1、 中北大學 課 程 設 計 說 明 書學生姓名:周明行學 號：32學 院:電子與計算機科學技術學院專 業:微電子學題 目:納米電子鼻傳感器設計指導教師： 譚秋林 職稱: 副教授 2013年6月3日目 錄 TOC o 1-3 h z u 1、課程設計目的012、課程設計內容和要求012.1、設計內容012.2、設計要求013、設計方案及實現情況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設計02、系統總體結構023.3.2、氣敏傳感器的設計033.3.3、信號處理093.3.4、模式識別154、課程設計總結185、參考文獻191.設計目的

2、（1）學習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.設計內容和要求（1）查閱相關資料，提出相應設計方案。 （2）選擇適當的材料設計該傳感器。（3）在設計過程中，進行相應的計算和分析。（4）能夠實現該氣體傳感器的信號的正常讀取。（5）整理設計內容，編寫設計說明書3.設計方案及實現情況3.1納米電子鼻傳感器簡介電子鼻，又稱人工嗅覺系統，是模擬生物嗅覺系統而設計的一種智能電子“嗅覺”儀器，電子鼻技術涉及材料、化學、傳感器、信息融合、電子技術、模式識別、計算機、應用數學以及應用領域的科學與技術的一門綜合性技術。主要用來分析、識別和檢測

3、揮發性化學物質、復雜氣味和有毒氣體。電子鼻這個術語出現在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于化學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的模式分類方法組成的具有識別單一和復雜氣味能力的裝置”。隨后，在1990年舉行了第一屆電子鼻國際學術會議，最大規模的一屆會議于1997年在美國的圣地亞哥召開。此后，各國學者對電子鼻的性能、標準、設計方法和相關技術做了廣泛的研究，在各種化學傳感器基本理論研究和實際應用方面均取得了很大的進展，有關的應用及儀器報道也相當可觀6。3.2納米電子鼻的工作原

4、理及框圖其基本結構主要有三大部分構成，分別是氣敏傳感器陣列、信號預處理單元和模式識別單元如圖 1.1 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 納米電子鼻系統組成框圖(1)氣敏傳感器陣列，相當于初級嗅覺神經元，由具有廣譜響應特性的氣敏元件組成。把氣敏元件對氣體或氣味的響應轉化為可以測量的變化的電壓信號。氣敏傳感器陣列可以采用數個單獨的氣敏傳感器組合而成，也可以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，通過模式識別技術來實現對混合氣體的檢測。(2)信號預處理單元，相當于二級嗅覺神經元，它對傳感器陣列的響應模式進行預加工，完成特征信號

5、的提取。(3)模式識別單元，相當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。目前，在電子鼻系統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、人工神經網絡法、模糊邏輯法等。3.3納米電子鼻傳感器系統設計3.3.1系統硬件總體結構LED納米電子鼻傳感器系統的主體結構由氣體傳感器陣列，溫濕度傳感器模塊，顯示模塊，鍵盤模塊等組成，其主要實現了氣味信號采集，信號調離，A/D轉換等功能,根據不同傳感器在相應的敏感氣體中電阻產生的變化，從而得以實現基于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。溫濕度傳感器被測物理量信號調理P

6、C電平轉換接口MCUADC氣敏傳感器陣列 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。傳感器選擇的依據是他們對氨氣，氯化氫，鹵素氣體具有敏感性。（2）信號調理模塊：主要是將氣敏傳感器電阻的變換轉換成電壓的變化，并設計模擬開關，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強度的電壓值送入AD轉換電路，這樣只需要占用1個AD口，也便于數據的打包處理。另外，此模塊還設計了高通濾波電路，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

7、為溫濕度對氣敏傳感器陣列輸出信號有一定的影響，在后期建立數據處理時將環境的溫濕度作為輸入參量對識別模型進行校正。（6）電源模塊：設計穩定可靠的電源電路，提供系統所需要的5V和3.3V電源，保證RS-232轉USB電路成功。(7）人機接口模塊：處理器外部擴展了顯示、數據存儲、鍵盤等人機交互模塊，可以實時顯示采集信息、脫離上位機存儲數據和執行相應按鍵操作。 （8）A/D轉換模塊：將模擬信號轉換成數字信號，便于后續電路操作。 （9）MCU模塊：接收數字信號，經過一定的運算后輸出所需信號。3.3.2氣敏傳感器的設計（電子鼻核心部件）氣敏傳感器與人們生活、生產活動關系最為密切，因此氣敏傳感器的研究及開發

8、在各類傳感器中最為活躍。目前，已開發出了氧化物半導體、固體電解質、有機半導體、石英振子、場效應、熱催化、表面聲波、光學等各種類型的氣敏傳感器12。氣體敏感元件是能感知環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的信息轉換成電信號(電壓或電流)，根據這些電信號的強弱就可以獲得與待測氣體在環境中存在的情況有關的信息，從而進行檢測、監控、報警等，還可以通過接口電路與計算機或者微處理器組成自動檢測、控制和報警系統13。它主要包括半導體氣敏傳感器、接觸燃燒式氣敏傳感器和電化學氣敏傳感器等，其中用的最多的是半導體氣敏傳感器。半導體氣體敏感元件大多以金屬氧化物半導體為基礎材料，當被測氣

9、體在該半導體表面吸附后，其電學特性(例如電導率)將會發生變化。利用這種現象制作的各種半導體氣敏元件早己商品化，其應用領域正日益擴大。常見的SnO2系列氣敏元件有燒結型、薄膜型和厚膜型三種，燒結型氣敏元件是目前工藝最成熟、應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構14。本課題所用敏感材料是Sn02，其特點如下：SnO2材料的物理、化學穩定性好、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，可以連續使用。SnO2型氣體傳感器結構簡單，成本低、可靠性高、機械性能良好。SnO2型氣體傳感器對氣體的檢測不需要復雜的處理設備，待測氣體可通過傳感

10、器的阻值變化，直接轉變為電信號，而且，其電阻率變化比較大，信號調理電路不需要放大電路就可以實現，簡化了電路設計。1敏感機理分析1.1基本模型要對SnO2氣敏元件的導電機理進行完整統一的解釋是比較困難的。現在通常采用以下幾種模型進行定性解釋:表面空間電荷層模型，粒界面勢壘模型、吸附氣體產生能級模型和吸收效應模型等。表面空間電荷層模型認為:半導體材料吸附氣體時，表面空間電荷層發生變化，從而引起電導率發生變化。對于N型半導體，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，結果使導電電子減少，電導率降低。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，結果使導電電子增加

11、，電導率增加。晶粒界面勢壘模型認為：半導體晶粒接觸界面處存在勢壘，對于N型半導體，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，電導率增加.吸收效應模型認為:對于半導體晶粒燒結體，晶粒中部為導電電子均勻分布區，表面為電子耗盡區(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部大得多，當接觸氣體時，晶粒內部電阻基本不便，晶粒頸部和表面電阻受空間電荷層變化的影響，因此，半導體氣敏元件的電阻將隨接觸氣體而變化。1.2 SnO2半導體氣敏元件的工作原理根據上述模型，可以如下解釋Sn02半導體氣敏元件的工作原理:Sn02具有

12、金紅石型的晶體結構，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到導帶中去的幾率很小，因此，其電導主要是靠附加能級上的電子激發來實現。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晶體結構中原子排列不會像它的晶體結構模型那么理想，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原子，例如為了增加Sn02的電導，摻入銻(Sb)，銻原子取代錫原子的位置，形成

13、替位式雜質原子Sbsn。這些缺陷和雜質形成附加能級，Sn02的電導控制就是由這些缺陷和雜質來決定。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的Sn02燒結體。在制備氣敏元件的Sn02時，要經過高溫鍛燒的過程，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。但是，這兩個電子容易被激發到導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

14、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出去，因此起施主作用Sn02在禁帶靠近導帶的地方產生施主能級，因此Sn02是N型半導體，這些施主能級上的電子，很容易激發到導帶，從而參與導電。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，接收來自半導體材料的電子而吸附負電荷，形成受主型表面能級，使表面帶負電，結果導致N型半導體材料的表面空間電荷層區域的傳導電子減少使表面電導減少，從而使元件處于高阻狀態。根據晶粒接觸界面勢壘模型和吸收效應模型的討論，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

15、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，物理吸附和化學吸附。化學吸附的氧包括吸附在固體表面的氧的“分子離子”O-2ad；吸附在表面的“原子離子”O-ad；吸附在固體表面的帶兩個電子負電荷的氧離子O2-ad；及晶格氧離子。吸附態的O2-ad不穩定，會與其它物質發生反應或落入氧空位。在低溫下，氧在 Sn02表面以分子離子形式被化學吸附，隨著溫度的圖5-20 晶界勢壘模型升高，轉變為原子離子形式被吸附，即分子離子吸附過程: e + O2= O-2ad （5-

16、5）原子離子吸附過程: O-2ad+e=2O-ad （5-6）由于氧吸附力很強，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，其吸附狀態可以是O-，O-2，O2-等等，均是負電荷吸附狀態，這對N型半導體來說，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 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表面吸附的氧發生還原反應，降低了O一的密度，同時將電子釋放回Sn02表面附近的導帶，使表面附近載流子濃度(即電子濃度)增大，表面電導增大。用方程式表示SnO2表面在CO中的情況:O-ad+ H2CO2+ e （5-7）

17、或O-2ad+ 2H22H2O + e （5-9）由于在各種不同的氣氛中氧化還原反應速率不同，因此造成對不同氣體靈敏度不同。由于氧化還原反應速率和溫度有關，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特性。1.3 SnO2的敏感機理一氧化碳氣體與N型半導體二氧化錫反應，使電導增大的機理有下面說法一氧化碳氣體與二氧化錫半導體表面上吸附的氧反應，造成吸附氧的脫離，使表面勢壘下降.在CO氣氛中，SnO2表面的反應過程為:2CO + O-2 2CO2+ e （5-10）CO+ O2- CO2+ 2e （5-11）由于吸附在Sn02半導體表面上的氧和一氧化碳氣體發生反應，如上兩式，SnO2半導

18、體表面上的氧便脫離SnO2半導體表面，同時將電子釋放回Sn02表面附近的導帶，晶界勢壘降低，表面附近載流子濃度(即電子濃度)增大，表面電導增大。這個勢壘高度又與吸附CO的分子數有關，所以表面電導率與CO氣體濃度有關。CO 氣體濃度高，電導率增大。而當CO氣體濃度高到不能完全被半導體表面吸附的氧氧化時，其電導率將變化不大，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。下面是半導體傳感器的性能參數：(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(10

19、3105)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=RsR0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)氣敏元件的響應時間及恢復時間氣敏元件的響應時間，表示在工作溫度下，氣敏元件對被測氣體的響應速度。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到在此濃度下穩定電阻值的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時間，通常用符號tr表示。氣敏元件的恢復時間，表示在工作溫度下，被測氣體由該元件解吸的速度。一般從

20、氣敏元件脫離被測氣體開始計時，直到其阻值恢復到在潔凈空氣中阻值的63%時為止，所需時間稱為恢復時間。(4)初期穩定時間在非工作狀態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，導致其表面狀態發生了變化，在加上負電荷后，隨著元件溫度的升高，發生解吸現象。因此，氣敏元件要恢復正常工作狀態，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，最后達到穩定。從開始通電直到氣敏元件阻值達到穩定所需時間，稱為初期穩定時間。初期穩定時間是敏感元件存放時間與環境狀態的函數。存放的時間越長，其初期穩定時間也就越長。(5)氣敏元件的加熱電阻和加熱功率半導體氣敏元件一般要在較高

21、的溫度(300一400)環境中工作。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，常用符號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0.5一2.OW范圍。選擇合適的氣體傳感器對于具體的應用來說是非常關鍵的，經過查找資料，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，主要監測氣體：氨氣，測量范圍30-300p

22、pm，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。費加羅公司生產的TGS8XX系列傳感器具有功耗低，壽命長，成本低，結構簡單，穩定性好等優點，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的影響，傳感器板上擴展了AM2302型數字溫濕度傳感器，其是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，擁有以下優勢：（1）它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性；（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

23、性能8位單片機相連接，因此具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優點；（3）每個AM2302傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準，校準系數以程序的形式儲存在OTP內存中，傳感器內部在檢測信號的處理過程中要調用這些校準系數；（4）單線制串行接口，系統集成簡易快捷；（5）超小體積、極低功耗、信息傳輸可達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的能量來源，是系統工作的基本條件。本系統所需+5V、+3.3V 和-5V 電壓，電路設計如圖3（a）所示。圖3（a）中Rp 為10/2W 的功率電阻，C1=1000F、C2=C4=C6=0.1F、C3=C5=

24、0.33F、C7=C8=10F。本系統采用基于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300400，加熱電阻以封裝在傳感器內部，靜態加熱電壓一般為5.00.2V，單個傳感器的加熱功耗Ph 為83590mW，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，本系統利用LM2576 設計了加熱電壓為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=100F、L1=100H，D1 是IN5822。圖3 電源及加熱控制電路3.3.3.2信號調理及測量電路設計基于S

25、n02 的氣敏傳感器是把對氣體的響應轉化為電導的變化，測量電路是將傳感器電導變化轉化為電壓變化。該電壓經模數轉換后，送入微處理器處理。測量電路以傳感器生產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致傳感器敏感性降低，故負載電阻RL取5k，放大器采用Analog Device 的AD620，它是雙電源供電，工作電壓范圍為2.3V18V，本系統采用5V，放大倍數通過外接電阻Rg 實現可調，范圍為1-1000，由于負載電阻RL 上的電壓變化范圍03.3V，而所選A/D 轉換器的參考電壓取3.3V

26、，所以AD620 的外接電阻Rg 取5M，此時的放大倍數為1.01。圖4 信號調理及測量電路3.3.3.3信號采集用單片機作為這一控制系統的核心，接受來自ADC0809的數據，經處理后通過串口傳送，由于系統功能簡單，鍵盤僅由兩個開關和一個外部中斷端組成，完成采樣通道的選擇，單片機通過接口芯片與LED數碼顯示器相連，驅動顯示器顯示相應通道采集到的數據。其接口電路如圖2-4所示。圖 2-4 ADC0809與MCS-51的接口電路注：ADC0809的基準電壓可通過基準電壓芯片供給，如MAX875,可供給5V基準電壓。3.3.3.4 控制器、振蕩源和復位電路 復位即回到初始狀態，是單片機經常進入的工作

27、狀態。單片機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復位電路圖2-6上電外部復位電路 單片機的復位是靠外部電路實現的。無論是HMOS還是CHMOS型，在振蕩器正運行的情況下，RST引腳保持二個機器周期以上時間的高電平，系統復位。在RST端出現高電平的第二個周期，執行內部復位，以后每個周期復位一次，直至RST端變低。本文采用上電外部復位電路，如圖2-6所示，相關參數為典型值。2.振蕩源圖2-7 內部振蕩器方式內部方式時鐘電路如圖2-7所示。外接晶體以及電容、構成并聯諧振電路，接在放大器的反饋回路中，內部振蕩器產生自激振蕩，一般晶振可在212MHz之間任選。對外接電容值雖然沒有

28、嚴格的要求，但電容的大小多少會影響振蕩頻率的高低、振蕩器的穩定性、起振的快速性和溫度的穩定性。外接晶體時，和通常選30pF左右；外接陶瓷諧振器時，和的典型值為47pF。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組成。鍵盤系統的主要工作包括及時發現有鍵閉合，并作相應的處理。圖2-8 鍵盤硬件邏輯本系統中采用中斷方式的開關代替鍵盤，完成采集通道的選擇。硬件邏輯如圖2-8所示。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adp字段的引腳分別由8個OC門同相驅動器驅動。OC門驅動器用7407，當7407輸出低電平時，沒有電流流過LED，當7407輸出為開路狀態時，

29、電流經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動器，反相驅動器使用75452，當某一字段需要亮時，該LED公共端的反相驅動器必須是低電平輸出，并且這一字段的同相驅動器必須是高電平輸出。單片機通過8155接口芯片的A口位選，經B口確定那些字段LED發光。LED發光時，驅動電流計算如下，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 3.3.3.6 通信電路51單片機有一個全雙工的串行口，所以單片機和PC之間可以方便地進行串口通訊。進行串行通信時要滿足一定的條件，如PC的串口是RS232電平的，而單片機的串口是T

30、TL電平的，兩者之間必須有一個電平轉換電路，這里用專用芯片MAX232進行轉換，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動器，內部有一個電源電壓變換器，可以把輸入的+5V電壓變換位RS-232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。其應用性更強。圖2-10（b）中上半部電容、及，是電源變換部分。實際應用中，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、取同樣數值的電解電容，以提高抗干擾能力。(a)(b)圖2-10 MAX232引腳圖和電容典型參數圖2-10（b）下半部分為發送和接收部分，可直

31、接接TTL/CMOS電平的MCS-51型單片機的串行發送端TXD；,可直接接TTL/CMOS電平的MCS-51型單片機的串行接受端RXD；，可直接接PC機的RS-232串口接受端RXD；,可直接接PC機的RS-232串口發送端TXD。硬件原理圖如圖2-11所示。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，但是對本題來說已經足夠了，MAX232的第11腳和單片機的11號引腳連接，第12腳和單片機的10腳連接，第15腳和單片機的20腳連接。MAX232的第14腳和PC機

32、串口的2號引腳連接，第13腳和PC機串口的3號引腳連接，第15腳和PC機串口的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行檢測，期望可通過對氣味數據的處理將他們鑒別出來，但傳感器多測量的信號與氣體之間沒有直接的對應關系，因此需要通過模式識別算法進行處理。常用的模式識別算法有：（1）k-近鄰法：k-近鄰法是根據距離最近的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計分析方

33、法；（4）主成分分析：將多個變量通過線性變換以選出較少個數重要變量的一種多元統計分析方法，稱主分量分析等等。在本課題中我們將采用學習向量量化。3.3.4.1主成分分析（PCA）PCA又稱為主成分分析，是在電子鼻領域應用最多的算法之一。設有n個樣本，m個變量，則原始測量數據的矩陣向量為將原始數據標準化，得到標準化的測量值：式中為變量測量值的樣本平均值；為變量測量值的樣本標準差。將標準化的測量值組成對應的新矩陣向量，并求其協方差矩陣，然后求協方差矩陣的特征值，按大小順序排列得，對應的特征向量為。所求特征向量按順序分別稱為第1,2,3,4m主成分。各主成分的貢獻率按下式進行計算：取前個主成分方向上的

34、得分： 主成分分析的實質就是尋找在最小均方意義下最能夠代表原始數據的投影方法，如圖所示。主成分分析方法易于理解，便于實現，通常取原始數據在前2個或前3個主成分上的投影進行繪圖，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率在80%以上。學習向量量化神經網絡（LVQ）1.LVQ神經網絡概述學習向量量化(LVQ)神經網絡是一種有監督的訓練競爭層的方法。學習向量量化網絡能夠對任意輸入向量進行分類，不管它們是不是線性可分，這點比感知器神經網絡要優越得多。2.LVQ神經網絡的結構LVQ網絡模型如圖4.3所示17，網絡由3層神經元組成,即輸入層、競爭層和線性輸出層如圖4.4。該網絡在輸入層與競爭

35、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,每個輸出神經元與競爭神經元的不同組相連接,競爭層和線性輸出神經元之間的連接權值固定l。輸入層和競爭神經元間的連接權值建立為參考矢量的分量(對每個競爭神經元指定一個參考矢量)。在網絡訓練過程中，這些權值被修改。競爭神經元和線性輸出神經元都具有二進制輸出值。當某個輸入模式被送至網絡時,參考矢量最接近輸入模式的競爭神經元因獲得激發而贏得競爭, 因而允許它產生一個“1”,其他競爭神經元都被迫產生“0”。與包括獲勝神經元的競爭神經元組相連接的輸出神經元也發出“1”，而其他輸出神經元均發出“0”。 產生“1”的輸出神經元給出輸入模式的類,每個輸出神經

36、元被表示為不同的類18。3.LVQ網絡學習算法LVQ網絡根據輸入向量和權值向量的最小歐氏距離選取獲勝神經元，并且采用勝者為王的競爭機制，令該神經元的輸出為1，其他神經元的輸出為0。LVQ 神經網絡的學習算法如下19:(1)產生隨機數設定輸入層和隱藏層之間的權值初始值。(2)將輸入向量 X = x1, x2, #, xnT送入輸入層。(3)根據歐式距離d= 計算隱藏層與輸入向量的距離. (4)選擇與權值向量的距離最小的神經元。(5)更新連接權值. 如果勝出神經元和預先指定的分類一致, 稱為正確分類權值的調整按wi(t+ 1)=wi(t)+(t)(x-wi(t)更新；如果勝出神經元和預先指定的分類不一致，稱為不正確分類，權值的調整按wi(t +1)=wi( t)- (t)(x -wi(t)更新。其中t為迭代次數，(t)為學習步長。(6)判斷是否滿足預先設定的最大迭代次數，滿足則算法結束，否則返回(2)，進入