作者 張涵羽，繆新穎，許彬，蔡佳慧，舒娜(大連海洋大學(xué) 信息工程學(xué)院，遼寧 大連 116023)

　　摘要：針對傳統(tǒng)固定式電子鼻不能搜索氣味源的問題，設(shè)計一種移動式電子鼻平臺。以STC89C52單片機(jī)為核心，采用紅外技術(shù)實現(xiàn)避障，利用Z字形搜索與氣體濃度算法相結(jié)合的方式對氣味源進(jìn)行定位。測試結(jié)果表明，該平臺可以準(zhǔn)確定位氣味源，并能準(zhǔn)確避障。

　　關(guān)鍵詞：移動式電子鼻;氣體濃度;氣味源確定;避障

　　*基金項目：國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(201710158000026)。

　　0 引言

　　電子鼻是一種分析、識別、檢測復(fù)雜嗅味和揮發(fā)性成分的人工嗅覺系統(tǒng)^[1]，已經(jīng)被廣泛地運用到食品、醫(yī)療、工業(yè)等領(lǐng)域。國內(nèi)外許多學(xué)者對電子鼻進(jìn)行了深入研究^[2-9]。但在現(xiàn)有的電子鼻中，固定式電子鼻占據(jù)著主體地位，對于一些人類不方便進(jìn)入的場所或者需要定位氣味源的場合，很難勝任。本文正是在此背景下進(jìn)行移動式電子鼻平臺的設(shè)計，以完成氣味源的定位、進(jìn)入人類不方便進(jìn)入場所的氣味識別任務(wù)。

　　1 平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　1.1 總體設(shè)計方案

　　本文所設(shè)計的移動式電子鼻平臺主要包括STC89C52單片機(jī)、氣味采集模塊、避障模塊以及驅(qū)動模塊等，具體如圖1所示，氣味采集模塊檢測到信號后，發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)采集上來的各氣味傳感器的值，采用Z字形搜索與氣體濃度算法相結(jié)合的方式，控制驅(qū)動模塊，使得直流電機(jī)動作來“尋找”氣味源。如果在行進(jìn)過程中遇到障礙物，會及時躲避障礙物。當(dāng)找到氣味源濃度最大的位置時會發(fā)出報警，對氣味源的位置進(jìn)行提示。另外，該平臺可以通過串口與上位機(jī)進(jìn)行通信，以方便后期進(jìn)行氣味識別方法的研究。

　　1.2 平臺硬件設(shè)計

　　主要介紹氣味采集模塊、避障模塊和驅(qū)動模塊的設(shè)計。

　　1.2.1 氣味采集模塊

　　以MQ-3酒精傳感器為例，設(shè)計氣味采集模塊。如圖2所示，MQ-3酒精傳感器H端接正極5 V電壓，用于電阻絲對于敏感體電阻的加熱，敏感體電阻的A處引腳有兩根線即1和3，將其連接在一起用于敏感體電阻的一個電極，兩個B處引腳同樣有兩根線即4和6也相互連接在一起，作為另一個電極，敏感體電阻與電位器串聯(lián)起到分壓的作用，當(dāng)MQ-3酒精傳感器的表面吸收到酒精氣體分子時，表面的導(dǎo)體電子將會發(fā)生改變，所以MQ-3酒精傳感器測得的電壓會隨著酒精濃度的變化而變化，并且這種反應(yīng)是可逆的，可以重復(fù)多次使用。

　　在移動式電子鼻平臺上安裝6只MQ-3酒精傳感器，位置如圖3所示，用來實時采集氣味濃度。

　　1.1.2 避障模塊

　　紅外避障主要通過紅外接收管PD333-3B和紅外發(fā)射管IR333-A相互配合來實現(xiàn)避障。LED D4(紅外發(fā)射管IR333-A)在行進(jìn)過程中發(fā)射紅外線信號，當(dāng)遇到障礙物時，LED D4(紅外發(fā)射管IR333-A)發(fā)出的紅外線會被反射回來被LED D6(紅外接收管PD333-3B)接收到，當(dāng)LED D6(紅外接收管PD333-3B)接收到LED D4(紅外發(fā)射管IR333-A)發(fā)出被反射回來的紅外線，便會連接上，由于LED D6(紅外接收管PD333-3B)接線與地相連接，因此比較器3處電壓會被降低，于2處相比，3處正極電壓低，故會輸出低電平，所以D2會被點亮。當(dāng)遇到障礙物時，D2就會被點亮，開始進(jìn)行避障，當(dāng)無障礙時D2就會熄滅。紅外避障模塊電路設(shè)計圖如圖4所示。

　　1.1.3 驅(qū)動模塊

　　本文所設(shè)計的移動式電子鼻平臺采用直流電機(jī)，利用L293D芯片進(jìn)行驅(qū)動，具體的驅(qū)動電路設(shè)計如圖5所示，L293D共16個引腳，具有使能端、VCC以及GND各兩個，1A-4A為輸入引腳，即接收單片機(jī)指令的引腳，1Y-4Y為輸出引腳，以此來控制直流電機(jī)。

　　在這個芯片的內(nèi)部是一個H橋驅(qū)動電路，相比與其他的直流驅(qū)動電路，L293D的調(diào)速比較平穩(wěn)，可調(diào)范圍也很大，并可以接收TTL 輸入。本設(shè)計為單片機(jī)發(fā)出指令通過驅(qū)動對直流電機(jī)進(jìn)行控制，L293D有著4個輸出口，當(dāng)四個輸出口接收到不同的高低電平時會進(jìn)行不同的動作，如表1所示，其中‘1’為單片機(jī)的I/O口輸出高電平，‘0’為單片機(jī)的I/O口輸出低電平。

　　1.2 平臺的軟件設(shè)計

　　1.2.1 主程序流程圖

　　主程序流程圖如圖6所示。當(dāng)移動式電子鼻平臺進(jìn)入檢測區(qū)域后，系統(tǒng)即啟用氣味源定位算法，并根據(jù)相應(yīng)的算法驅(qū)動直流電機(jī)運動。如果在行進(jìn)過程中遇到障礙物，則進(jìn)行避障;如果沒有，則繼續(xù)按照氣味源定位算法行進(jìn)，直至氣味濃度達(dá)到閾值，發(fā)出警報。

　　1.2.2氣味源定位算法設(shè)計

　　氣味源定位算法從全局與局部搜索兩個維度，Z字形搜索與濃度梯度法相結(jié)合的方式進(jìn)行。首先進(jìn)行全局搜索，采用Z字形遍歷的方式進(jìn)行。之所以采用Z字形遍歷的方式是因為氣味源發(fā)出的煙羽往往呈扇形擴(kuò)散，Z字形的行動軌跡可以更廣更好地檢測到氣味濃度。當(dāng)檢測到氣味濃度時則停止全局搜索，然后開始采用局部搜索，對6個方向的傳感器檢測信號進(jìn)行判斷，使移動式電子鼻平臺朝著檢測量最大的方向移動，并利用濃度梯度法，沿著氣味源濃度增大的方向移動，當(dāng)檢測到的濃度到達(dá)閾值(人為設(shè)定)，則認(rèn)為移動式電子鼻平臺找到氣味源。程序流程圖如圖7所示。

　　2 測試

　　以搜索酒精氣味源為例，對移動式電子鼻平臺進(jìn)行整體測試。如圖8所示，在移動式電子鼻平臺右前方放置酒精氣味源D，并在前進(jìn)方向上A、B、C處分別放置干擾物水、塊狀障礙物和食用油。

　　測試結(jié)果表明，移動式電子鼻平臺通過氣味定位算法與避障算法順利搜索到了酒精氣味源，并發(fā)出報警。

　　3 結(jié)論

　　本文設(shè)計了一款移動式電子鼻平臺，以彌補傳統(tǒng)固定式電子鼻不能搜索氣味源且不能進(jìn)入到人類不方便到達(dá)場合的不足。通過紅外技術(shù)實現(xiàn)避障，利用Z字形遍歷與氣體濃度梯度法相結(jié)合的方式實現(xiàn)氣味源的定位。

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　　作者簡介：

　　張涵羽(1995-)，男，主要研究方向：自動控制。

　　繆新穎(1977-)，通信作者，女，博士，副教授，主要研究方向：物聯(lián)網(wǎng);自動控制。

本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第2期第35頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處