中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)學(xué)生姓名周明行學(xué)號(hào)32學(xué)院電子與計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院專(zhuān)業(yè)微電子學(xué)題目納米電子鼻傳感器設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師譚秋林職稱(chēng)副教授2013年6月3日目錄1、課程設(shè)計(jì)目的012、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求0121、設(shè)計(jì)內(nèi)容0122、設(shè)計(jì)要求013、設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)情況0131、納米電子鼻傳感器簡(jiǎn)介0132、納米電子鼻的工作原理及框圖0133、納米電子鼻傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)02331、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)02332、氣敏傳感器的設(shè)計(jì)03333、信號(hào)處理09334、模式識(shí)別154、課程設(shè)計(jì)總結(jié)185、參考文獻(xiàn)191設(shè)計(jì)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(guò)程。（3）掌握納米電子鼻傳感器信號(hào)的讀取方法。2設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求（1）查閱相關(guān)資料，提出相應(yīng)設(shè)計(jì)方案。（2）選擇適當(dāng)?shù)牟牧显O(shè)計(jì)該傳感器。（3）在設(shè)計(jì)過(guò)程中，進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和分析。（4）能夠?qū)崿F(xiàn)該氣體傳感器的信號(hào)的正常讀取。（5）整理設(shè)計(jì)內(nèi)容，編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)3設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)情況31納米電子鼻傳感器簡(jiǎn)介電子鼻，又稱(chēng)人工嗅覺(jué)系統(tǒng)，是模擬生物嗅覺(jué)系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的一種智能電子“嗅覺(jué)”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(shí)別、計(jì)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(mén)綜合性技術(shù)。主要用來(lái)分析、識(shí)別和檢測(cè)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(gè)術(shù)語(yǔ)出現(xiàn)在80年代晚期，1987年它被專(zhuān)門(mén)用于一個(gè)會(huì)議4，1989年北大西洋公約組織召開(kāi)了關(guān)于化學(xué)傳感器信息處理的高級(jí)專(zhuān)題討論會(huì)5，會(huì)議上對(duì)電子鼻做了如下定義“電子鼻是由多個(gè)性能彼此重疊的氣敏傳感器和適當(dāng)?shù)哪Ｊ椒诸?lèi)方法組成的具有識(shí)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(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議，最大規(guī)模的一屆會(huì)議于1997年在美國(guó)的圣地亞哥召開(kāi)。此后，各國(guó)學(xué)者對(duì)電子鼻的性能、標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)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(shí)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(bào)道也相當(dāng)可觀6。32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(hào)預(yù)處理單元和模式識(shí)別單元如圖11氣體氣體氣味氣味定性定量圖11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(jí)嗅覺(jué)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(duì)氣體或氣味的響應(yīng)轉(zhuǎn)化為可以測(cè)量的變化的電壓信號(hào)。氣敏傳感器陣列可以采用數(shù)個(gè)單獨(dú)的氣敏傳感器組合而成，也可以采用集成工藝制作的專(zhuān)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，通過(guò)模式識(shí)別技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)混合氣體的檢測(cè)。2信號(hào)預(yù)處理單元，相當(dāng)于二級(jí)嗅覺(jué)神經(jīng)元，它對(duì)傳感器陣列的響應(yīng)模式進(jìn)行預(yù)加工，完成特征信號(hào)的提取。3模式識(shí)別單元，相當(dāng)于動(dòng)物和人類(lèi)的大腦，它運(yùn)用一定的算法完成對(duì)氣味氣體的定性或定量辨識(shí)。目前，在電子鼻系統(tǒng)中采用的模式識(shí)別算法主要有主成分分析法、最小二乘法、聚類(lèi)方法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊邏輯法等。33納米電子鼻傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)331系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)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(pán)模塊等組成，其主要實(shí)現(xiàn)了氣味信號(hào)采集，信號(hào)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(shí)現(xiàn)基于SNO2氣體傳感器納米電子鼻對(duì)不同氣體的檢測(cè)功能，如圖12為納米電子鼻硬件總框圖。氣敏傳感器模式識(shí)別信號(hào)處理被測(cè)物理量溫濕度傳感器氣敏傳感器陣列信號(hào)調(diào)理ADCMCULED鍵盤(pán)電平轉(zhuǎn)換接口PC如圖12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(gè)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)是他們對(duì)氨氣，氯化氫，鹵素氣體具有敏感性。（2）信號(hào)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(jì)模擬開(kāi)關(guān)，在控制器控制下分時(shí)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(gè)AD口，也便于數(shù)據(jù)的打包處理。另外，此模塊還設(shè)計(jì)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?yàn)闇貪穸葘?duì)氣敏傳感器陣列輸出信號(hào)有一定的影響，在后期建立數(shù)據(jù)處理時(shí)將環(huán)境的溫濕度作為輸入?yún)⒘繉?duì)識(shí)別模型進(jìn)行校正。（6）電源模塊設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠的電源電路，提供系統(tǒng)所需要的5V和33V電源，保證RS232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(chǔ)、鍵盤(pán)等人機(jī)交互模塊，可以實(shí)時(shí)顯示采集信息、脫離上位機(jī)存儲(chǔ)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(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，便于后續(xù)電路操作。（9）MCU模塊接收數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)一定的運(yùn)算后輸出所需信號(hào)。332氣敏傳感器的設(shè)計(jì)（電子鼻核心部件）氣敏傳感器與人們生活、生產(chǎn)活動(dòng)關(guān)系最為密切，因此氣敏傳感器的研究及開(kāi)發(fā)在各類(lèi)傳感器中最為活躍。目前，已開(kāi)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(chǎng)效應(yīng)、熱催化、表面聲波、光學(xué)等各種類(lèi)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(lèi)及其濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)電壓或電流，根據(jù)這些電信號(hào)的強(qiáng)弱就可以獲得與待測(cè)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(cè)、監(jiān)控、報(bào)警等，還可以通過(guò)接口電路與計(jì)算機(jī)或者微處理器組成自動(dòng)檢測(cè)、控制和報(bào)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(cè)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(huì)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(jiàn)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)型氣敏元件是目前工藝最成熟、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(diǎn)如下（1）SNO2材料的物理、化學(xué)穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)、耐腐蝕性好。（2）SNO2型氣體傳感器對(duì)氣體的檢測(cè)是可逆的，而且吸附、脫附時(shí)間短，可以連續(xù)使用。（3）SNO2型氣體傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低、可靠性高、機(jī)械性能良好。（4）SNO2型氣體傳感器對(duì)氣體的檢測(cè)不需要復(fù)雜的處理設(shè)備，待測(cè)氣體可通過(guò)傳感器的阻值變化，直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，而且，其電阻率變化比較大，信號(hào)調(diào)理電路不需要放大電路就可以實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。1敏感機(jī)理分析11基本模型要對(duì)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)在通常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(shì)壘模型、吸附氣體產(chǎn)生能級(jí)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(shí)，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(duì)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(shì)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(shì)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(shì)壘模型認(rèn)為半導(dǎo)體晶粒接觸界面處存在勢(shì)壘，對(duì)于N型半導(dǎo)體，接觸容易接受電子的氣體時(shí)，接觸界面勢(shì)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(shí)，勢(shì)壘高度降低，電導(dǎo)率增加吸收效應(yīng)模型認(rèn)為對(duì)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，所以，其電阻率要比晶粒內(nèi)部大得多，當(dāng)接觸氣體時(shí)，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。12SNO2半導(dǎo)體氣敏元件的工作原理根據(jù)上述模型，可以如下解釋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(gè)電子，其氧化物是可變價(jià)氧化物，有SNO2、SNO，其禁帶寬度較寬，為3537EV，在室溫下，它的價(jià)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(jí)上的電子激發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)。而這些附加能級(jí)是由SN02中的點(diǎn)缺陷造成的。在晶體組成上，由于各種原因，實(shí)際SN02晶體結(jié)構(gòu)中原子排列不會(huì)像它的晶體結(jié)構(gòu)模型那么理想，在材料熱處理的過(guò)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(shí)還會(huì)有意無(wú)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(jí)，SN02的電導(dǎo)控制就是由這些缺陷和雜質(zhì)來(lái)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(shí)，要經(jīng)過(guò)高溫鍛燒的過(guò)程，在制備時(shí)氧分壓較低的情況下，氧空位VO是SNO2的主要缺陷。SNO2的一個(gè)氧空位相當(dāng)于從02格點(diǎn)處拿走一個(gè)中性原子O，于是在VO處留下兩個(gè)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。但是，這兩個(gè)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。VOVOE（53）VOVO2E（54）銻原子代替錫原子成為替位式原子時(shí)，由于銻原子可電離成SB5，其化合價(jià)高于錫離子，會(huì)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(jí)，因此SN02是N型半導(dǎo)體，這些施主能級(jí)上的電子，很容易激發(fā)到導(dǎo)帶，從而參與導(dǎo)電。通常元件存放在空氣中，空氣中像氧這樣電子兼容性大的氣體，接收來(lái)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(jí)，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(shì)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(shì)壘，即晶界勢(shì)壘，其作用是阻礙電子的運(yùn)動(dòng)。晶粒接觸部位電阻即頸部電阻對(duì)元件電阻大小起支配作用，顯然，這一電阻主要取決于勢(shì)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520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?；瘜W(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(gè)電子負(fù)電荷的氧離子O2AD；及晶格氧離子。吸附態(tài)的O2AD不穩(wěn)定，會(huì)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520晶界勢(shì)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(guò)程EO2O2AD（55）原子離子吸附過(guò)程O(píng)2ADE2OAD（56）由于氧吸附力很強(qiáng)，因此，SN02氣敏元件在空氣中放置時(shí)，其表面上總是會(huì)有吸附的氧，其吸附狀態(tài)可以是O，O2，O2等等，均是負(fù)電荷吸附狀態(tài)，這對(duì)N型半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，形成了電子勢(shì)壘，使表面勢(shì)壘增大，晶界勢(shì)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(shí)，比如NH3，H2，CO等，因?yàn)檫€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(shí)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OADH2CO2E（57）或O2AD2H22H2OE（59）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(duì)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(huì)使傳感器有不同的靈敏度和相應(yīng)特性。13SNO2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(shuō)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(shì)壘下降在CO氣氛中，SNO2表面的反應(yīng)過(guò)程為2COO22CO2E（510）COO2CO22E（511）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(shí)將電子釋放回SN02表面附近的導(dǎo)帶，晶界勢(shì)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(gè)勢(shì)壘高度又與吸附CO的分子數(shù)有關(guān)，所以表面電導(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(shí)，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(chēng)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103105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(chēng)之為靈敏度特性，用K表示KRSR0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(cè)氣體中的電阻值。3氣敏元件的響應(yīng)時(shí)間及恢復(fù)時(shí)間氣敏元件的響應(yīng)時(shí)間，表示在工作溫度下，氣敏元件對(duì)被測(cè)氣體的響應(yīng)速度。一般從氣敏元件與一定濃度的被測(cè)氣體接觸開(kāi)始計(jì)時(shí)，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(shí)為止，所需時(shí)間稱(chēng)為氣敏元件在此濃度下的被測(cè)氣體中的響應(yīng)時(shí)間，通常用符號(hào)TR表示。氣敏元件的恢復(fù)時(shí)間，表示在工作溫度下，被測(cè)氣體由該元件解吸的速度。一般從氣敏元件脫離被測(cè)氣體開(kāi)始計(jì)時(shí)，直到其阻值恢復(fù)到在潔凈空氣中阻值的63時(shí)為止，所需時(shí)間稱(chēng)為恢復(fù)時(shí)間。4初期穩(wěn)定時(shí)間在非工作狀態(tài)下長(zhǎng)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(shí)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(kāi)始通電直到氣敏元件阻值達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間，稱(chēng)為初期穩(wěn)定時(shí)間。初期穩(wěn)定時(shí)間是敏感元件存放時(shí)間與環(huán)境狀態(tài)的函數(shù)。存放的時(shí)間越長(zhǎng)，其初期穩(wěn)定時(shí)間也就越長(zhǎng)。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(chēng)為加熱電阻，常用符號(hào)RH表示。直熱式氣敏元件的加熱電阻值一般較小小于5，旁熱式氣敏元件的加熱電阻較大大于200。氣敏元件正常工作所需的加熱功率用PH表示，一般在05一2OW范圍。選擇合適的氣體傳感器對(duì)于具體的應(yīng)用來(lái)說(shuō)是非常關(guān)鍵的，經(jīng)過(guò)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(cè)氣體H2S,測(cè)量范圍5100PPM，靈敏度045/015。TGS826傳感器又叫氨氣傳感器，主要監(jiān)測(cè)氣體氨氣，測(cè)量范圍30300PPM，靈敏度0407。TGS832傳感器又叫R134A鹵素氣體傳感器，主要監(jiān)測(cè)氣體R134A的鹵素氣體，測(cè)量范圍103000PPM，靈敏度05065。費(fèi)加羅公司生產(chǎn)的TGS8XX系列傳感器具有功耗低，壽命長(zhǎng)，成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，是本課題傳感器不錯(cuò)的選擇如圖27。為了校正溫濕度對(duì)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(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，擁有以下優(yōu)勢(shì)（1）它應(yīng)用專(zhuān)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(zhǎng)期穩(wěn)定性；（2）傳感器包括一個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)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?xún)r(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)；（3）每個(gè)AM2302傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過(guò)程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)；（4）單線(xiàn)制串行接口，系統(tǒng)集成簡(jiǎn)易快捷；（5）超小體積、極低功耗、信息傳輸可達(dá)20米以上。333信號(hào)處理3331電源及加熱電路電源是電子鼻系統(tǒng)的能量來(lái)源，是系統(tǒng)工作的基本條件。本系統(tǒng)所需5V、33V和5V電壓，電路設(shè)計(jì)如圖3（A）所示。圖3（A）中RP為10/2W的功率電阻，C11000F、C2C4C601F、C3C5033F、C7C810F。本系統(tǒng)采用基于SN02的氣體傳感器TGS813、TGS822TF、MQ4、MQ5、MQ7和MQ8、，工作溫度一般在300400，加熱電阻以封裝在傳感器內(nèi)部，靜態(tài)加熱電壓一般為5002V，單個(gè)傳感器的加熱功耗PH為83590MW，六個(gè)傳感器的總功耗約5W，這就對(duì)加熱電源的功率要求較高，為此，本系統(tǒng)利用LM2576設(shè)計(jì)了加熱電壓為50V，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CINCOUT100F、L1100H，D1是IN5822。圖3電源及加熱控制電路3332信號(hào)調(diào)理及測(cè)量電路設(shè)計(jì)基于SN02的氣敏傳感器是把對(duì)氣體的響應(yīng)轉(zhuǎn)化為電導(dǎo)的變化，測(cè)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(cè)量電路以傳感器生產(chǎn)廠(chǎng)家提供的測(cè)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50V，測(cè)量回路電壓為33V，由于傳感器測(cè)量回路的功耗過(guò)大會(huì)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23V18V，本系統(tǒng)采用5V，放大倍數(shù)通過(guò)外接電阻RG實(shí)現(xiàn)可調(diào)，范圍為11000，由于負(fù)載電阻RL上的電壓變化范圍033V，而所選A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓取33V，所以AD620的外接電阻RG取5M，此時(shí)的放大倍數(shù)為101。圖4信號(hào)調(diào)理及測(cè)量電路3333信號(hào)采集用單片機(jī)作為這一控制系統(tǒng)的核心，接受來(lái)自ADC0809的數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后通過(guò)串口傳送，由于系統(tǒng)功能簡(jiǎn)單，鍵盤(pán)僅由兩個(gè)開(kāi)關(guān)和一個(gè)外部中斷端組成，完成采樣通道的選擇，單片機(jī)通過(guò)接口芯片與LED數(shù)碼顯示器相連，驅(qū)動(dòng)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24所示。圖24ADC0809與MCS51的接口電路注ADC0809的基準(zhǔn)電壓可通過(guò)基準(zhǔn)電壓芯片供給，如MAX875,可供給5V基準(zhǔn)電壓。3334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(shí)鐘電路的時(shí)鐘周期決定了CPU的時(shí)序。圖27內(nèi)部振蕩器方式1復(fù)位電路單片機(jī)的復(fù)位是靠外部電路實(shí)現(xiàn)的。無(wú)論是HMOS還是CHMOS型，在振蕩器正運(yùn)行的情況下，RST引腳保持二個(gè)機(jī)器周期以上時(shí)間的高電平，系統(tǒng)復(fù)位。在RST端出現(xiàn)高電平的第二個(gè)周期，執(zhí)行內(nèi)部復(fù)位，以后每個(gè)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26所示，相關(guān)參數(shù)為典型值。2振蕩源內(nèi)部方式時(shí)鐘電路如圖27所示。外接晶體以及電容、構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接1C2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212MHZ之間任選。對(duì)外接電容值雖然沒(méi)有嚴(yán)格的要求，但電容的大小多少會(huì)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(shí)，和通常選30PF左右；外接陶瓷諧振器時(shí)，和1C21C的典型值為47PF。2C3335鍵盤(pán)與顯示電路1鍵盤(pán)鍵盤(pán)由一組常開(kāi)按鍵開(kāi)關(guān)組成。鍵盤(pán)系統(tǒng)的主要工作包括及時(shí)發(fā)現(xiàn)有鍵閉合，并作相應(yīng)的處理。本系統(tǒng)中采用中斷方式的開(kāi)關(guān)代替鍵盤(pán)，完成采集通道的選擇。硬件邏輯如圖28所示。2顯示顯示部分為8個(gè)共陰極的七段LED顯示器，8個(gè)七段LED的ADP字段的圖26上電外部復(fù)位電路圖28鍵盤(pán)硬件邏輯引腳分別由8個(gè)OC門(mén)同相驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。OC門(mén)驅(qū)動(dòng)器用7407，當(dāng)7407輸出低電平時(shí)，沒(méi)有電流流過(guò)LED，當(dāng)7407輸出為開(kāi)路狀態(tài)時(shí)，電流經(jīng)100限流電阻流入LED顯示器，每個(gè)七段LED的公共端都接一個(gè)反相驅(qū)動(dòng)器，反相驅(qū)動(dòng)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(dòng)器必須是低電平輸出，并且這一字段的同相驅(qū)動(dòng)器必須是高電平輸出。單片機(jī)通過(guò)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(shí)，驅(qū)動(dòng)電流計(jì)算如下，每一字段脈沖電流15160925CFCSVIMARLED正向壓降FV晶體管的飽和壓降CS公共端最大電流218250INMA原理圖如圖29所示3336通信電路51單片機(jī)有一個(gè)全雙工的串行口，所以單片機(jī)和PC之間可以方便地進(jìn)行圖29顯示電路原理圖串口通訊。進(jìn)行串行通信時(shí)要滿(mǎn)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(gè)電平轉(zhuǎn)換電路，這里用專(zhuān)用芯片MAX232進(jìn)行轉(zhuǎn)換，用專(zhuān)用芯片更簡(jiǎn)單可靠。MAX232如圖210所示。它包含兩路接收器和驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)部有一個(gè)電源電壓變換器，可以把輸入的5V電壓變換位RS232輸出電平所需的10V電壓。所以，用該芯片接口的串行通信只需單一的5V電源就可以了。其應(yīng)用性更強(qiáng)。圖210（B）中上半部電容、及，是電源變換部分。實(shí)際應(yīng)用中，器件對(duì)電源噪聲很1C234V敏感。因此，對(duì)地需要加去耦電容，其值為10UF。電容、C5C1C23取同樣數(shù)值的電解電容，以提高抗干擾能力。4圖210（B）下半部分為發(fā)送和接收部分，可直接接TTL/CMOS1INT2I電平的MCS51型單片機(jī)的串行發(fā)送端TXD；,可直接接TTL/CMOS電OUTRT平的MCS51型單片機(jī)的串行接受端RXD；，可直接接PC機(jī)的RS232TT串口接受端RXD；,可直接接PC機(jī)的RS232串口發(fā)送端TXD。1INR2I硬件原理圖如圖211所示。BA圖210MAX232引腳圖和電容典型參數(shù)串口通信的硬件連接采用三線(xiàn)制連接串口，就是說(shuō)和PC的9針串口只連接其中的3根線(xiàn)第5腳的GND、第2腳的RXD、第3腳的TXD。這是最簡(jiǎn)單的連接方法，但是對(duì)本題來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了，MAX232的第11腳和單片機(jī)的11號(hào)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(hào)引腳連接，第13腳和PC機(jī)串口的3號(hào)引腳連接，第15腳和PC機(jī)串口的5號(hào)引腳連接。334模式識(shí)別本課題氣體傳感器陣列對(duì)不同氣體進(jìn)行檢測(cè)，期望可通過(guò)對(duì)氣味數(shù)據(jù)的處理將他們鑒別出來(lái)，但傳感器多測(cè)量的信號(hào)與氣體之間沒(méi)有直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此需要通過(guò)模式識(shí)別算法進(jìn)行處理。常用的模式識(shí)別算法有（1）K近鄰法K近鄰法是根據(jù)距離最近的K個(gè)樣例類(lèi)型來(lái)推測(cè)該樣例類(lèi)型的方法；（2）聚類(lèi)分析聚類(lèi)分析指將物理或抽象對(duì)象的集合分組成為由類(lèi)似的對(duì)象組成的多個(gè)類(lèi)的分析過(guò)程；（3）判別分析判別分析又稱(chēng)“分辨法”，是在分類(lèi)確定的條件下，根據(jù)某一研究對(duì)象的各種特征值判別其類(lèi)型歸屬問(wèn)題的一種多變量統(tǒng)計(jì)分析方法；（4）主成分分析將多個(gè)變量通過(guò)線(xiàn)性變換以選出較少個(gè)數(shù)重要變量的一種多元統(tǒng)計(jì)分析方法，稱(chēng)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。圖211通信接口電路3341主成分分析（PCA）PCA又稱(chēng)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(gè)樣本，M個(gè)變量，則原始測(cè)量數(shù)據(jù)的矩陣向量為11212212MNNNMXXXX將原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，得到標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)量值1,2,1,2,IJJIJJXINJMS式中為變量測(cè)量值的樣本平均值；為變量測(cè)量值的樣本標(biāo)準(zhǔn)差。將JXJSJ標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)量值組成對(duì)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(duì)應(yīng)的特征向量為。12M12,M所求特征向量按順序分別稱(chēng)為第1,2,3,4M主成分。各主成分的貢獻(xiàn)率按下式進(jìn)行計(jì)算1/MII取前個(gè)主成分方向上的得分PZ12,PZX主成分分析的實(shí)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(shí)現(xiàn)，通常取原始數(shù)據(jù)在前2個(gè)或前3個(gè)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(gè)或前3個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率在80以上。3342學(xué)習(xí)向量量化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（LVQ）1LVQ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(jìng)爭(zhēng)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(lèi)，不管它們是不是線(xiàn)性可分，這點(diǎn)比感知器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)要優(yōu)越得多。2LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)LVQ網(wǎng)絡(luò)模型如圖43所示17，網(wǎng)絡(luò)由3層神經(jīng)元組成,即輸入層、競(jìng)爭(zhēng)層和線(xiàn)性輸出層如圖44。該網(wǎng)絡(luò)在輸入層與競(jìng)爭(zhēng)層之間為完全連接,而在競(jìng)爭(zhēng)層與線(xiàn)性輸出層之間為部分連接,每個(gè)輸出神經(jīng)元與競(jìng)爭(zhēng)神經(jīng)元的不同組相連接,競(jìng)爭(zhēng)層和線(xiàn)性輸出神經(jīng)元之間的連接權(quán)值固定L。輸入層和競(jìng)爭(zhēng)神經(jīng)元間的連接權(quán)值建立為參考矢量的分量對(duì)每個(gè)競(jìng)爭(zhēng)神經(jīng)元指定一個(gè)參考矢量。在網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過(guò)程中，這些權(quán)值被修改。競(jìng)爭(zhēng)神經(jīng)元和線(xiàn)性輸出神經(jīng)元都具有二進(jìn)制輸出值。當(dāng)某個(gè)輸入模式被送至網(wǎng)絡(luò)時(shí),參考矢量最接近輸入模式的競(jìng)爭(zhēng)神經(jīng)元因獲得激發(fā)而贏得競(jìng)爭(zhēng),因而允許它產(chǎn)生一個(gè)“1”,其他競(jìng)爭(zhēng)神經(jīng)元都被迫產(chǎn)生“0”。與包括獲勝神經(jīng)元的競(jìng)爭(zhēng)神經(jīng)元組相連接的輸出神經(jīng)元也發(fā)出“1”，而其他輸出神經(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(lèi),每個(gè)輸出神經(jīng)元被表示為不同的類(lèi)18。3LVQ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，并且采用勝者為王的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，令該神經(jīng)元的輸出為1，其他神經(jīng)元的輸出為0。LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)算法如下191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XX1,X2,XNT送入輸入層。3根據(jù)歐式距離DN2IJ1XW（）計(jì)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(lèi)一致,稱(chēng)為正確分類(lèi)權(quán)值的調(diào)整按WIT1WITTXWIT更新；如果勝出神經(jīng)元和預(yù)先指定的分類(lèi)不一致，稱(chēng)為不正確分類(lèi)，權(quán)值的調(diào)整按WIT1WITTXWIT更新。其中T為迭代次數(shù)，T為學(xué)習(xí)步長(zhǎng)。6判斷