shù)哪Ｊ椒诸惙椒ńM成的具有識別單一和復(fù)雜氣味能力的裝置”。隨后，在1990年舉行了第一屆電子鼻國際學(xué)術(shù)會議，最大規(guī)模的一屆會議于1997年在美國的圣地亞哥召開。此后，各國學(xué)者對電子鼻的性能、標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計方法和相關(guān)技術(shù)做了廣泛的研究，在各種化學(xué)傳感器基本理論研究和實際應(yīng)用方面均取得了很大的進(jìn)展，有關(guān)的應(yīng)用及儀器報道也相當(dāng)可觀[6]。3.2納米電子鼻的工作原理及框圖其基本結(jié)構(gòu)主要有三大部分構(gòu)成，分別是氣敏傳感器陣列、信號預(yù)處理單元和模式識別單元如圖1.1模式識別信號模式識別信號處理氣敏傳感器氣體 氣體／氣味氣味 定性／定量圖1.1納米電子鼻系統(tǒng)組成框圖(1)氣敏傳感器陣列，相當(dāng)于初級嗅覺神經(jīng)元，由具有廣譜響應(yīng)特性的氣敏元件組成。把氣敏元件對氣體或氣味的響應(yīng)轉(zhuǎn)化為能夠測量的變化的電壓信號。氣敏傳感器陣列能夠采用數(shù)個單獨的氣敏傳感器組合而成，也能夠采用集成工藝制作的專用氣敏傳感器陣列。納米電子鼻傳感器就是利用傳感器陣列的交叉敏感特性，經(jīng)過模式識別技術(shù)來實現(xiàn)對混合氣體的檢測。(2)信號預(yù)處理單元，相當(dāng)于二級嗅覺神經(jīng)元，它對傳感器陣列的響應(yīng)模式進(jìn)行預(yù)加工，完成特征信號的提取。(3)模式識別單元，相當(dāng)于動物和人類的大腦，它運用一定的算法完成對氣味氣體的定性或定量辨識。當(dāng)前，在電子鼻系統(tǒng)中采用的模式識別算法主要有:主成分分析法、最小二乘法、聚類方法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊邏輯法等。3.3納米電子鼻傳感器系統(tǒng)設(shè)計3.3.1系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)LED納米電子鼻傳感器系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)由氣體傳感器陣列，溫濕度傳感器模塊，顯示模塊，鍵盤模塊等組成，其主要實現(xiàn)了氣味信號采集，信號調(diào)離，A/D轉(zhuǎn)換等功能,根據(jù)不同傳感器在相應(yīng)的敏感氣體中電阻產(chǎn)生的變化，從而得以實現(xiàn)基于SnO2氣體傳感器納米電子鼻對不同氣體的檢測功能，如圖1.2為納米電子鼻硬件總框圖。LED溫濕度傳感器被測物理量溫濕度傳感器被測物理量信號調(diào)理PC電平轉(zhuǎn)換接口MCUADC氣敏傳感器陣列信號調(diào)理PC電平轉(zhuǎn)換接口MCUADC氣敏傳感器陣列 鍵盤鍵盤如圖1.2各模塊的主要功能如下：（1）氣敏傳感器陣列：主要由TGS8XX系列3個氣敏傳感器組合成陣列，分別是TGS825,TGS826和TGS832。傳感器選擇的依據(jù)是她們對氨氣，氯化氫，鹵素氣體具有敏感性。（2）信號調(diào)理模塊：主要是將氣敏傳感器電阻的變換轉(zhuǎn)換成電壓的變化，并設(shè)計模擬開關(guān)，在控制器控制下分時選通3路傳感器，依次將代表氣味響應(yīng)強(qiáng)度的電壓值送入AD轉(zhuǎn)換電路，這樣只需要占用1個AD口，也便于數(shù)據(jù)的打包處理。另外，此模塊還設(shè)計了高通濾波電路，濾除高頻干擾。（3）溫濕度傳感器模塊：在氣敏傳感器陣列外部添置了溫濕度傳感器AM2302，主要是因為溫濕度對氣敏傳感器陣列輸出信號有一定的影響，在后期建立數(shù)據(jù)處理時將環(huán)境的溫濕度作為輸入?yún)⒘繉ψR別模型進(jìn)行校正。（6）電源模塊：設(shè)計穩(wěn)定可靠的電源電路，提供系統(tǒng)所需要的5V和3.3V電源，保證RS-232轉(zhuǎn)USB電路成功。(7）人機(jī)接口模塊：處理器外部擴(kuò)展了顯示、數(shù)據(jù)存儲、鍵盤等人機(jī)交互模塊，能夠?qū)崟r顯示采集信息、脫離上位機(jī)存儲數(shù)據(jù)和執(zhí)行相應(yīng)按鍵操作。（8）A/D轉(zhuǎn)換模塊：將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，便于后續(xù)電路操作。（9）MCU模塊：接收數(shù)字信號，經(jīng)過一定的運算后輸出所需信號。3.3.2氣敏傳感器的設(shè)計（電子鼻核心部件）氣敏傳感器與人們生活、生產(chǎn)活動關(guān)系最為密切，因此氣敏傳感器的研究及開發(fā)在各類傳感器中最為活躍。當(dāng)前，已開發(fā)出了氧化物半導(dǎo)體、固體電解質(zhì)、有機(jī)半導(dǎo)體、石英振子、場效應(yīng)、熱催化、表面聲波、光學(xué)等各種類型的氣敏傳感器[12]。氣體敏感元件是能感知環(huán)境中某種或多種氣體及其濃度的一種器件，它能將氣體種類及其濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號(電壓或電流)，根據(jù)這些電信號的強(qiáng)弱就能夠獲得與待測氣體在環(huán)境中存在的情況有關(guān)的信息，從而進(jìn)行檢測、監(jiān)控、報警等，還能夠經(jīng)過接口電路與計算機(jī)或者微處理器組成自動檢測、控制和報警系統(tǒng)[13]。它主要包括半導(dǎo)體氣敏傳感器、接觸燃燒式氣敏傳感器和電化學(xué)氣敏傳感器等，其中用的最多的是半導(dǎo)體氣敏傳感器。半導(dǎo)體氣體敏感元件大多以金屬氧化物半導(dǎo)體為基礎(chǔ)材料，當(dāng)被測氣體在該半導(dǎo)體表面吸附后，其電學(xué)特性(例如電導(dǎo)率)將會發(fā)生變化。利用這種現(xiàn)象制作的各種半導(dǎo)體氣敏元件早己商品化，其應(yīng)用領(lǐng)域正日益擴(kuò)大。常見的SnO2系列氣敏元件有燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型三種，燒結(jié)型氣敏元件是當(dāng)前工藝最成熟、應(yīng)用最廣泛的氣敏元件。按加熱方式不同，又分為直熱式和旁熱式兩種結(jié)構(gòu)[14]。本課題所用敏感材料是Sn02，其特點如下：SnO2材料的物理、化學(xué)穩(wěn)定性好、壽命長、耐腐蝕性好。SnO2型氣體傳感器對氣體的檢測是可逆的，而且吸附、脫附時間短，能夠連續(xù)使用。SnO2型氣體傳感器結(jié)構(gòu)簡單，成本低、可靠性高、機(jī)械性能良好。SnO2型氣體傳感器對氣體的檢測不需要復(fù)雜的處理設(shè)備，待測氣體可經(jīng)過傳感器的阻值變化，直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，而且，其電阻率變化比較大，信號調(diào)理電路不需要放大電路就能夠?qū)崿F(xiàn)，簡化了電路設(shè)計?！?敏感機(jī)理分析§1.1基本模型要對SnO2氣敏元件的導(dǎo)電機(jī)理進(jìn)行完整統(tǒng)一的解釋是比較困難的?，F(xiàn)在一般采用以下幾種模型進(jìn)行定性解釋:表面空間電荷層模型，粒界面勢壘模型、吸附氣體產(chǎn)生能級模型和吸收效應(yīng)模型等。表面空間電荷層模型認(rèn)為:半導(dǎo)體材料吸附氣體時，表面空間電荷層發(fā)生變化，從而引起電導(dǎo)率發(fā)生變化。對于N型半導(dǎo)體，如果接觸容易接受電子的氣體，空間電荷層寬度增加，勢壘高度增加，結(jié)果使導(dǎo)電電子減少，電導(dǎo)率降低。如果接觸容易供給電子的氣體，則空間電荷層寬度減少，勢壘高度降低，結(jié)果使導(dǎo)電電子增加，電導(dǎo)率增加。晶粒界面勢壘模型認(rèn)為：半導(dǎo)體晶粒接觸界面處存在勢壘，對于N型半導(dǎo)體，接觸容易接受電子的氣體時，接觸界面勢壘高度升高，則電導(dǎo)率降低；如果接觸容易提供電子的氣體時，勢壘高度降低，電導(dǎo)率增加.吸收效應(yīng)模型認(rèn)為:對于半導(dǎo)體晶粒燒結(jié)體，晶粒中部為導(dǎo)電電子均勻分布區(qū)，表面為電子耗盡區(qū)(空間電荷層)。由于晶粒間頸部電子密度很小，因此，其電阻率要比晶粒內(nèi)部大得多，當(dāng)接觸氣體時，晶粒內(nèi)部電阻基本不便，晶粒頸部和表面電阻受空間電荷層變化的影響，因此，半導(dǎo)體氣敏元件的電阻將隨接觸氣體而變化?！?.2SnO2半導(dǎo)體氣敏元件的工作原理根據(jù)上述模型，能夠如下解釋Sn02半導(dǎo)體氣敏元件的工作原理:Sn02具有金紅石型的晶體結(jié)構(gòu)，金屬錫為四族元素，外層具有四個電子，其氧化物是可變價氧化物，有SnO2、SnO，其禁帶寬度較寬，為3.5-3.7ev，在室溫下，它的價帶電子被激發(fā)到導(dǎo)帶中去的幾率很小，因此，其電導(dǎo)主要是靠附加能級上的電子激發(fā)來實現(xiàn)。而這些附加能級是由Sn02中的點缺陷造成的。在晶體組成上，由于各種原因，實際Sn02晶體結(jié)構(gòu)中原子排列不會像它的晶體結(jié)構(gòu)模型那么理想，在材料熱處理的過程中可能留下原子空位，如金屬原子空位Vm，氧原子空位Vo，還有氧間隙原子Oi和金屬間隙原子Mi等缺陷。有時還會有意無意地向晶體中引入雜質(zhì)原子，例如為了增加Sn02的電導(dǎo)，摻入銻(Sb)，銻原子取代錫原子的位置，形成替位式雜質(zhì)原子Sbsn。這些缺陷和雜質(zhì)形成附加能級，Sn02的電導(dǎo)控制就是由這些缺陷和雜質(zhì)來決定。Sn02氣敏元件是表面電阻控制型氣敏元件，制備元件的氣敏材料是多孔質(zhì)的Sn02燒結(jié)體。在制備氣敏元件的Sn02時，要經(jīng)過高溫鍛燒的過程，在制備時氧分壓較低的情況下，氧空位Vo是SnO2的主要缺陷。SnO2的一個氧空位相當(dāng)于從02-格點處拿走一個中性原子O，于是在Vo處留下兩個電子，它與附近的錫離子在Vo處的有效電荷分布之和正好抵消，保持電中性?？墒牵@兩個電子容易被激發(fā)到導(dǎo)帶上去成為自由電子，因此Vo電離起施主作用。Vo=Vo++e（5-3）Vo+=Vo2++e（5-4）銻原子代替錫原子成為替位式原子時，由于銻原子可電離成Sb5+，其化合價高于錫離子，會有多余的電子激發(fā)出去，因此起施主作用Sn02在禁帶靠近導(dǎo)帶的地方產(chǎn)生施主能級，因此Sn02是N型半導(dǎo)體，這些施主能級上的電子，很容易激發(fā)到導(dǎo)帶，從而參與導(dǎo)電。一般元件存放在空氣中，空氣中像氧這樣電子兼容性大的氣體，接收來自半導(dǎo)體材料的電子而吸附負(fù)電荷，形成受主型表面能級，使表面帶負(fù)電，結(jié)果導(dǎo)致N型半導(dǎo)體材料的表面空間電荷層區(qū)域的傳導(dǎo)電子減少使表面電導(dǎo)減少，從而使元件處于高阻狀態(tài)。根據(jù)晶粒接觸界面勢壘模型和吸收效應(yīng)模型的討論，可知SnO2的晶粒接觸界面存在電子勢壘，即晶界勢壘，其作用是阻礙電子的運動。晶粒接觸部位電阻(即頸部電阻)對元件電阻大小起支配作用，顯然，這一電阻主要取決于勢壘高度和接觸部形狀，即主要受表面狀態(tài)和晶粒直徑大小等的影響。模型如圖5-20所示分子或原子吸附在SnO2表面，一般有兩種吸附，物理吸附和化學(xué)吸附。化學(xué)吸附的氧包括吸附在固體表面的氧的“分子離子”O(jiān)-2ad；吸附在表面的“原子離子”O(jiān)-ad；吸附在固體表面的帶兩個電子負(fù)電荷的氧離子O2-ad；及晶格氧離子。吸附態(tài)的O2-ad不穩(wěn)定，會與其它物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)或落入氧空位。在低溫下，氧在Sn02表面以分子離子形式被化學(xué)吸附，隨著溫度的圖5-20晶界勢壘模型升高，轉(zhuǎn)變?yōu)樵与x子形式被吸附，即分子離子吸附過程:e+O2=O-2ad（5-5）原子離子吸附過程:O-2ad+e=2O-ad （5-6）由于氧吸附力很強(qiáng)，因此，Sn02氣敏元件在空氣中放置時，其表面上總是會有吸附的氧，其吸附狀態(tài)能夠是O-，O-2，O2-等等，均是負(fù)電荷吸附狀態(tài)，這對N型半導(dǎo)體來說，形成了電子勢壘，使表面勢壘增大，晶界勢壘升高，耗盡層展寬，元件阻值升高。當(dāng)SnO2暴露在還原性氣氛中時，比如NH3，H2，CO等，因為還原性氣體和Sn02表面吸附的氧發(fā)生還原反應(yīng)，降低了O一的密度，同時將電子釋放回Sn02表面附近的導(dǎo)帶，使表面附近載流子濃度(即電子濃度)增大，表面電導(dǎo)增大。用方程式表示SnO2表面在CO中的情況:O-ad+H2→CO2+e（5-7）或O-2ad+2H2→2H2O+e（5-9）由于在各種不同的氣氛中氧化還原反應(yīng)速率不同，因此造成對不同氣體靈敏度不同。由于氧化還原反應(yīng)速率和溫度有關(guān)，因此選擇不同的工作溫度，會使傳感器有不同的靈敏度和相應(yīng)特性?！?.3SnO2的敏感機(jī)理一氧化碳?xì)怏w與N型半導(dǎo)體二氧化錫反應(yīng)，使電導(dǎo)增大的機(jī)理有下面說法一氧化碳?xì)怏w與二氧化錫半導(dǎo)體表面上吸附的氧反應(yīng)，造成吸附氧的脫離，使表面勢壘下降.在CO氣氛中，SnO2表面的反應(yīng)過程為:2CO+O-2→2CO2+e（5-10）CO+O2-→CO2+2e（5-11）由于吸附在Sn02半導(dǎo)體表面上的氧和一氧化碳?xì)怏w發(fā)生反應(yīng)，如上兩式，SnO2半導(dǎo)體表面上的氧便脫離SnO2半導(dǎo)體表面，同時將電子釋放回Sn02表面附近的導(dǎo)帶，晶界勢壘降低，表面附近載流子濃度(即電子濃度)增大，表面電導(dǎo)增大。這個勢壘高度又與吸附CO的分子數(shù)有關(guān)，因此表面電導(dǎo)率與CO氣體濃度有關(guān)。CO氣體濃度高，電導(dǎo)率增大。而當(dāng)CO氣體濃度高到不能完全被半導(dǎo)體表面吸附的氧氧化時，其電導(dǎo)率將變化不大，元件靈敏度也變化不大，Pt在微氣體傳感器中除了做電極外，也起到這種催化劑的作用，因而元件的靈敏度有很大的提高。下面是半導(dǎo)體傳感器的性能參數(shù)：(1)氣敏元件的電阻值將電阻型氣敏元件在常溫下潔凈空氣中的電阻值，稱為氣敏元件(電阻型)的固有電阻值，表示為Ra。一般其固有電阻值在(103～105)Ω范圍。(2)氣敏元件的靈敏度氣敏傳感器在一定工作條件下，接觸到某種氣體，其電阻值Rs隨氣體濃度變化的特性稱之為靈敏度特性，用K表示:K=Rs／R0式中，R0為氣敏傳感器在潔凈空氣中電阻值，Rs為氣敏傳感器在一定濃度的檢測氣體中的電阻值。(3)氣敏元件的響應(yīng)時間及恢復(fù)時間氣敏元件的響應(yīng)時間，表示在工作溫度下，氣敏元件對被測氣體的響應(yīng)速度。一般從氣敏元件與一定濃度的被測氣體接觸開始計時，直到氣敏元件的阻值達(dá)到在此濃度下穩(wěn)定電阻值的63%時為止，所需時間稱為氣敏元件在此濃度下的被測氣體中的響應(yīng)時間，一般見符號tr表示。氣敏元件的恢復(fù)時間，表示在工作溫度下，被測氣體由該元件解吸的速度。一般從氣敏元件脫離被測氣體開始計時，直到其阻值恢復(fù)到在潔凈空氣中阻值的63%時為止，所需時間稱為恢復(fù)時間。(4)初期穩(wěn)定時間在非工作狀態(tài)下長期存放的氣敏元件，因表面吸附空氣中的水氣或者其它氣體，導(dǎo)致其表面狀態(tài)發(fā)生了變化，在加上負(fù)電荷后，隨著元件溫度的升高，發(fā)生解吸現(xiàn)象。因此，氣敏元件要恢復(fù)正常工作狀態(tài)，需要一定的時間。一般電阻型氣敏元件，在剛通電的瞬間，其阻值將下降，然后再上升，最后達(dá)到穩(wěn)定。從開始通電直到氣敏元件阻值達(dá)到穩(wěn)定所需時間，稱為初期穩(wěn)定時間。初期穩(wěn)定時間是敏感元件存放時間與環(huán)境狀態(tài)的函數(shù)。存放的時間越長，其初期穩(wěn)定時間也就越長。(5)氣敏元件的加熱電阻和加熱功率半導(dǎo)體氣敏元件一般要在較高的溫度(300℃一400℃)環(huán)境中工作。為氣敏元件提供必要工作溫度的加熱器的電阻稱為加熱電阻，常見符號RH表示。直熱式氣敏元件的加熱電阻值一般較小(小于5Ω)，旁熱式氣敏元件的加熱電阻較大(大于200Ω)。氣敏元件正常工作所需的加熱功率用PH表示，一般在0.5一2.OW范圍。選擇合適的氣體傳感器對于具體的應(yīng)用來說是非常關(guān)鍵的，經(jīng)過查找資料，本課題最終決定使用TGS832傳感器，TGS825傳感器和TGS826傳感器。TGS25傳感器又叫硫化氫傳感器，主要監(jiān)測氣體：H2S,測量范圍5-100ppm，靈敏度0.45+/-0.15。TGS826傳感器又叫氨氣傳感器，主要監(jiān)測氣體：氨氣，測量范圍30-300ppm，靈敏度0.4-0.7。TGS832傳感器又叫R-134a鹵素氣體傳感器，主要監(jiān)測氣體：R-134a的鹵素氣體，測量范圍：10-3000ppm，靈敏度0.5-0.65。費加羅公司生產(chǎn)的TGS8XX系列傳感器具有功耗低，壽命長，成本低，結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好等優(yōu)點，是本課題傳感器不錯的選擇如圖2.7。為了校正溫濕度對電子鼻系統(tǒng)的影響，傳感器板上擴(kuò)展了AM2302型數(shù)字溫濕度傳感器，其是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，擁有以下優(yōu)勢：（1）它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性；（2）傳感器包括一個電容式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機(jī)相連接，因此具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價比極高等優(yōu)點；（3）每個AM2302傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)；（4）單線制串行接口，系統(tǒng)集成簡易快捷；（5）超小體積、極低功耗、信息傳輸可達(dá)20米以上。3.3.3信號處理3.3.3.1電源及加熱電路電源是電子鼻系統(tǒng)的能量來源，是系統(tǒng)工作的基本條件。本系統(tǒng)所需+5V、+3.3V和-5V電壓，電路設(shè)計如圖3（a）所示。圖3（a）中Rp為10Ω/2W的功率電阻，C1=1000μF、C2=C4=C6=0.1μF、C3=C5=0.33μF、C7=C8=10μF。本系統(tǒng)采用基于Sn02的氣體傳感器TGS813、TGS822TF、MQ-4、MQ-5、MQ-7和MQ-8、，工作溫度一般在300~400℃，加熱電阻以封裝在傳感器內(nèi)部，靜態(tài)加熱電壓一般為5.0±0.2V，單個傳感器的加熱功耗Ph為835±90mW，六個傳感器的總功耗約5W，這就對加熱電源的功率要求較高，為此，本系統(tǒng)利用LM2576設(shè)計了加熱電壓為5.0V，最大電流3A的加熱控制模塊，圖3（b）是傳感器陣列的加熱電路。圖3（b）中Cin=Cout=100μF、L1=100μH，D1是IN5822。圖3電源及加熱控制電路3.3.3.2信號調(diào)理及測量電路設(shè)計基于Sn02的氣敏傳感器是把對氣體的響應(yīng)轉(zhuǎn)化為電導(dǎo)的變化，測量電路是將傳感器電導(dǎo)變化轉(zhuǎn)化為電壓變化。該電壓經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后，送入微處理器處理。測量電路以傳感器生產(chǎn)廠家提供的測量電路為參考，以TGS813為例，圖4中傳感器加熱電壓為圖3中的5.0V，測量回路電壓為3.3V，由于傳感器測量回路的功耗過大會導(dǎo)致傳感器敏感性降低，故負(fù)載電阻RL取5k，放大器采用AnalogDevice的AD620，它是雙電源供電，工作電壓范圍為±2.3V~±18V，本系統(tǒng)采用±5V，放大倍數(shù)經(jīng)過外接電阻Rg實現(xiàn)可調(diào)，范圍為1-1000，由于負(fù)載電阻RL上的電壓變化范圍0~3.3V，而所選A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓取3.3V，因此AD620的外接電阻Rg取5M，此時的放大倍數(shù)為1.01。圖4信號調(diào)理及測量電路3.3.3.3信號采集用單片機(jī)作為這一控制系統(tǒng)的核心，接受來自ADC0809的數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后經(jīng)過串口傳送，由于系統(tǒng)功能簡單，鍵盤僅由兩個開關(guān)和一個外部中斷端組成，完成采樣通道的選擇，單片機(jī)經(jīng)過接口芯片與LED數(shù)碼顯示器相連，驅(qū)動顯示器顯示相應(yīng)通道采集到的數(shù)據(jù)。其接口電路如圖2-4所示。圖2-4圖2-4ADC0809與MCS-51的接口電路注：ADC0809的基準(zhǔn)電壓可經(jīng)過基準(zhǔn)電壓芯片供給，如MAX875,可供給5V基準(zhǔn)電壓。3.3.3.4控制器、振蕩源和復(fù)位電路復(fù)位即回到初始狀態(tài)，是單片機(jī)經(jīng)常進(jìn)入的工作狀態(tài)。單片機(jī)振蕩電路的振蕩周期和時鐘電路的時鐘周期決定了CPU的時序。1．復(fù)位電路圖2-6上電外部復(fù)位電路單片機(jī)的復(fù)位是靠外部電路實現(xiàn)的。無論是HMOS還是CHMOS型，在振蕩器正運行的情況下，RST引腳保持二個機(jī)器周期以上時間的高電平，系統(tǒng)復(fù)位。在RST端出現(xiàn)高電平的第二個周期，執(zhí)行內(nèi)部復(fù)位，以后每個周期復(fù)位一次，直至RST端變低。本文采用上電外部復(fù)位電路，如圖2-6所示，相關(guān)參數(shù)為典型值。圖2-6上電外部復(fù)位電路2.振蕩源圖2-7內(nèi)部振蕩器方式內(nèi)部方式時鐘電路如圖2-7所示。外接晶體以及電容、構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中，內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生自激振蕩，一般晶振可在2～12MHz之間任選。對外接電容值雖然沒有嚴(yán)格的要求，但電容的大小多少會影響振蕩頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。外接晶體時，和一般選30pF左右；外接陶瓷諧振器時，和的典型值為47pF。圖2-7內(nèi)部振蕩器方式3.3.3.5鍵盤與顯示電路1.鍵盤鍵盤由一組常開按鍵開關(guān)組成。鍵盤系統(tǒng)的主要工作包括及時發(fā)現(xiàn)有鍵閉合，并作相應(yīng)的處理。圖2-8鍵盤硬件邏輯本系統(tǒng)中采用中斷方式的開關(guān)代替鍵盤，完成采集通道的選擇。硬件邏輯如圖2-8所示。圖2-8鍵盤硬件邏輯2.顯示顯示部分為8個共陰極的七段LED顯示器，8個七段LED的a～dp字段的引腳分別由8個OC門同相驅(qū)動器驅(qū)動。OC門驅(qū)動器用7407，當(dāng)7407輸出低電平時，沒有電流流過LED，當(dāng)7407輸出為開路狀態(tài)時，電流經(jīng)100限流電阻流入LED顯示器，每個七段LED的公共端都接一個反相驅(qū)動器，反相驅(qū)動器使用75452，當(dāng)某一字段需要亮?xí)r，該LED公共端的反相驅(qū)動器必須是低電平輸出，而且這一字段的同相驅(qū)動器必須是高電平輸出。單片機(jī)經(jīng)過8155接口芯片的A口位選，經(jīng)B口確定那些字段LED發(fā)光。LED發(fā)光時，驅(qū)動電流計算如下，每一字段脈沖電流—LED正向壓降—晶體管的飽和壓降公共端最大電流原理圖如圖2-9所示圖2-9顯示電路原理圖圖2-9顯示電路原理圖3.3.3.6通信電路51單片機(jī)有一個全雙工的串行口，因此單片機(jī)和PC之間能夠方便地進(jìn)行串口通訊。進(jìn)行串行通信時要滿足一定的條件，如PC的串口是RS232電平的，而單片機(jī)的串口是TTL電平的，兩者之間必須有一個電平轉(zhuǎn)換電路，這里用專用芯片MAX232進(jìn)行轉(zhuǎn)換，用專用芯片更簡單可靠。MAX232如圖2-10所示。它包含兩路接收器和驅(qū)動器，內(nèi)部有一個電源電壓變換器，能夠把輸入的+5V電壓變換位RS-232輸出電平所需的+10V電壓。因此，用該芯片接口的串行通信只需單一的+5V電源就能夠了。其應(yīng)用性更強(qiáng)。圖2-10（b）中上半部電容、、、及，是電源變換部分。實際應(yīng)用中，器件對電源噪聲很敏感。因此，對地需要加去耦電容，其值為1.0uF。電容、、、取同樣數(shù)值的電解電容，以提高抗干擾能力。(a)(b)(a)(b)圖2-10MAX232引腳圖和電容典型參數(shù)圖2-10MAX232引腳圖和電容典型參數(shù)圖2-10（b）下半部分為發(fā)送和接收部分，，可直接接TTL/CMOS電平的MCS-51型單片機(jī)的串行發(fā)送端TXD；,可直接接TTL/CMOS電平的MCS-51型單片機(jī)的串行接受端RXD；，可直接接PC機(jī)的RS-232串口接受端RXD；,可直接接PC機(jī)的RS-232串口發(fā)送端TXD。硬件原理圖如圖2-11所示。圖2-11通信接口電路圖2-11通信接口電路串口通信的硬件連接采用三線制連接串口，就是說和PC的9針串口只連接其中的3根線：第5腳的GND、第2腳的RXD、第3腳的TXD。這是最簡單的連接方法，可是對本題來說已經(jīng)足夠了，MAX232的第11腳和單片機(jī)的11號引腳連接，第12腳和單片機(jī)的10腳連接，第15腳和單片機(jī)的20腳連接。MAX232的第14腳和PC機(jī)串口的2號引腳連接，第13腳和PC機(jī)串口的3號引腳連接，第15腳和PC機(jī)串口的5號引腳連接。3.3.4模式識別本課題氣體傳感器陣列對不同氣體進(jìn)行檢測，期望可經(jīng)過對氣味數(shù)據(jù)的處理將她們鑒別出來，但傳感器多測量的信號與氣體之間沒有直接的對應(yīng)關(guān)系，因此需要經(jīng)過模式識別算法進(jìn)行處理。常見的模式識別算法有：（1）k-近鄰法：k-近鄰法是根據(jù)距離最近的K個樣例類型來推測該樣例類型的方法；（2）聚類分析：聚類分析指將物理或抽象對象的集合分組成為由類似的對象組成的多個類的分析過程；（3）判別分析：判別分析又稱“分辨法”，是在分類確定的條件下，根據(jù)某一研究對象的各種特征值判別其類型歸屬問題的一種多變量統(tǒng)計分析方法；（4）主成分分析：將多個變量經(jīng)過線性變換以選出較少個數(shù)重要變量的一種多元統(tǒng)計分析方法，稱主分量分析等等。在本課題中我們將采用學(xué)習(xí)向量量化。3.3.4.1主成分分析（PCA）PCA又稱為主成分分析，是在電子鼻領(lǐng)域應(yīng)用最多的算法之一。設(shè)有n個樣本，m個變量，則原始測量數(shù)據(jù)的矩陣向量為將原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，得到標(biāo)準(zhǔn)化的測量值：式中為變量測量值的樣本平均值；為變量測量值的樣本標(biāo)準(zhǔn)差。將標(biāo)準(zhǔn)化的測量值組成對應(yīng)的新矩陣向量，并求其協(xié)方差矩陣，然后求協(xié)方差矩陣的特征值，按大小順序排列得，對應(yīng)的特征向量為。所求特征向量按順序分別稱為第1,2,3,4…m主成分。各主成分的貢獻(xiàn)率按下式進(jìn)行計算：取前個主成分方向上的得分：主成分分析的實質(zhì)就是尋找在最小均方意義下最能夠代表原始數(shù)據(jù)的投影方法，如圖所示。主成分分析方法易于理解，便于實現(xiàn)，一般取原始數(shù)據(jù)在前2個或前3個主成分上的投影進(jìn)行繪圖，為保證繪圖的可靠性，要求前2個或前3個主成分的累計貢獻(xiàn)率在80%以上。3.3.4.2學(xué)習(xí)向量量化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（LVQ）1.LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)概述學(xué)習(xí)向量量化(LVQ)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種有監(jiān)督的訓(xùn)練競爭層的方法。學(xué)習(xí)向量量化網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)θ我廨斎胂蛄窟M(jìn)行分類，不論它們是不是線性可分，這點比感知器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)要優(yōu)越得多。2.LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)LVQ網(wǎng)絡(luò)模型如圖4.3所示[17]，網(wǎng)絡(luò)由3層神經(jīng)元組成,即輸入層、競爭層和線性輸出層如圖4.4。該網(wǎng)絡(luò)在輸入層與競爭層之間為完全連接,而在競爭層與線性輸出層之間為部分連接,每個輸出神經(jīng)元與競爭神經(jīng)元的不同組相連接,競爭層和線性輸出神經(jīng)元之間的連接權(quán)值固定l。輸入層和競爭神經(jīng)元間的連接權(quán)值建立為參考矢量的分量(對每個競爭神經(jīng)元指定一個參考矢量)。在網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程中，這些權(quán)值被修改。競爭神經(jīng)元和線性輸出神經(jīng)元都具有二進(jìn)制輸出值。當(dāng)某個輸入模式被送至網(wǎng)絡(luò)時,參考矢量最接近輸入模式的競爭神經(jīng)元因獲得激發(fā)而贏得競爭,因而允許它產(chǎn)生一個“1”,其它競爭神經(jīng)元都被迫產(chǎn)生“0”。與包括獲勝神經(jīng)元的競爭神經(jīng)元組相連接的輸出神經(jīng)元也發(fā)出“1”，而其它輸出神經(jīng)元均發(fā)出“0”。產(chǎn)生“1”的輸出神經(jīng)元給出輸入模式的類,每個輸出神經(jīng)元被表示為不同的類[18]。3.LVQ網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法LVQ網(wǎng)絡(luò)根據(jù)輸入向量和權(quán)值向量的最小歐氏距離選取獲勝神經(jīng)元，而且采用勝者為王的競爭機(jī)制，令該神經(jīng)元的輸出為1，其它神經(jīng)元的輸出為0。LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)算法如下[19]:(1)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)設(shè)定輸入層和隱藏層之間的權(quán)值初始值。(2)將輸入向量X=[x1,x2,#,xn]T送入輸入層。(3)根據(jù)歐式距離d=計算隱藏層與輸入向量的距離.(4)選擇與權(quán)值向量的距離最小的神經(jīng)元。(5)更新連接權(quán)值.如果勝出神經(jīng)元和預(yù)先指定的分類一致,稱為正確分類權(quán)值的調(diào)整按wi(t+1)=wi(t)+(t)(x-wi(t))更新；如果勝出神經(jīng)元和預(yù)先