CN107064238B - 一种便携性茶香检测电子鼻系统及其检测方法 - Google Patents

一种便携性茶香检测电子鼻系统及其检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种便携性茶香检测电子鼻系统及其检测方法。包括箱体、置于在箱体内的香气检测组件、信号采集电路板卡和用于供电的电池以及安装在箱体上的多个开关、吸口探头和平板电脑，信号采集电路板卡分别与香气检测组件、多个开关和平板电脑连接，吸口探头作为茶叶的香气输入端并与香气检测组件连接，香气检测组件连接信号采集电路板卡的输入端，信号采集电路板卡输出端经通信电路与平板电脑连接，信号采集电路板卡还连接有采集卡驱动电路。本发明适用于面向对通过采集茶叶香气以评价茶叶的等级和品质，体积小、结构紧凑，便于携带，显著降低了人工评审的不稳定影响，提高了评审结果的准确性和重复性。

Description

一种便携性茶香检测电子鼻系统及其检测方法
技术领域
本发明设计电子鼻的领域，尤其涉及了一种便携性茶香检测电子鼻系统及其检测方法，可使用本发明电子鼻采集茶叶香气以辨别茶叶的种类和品质。
背景技术
作为评价茶叶种类以及等级的重要因子之一的茶叶香气一般是通过人为的感官评审进行的，然而感官评价的准确性、重复性经常会受到评茶师个人心理、生理与经验等因素的影响，所以很难使评审的结果变得科学化和规范化。
电子鼻相结构简单、前处理方便、高敏感度、重复性良好、能够对样品进行快速定性和定量分析等优点，目前国内外市面上商业化的电子鼻有可以用于检测多种检测场合，这些电子鼻设备的传感器阵列由很多的气敏传感器，这些气敏传感器对于茶叶香气的检测来说有的是多余的，电子鼻阵列中也可能缺少对茶叶气体敏感的气体传感器。国内市场上专用电子鼻产品尤其是检测茶叶香气方面的商品并不不成熟，而茶叶香气又是评价茶叶等级、品种、制造工艺等重要因素，针对茶叶香气检测的电子鼻系统有着庞大的市场需求。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种便携性茶香检测电子鼻系统及其检测方法，本发明的电子鼻能够专用于对采集茶叶浸泡后产生的香气来辨别茶叶等级、品质。
本发明采用的技术方案是：
一、一种便携性茶香检测电子鼻系统：
系统包括箱体、置于在箱体内的香气检测组件、信号采集电路板卡和用于供电的电池以及安装在箱体上的多个开关、吸口探头和平板电脑，信号采集电路板卡分别与香气检测组件、多个开关和平板电脑连接，吸口探头作为茶叶的香气输入端并与香气检测组件连接，香气检测组件连接信号采集电路板卡的输入端，信号采集电路板卡输出端经通信电路与平板电脑连接，信号采集电路板卡还连接有采集卡驱动电路。
所述的电池包括5V充放电锂电池和12V充放电锂电池，12V充放电锂电池分别连接到清洗微型气泵、检测微型气泵、电磁换向阀和信号采集电路板卡进行供电，5V充放电锂电池和12V充放电锂电池一起连接到气敏传感器阵列进行供电。
多个开关包括总开关、清洗开关和检测开关。
所述的香气检测组件包括气敏传感器阵列、锥形气腔、风扇底座、隔板、小排风扇、电磁换向阀、托架、清洗微型气泵、检测微型气泵、干燥管和T型三通气管接头，托架固定安装在箱体内，托架侧方的箱体底板上安装有风扇底座，风扇底座内安装小排风扇，风扇底座上端安装有锥形气腔，风扇底座和锥形气腔之间通过隔板密封连接，锥形气腔下端开口，上端开有通气孔，锥形气腔下端开口内置有气敏传感器阵列；托架上安装T型三通气管接头、电磁换向阀、清洗微型气泵、检测微型气泵和装有干燥剂的干燥管，所述吸口探头经气管与电磁换向阀的输入端连接，电磁换向阀两个可换向输出端分别与清洗微型气泵和检测微型气泵连接，检测微型气泵输出端经干燥管后和清洗微型气泵输出端一起连接到T型三通气管接头的两个输入端，T型三通气管接头输出端经气动软管与锥形气腔上端通气孔连接相通。
所述的气敏传感器阵列主要由对茶香成分敏感的气敏传感器组成，具体是由型号为TGS813、TGS822、TGS880、TGS2201、TGS2602、TGS2620、MQ-6和MQ-138的八个气敏传感器组成。
所述的信号采集电路板卡包括单片机U2，单片机U2的P2.5脚和P2.6脚分别经电阻R7和电阻R8后接地，单片机U2的RST脚经电阻R6后接地，同时RST脚依次经开关S1、二极管D2、电阻R5后接地，单片机U2的RST脚经电容C5后和自身的VCC脚一起连接到开关S2的一端和+5V电源，单片机U2的P2.2、P2.1和P2.0脚分别经电阻R19、电阻R18和电阻R17连接到开关S2的一端，开关S2的另一端与+5V电源电压连接，单片机U2的P1.1～P1.7脚分别与插口JP3的1-8脚连接，插口JP3的9脚接地。
所述通信电路包括芯片U1，芯片U1的VDD_325脚经电容接地，芯片U1的OSC2脚和OSC1脚之间连接有晶振Y1，OSC2脚和OSC1脚分别经电容C2和电容C3后接地，PLL_TEST脚和GND_A脚接地，VDD_5脚依次经电阻R1和二极管D1后接地，芯片U1的DM脚和DP脚分别经电阻R2和电阻R3后与插口JP1的2脚和3脚连接，芯片U1的VO_33脚分别经电阻R3和电容C4后接插口JP1的3脚和4脚，插口JP1的1脚分与芯片U1的VO_33脚和VDD_5脚连接，插口JP1插接到平板电脑，芯片U1的TXD脚和RXD脚分别与单片机U2的TXD脚和RXD脚连接。
所述的采集卡驱动电路包括芯片U3，芯片U3的OUT1脚、OUT3脚和OUT5脚串联后一起连接到自身的VCC脚，电磁继电器U4～U6的6脚连接12V电源，电磁继电器U4～U6的5脚均连接到芯片U3的VCC脚，电磁继电器U4～U6的2脚分别连接到芯片U3的OUT2脚、OUT4脚和OUT6脚，电磁继电器U4的4脚连接到U3的1脚，电磁继电器U5的4脚连接到U3的3脚，电磁继电器U6的4脚连接到U3的5脚；芯片U3的OUT2脚依次经二极管D5和电阻R23后连接到自身的VCC脚，芯片U3的OUT4脚依次经二极管D6和电阻R24后连接到自身的VCC脚，芯片U3的OUT6脚依次经二极管D7和电阻R25后连接到自身的VCC脚；芯片U3的IN1脚、IN3脚、IN5脚分别连接到单片机U2的P2.0脚、P2.1脚、P2.2脚。
在茶叶香气辨别中的应用，能够通过茶叶香气辨别出茶叶的种类和品质。
二、一种便携性茶香检测方法，采用所述系统，并采用以下步骤：
1)开启箱体上的总开关，通电工作；
2)开启箱体上的清洗开关使得电磁换向阀切换到清洗微型气泵工作，将外界洁净的空气从吸口探头吸入经过气路对锥形气腔及其气敏传感器阵列进行清洗；
3)关闭清洗开关，将吸口探头放入装有茶叶容器中，开启箱体上的检测开关，使得电磁换向阀切换到检测微型气泵工作，将茶香气气从吸口探头吸入经过气路进入锥形气腔，并与气敏传感器阵列接触，由气敏传感器阵列采集香气数据。
由气敏传感器阵列采集香气数据后，进一步经信号采集电路板卡将香气数据发送到平板电脑，通过平板电脑内的香气处理算法对香气数据进行处理获得茶叶的种类及品质，并进行显示。
本发明电子鼻系统专用于对茶叶香气的采集并检测茶叶的种类和品质，传感器阵列都是由对茶叶香气成分较为敏感的气敏传感器组成。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
本发明主要针对区分茶叶的品种货品质，可以改善人为感官评审的稳定性差和重复性差等问题，本发明适用于面向对通过采集茶叶香气以评价茶叶的等级和品质。
本发明体积小、结构紧凑，便于携带，经济成本较低，对于茶叶香气气体的采集操作简单简便，检测结果不同品种茶叶区分明显，显著降低了人工评审的不稳定影响，提高了香气结果的准确性和重复性。
附图说明
图1为本发明箱体外观结构示意图；
图2为本发明系统内部结构示意图；
图3为本发明的锥形气腔与风扇底座的爆炸图；
图4为本发明工作连接关系逻辑图；
图5为本发明的通信电路图；
图6为信号采集电路板卡的电路图；
图7为采集卡驱动电路图。
图中：(1)箱体、(2)总开关、(3)清洗开关、(4)检测开关、(5)吸口探头、(6)平板电脑、(7)气敏传感器阵列、(8)信号采集电路板卡、(9)锥形气腔、(10)风扇底座、(11)隔板、(12)小排风扇、(13)电磁换向阀、(14)托架、(15)清洗微型气泵、(16)检测微型气泵、(17)5V充放电锂电池、(18)12V充放电锂电池、(19)装有干燥剂的干燥管、(20)气动软管、(21)T型三通气管接头。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明具体实施包括箱体1、置于在箱体1内的香气检测组件、信号采集电路板卡8和用于供电的电池以及安装在箱体1上的多个开关、吸口探头5和平板电脑6，信号采集电路板卡8分别与香气检测组件、多个开关、吸口探头5和平板电脑6连接，吸口探头5作为茶叶的香气输入端并与香气检测组件连接，香气检测组件连接信号采集电路板卡8的输入端，信号采集电路板卡8输出端经通信电路与平板电脑6连接，信号采集电路板卡8还连接有采集卡驱动电路。通过香气检测组件采集香气数据发送到信号采集电路板卡8，再由信号采集电路板卡8发送到平板电脑6，通过数据分析获得香气所对应茶叶的种类和品质。
如图2所示，电池包括5V充放电锂电池17和12V充放电锂电池18，12V充放电锂电池18分别连接到清洗微型气泵15、检测微型气泵16、电磁换向阀13和信号采集电路板卡8进行供电，5V充放电锂电池17和12V充放电锂电池18一起连接到气敏传感器阵列7进行供电。
如图1所示，多个开关包括与信号采集电路板卡8连接的总开关2、清洗开关3和检测开关4，总开关2、清洗开关3和检测开关4分别用于总电源的切断、清洗微型气泵15和检测微型气泵16的开启。清洗开关3连接在清洗微型气泵15和电源之间，检测开关4连接在检测微型气泵16和电源之间。
如图2所示，香气检测组件包括气敏传感器阵列7、锥形气腔9、风扇底座10、隔板11、小排风扇12、电磁换向阀13、托架14、清洗微型气泵15、检测微型气泵16、干燥管19和T型三通气管接头21。托架14固定安装在箱体1内，如图3所示，托架14侧方的箱体1底板上安装有风扇底座10，风扇底座10内安装小排风扇12，风扇底座10上端安装有锥形气腔9，风扇底座10和锥形气腔9之间通过隔板11密封连接，锥形气腔9下端开口，上端开有通气孔，锥形气腔9下端开口内置有气敏传感器阵列7；托架14下方的箱体1底板上安装有信号采集电路板卡8、12V充放电锂电池18和5V充放电锂电池17。
托架14上安装T型三通气管接头21、电磁换向阀13、清洗微型气泵15、检测微型气泵16和装有干燥剂的干燥管19，吸口探头5穿设地安装在箱体1侧壁，如图4所示，吸口探头5输入香气的端口伸出到箱体1外与茶杯腔内相连通，所述吸口探头5经气管与电磁换向阀13的输入端连接，电磁换向阀13两个可换向输出端分别与清洗微型气泵15和检测微型气泵16连接，检测微型气泵16输出端经干燥管19后和清洗微型气泵15输出端一起连接到T型三通气管接头21的两个输入端，T型三通气管接头21输出端经气动软管20与锥形气腔9上端通气孔连接相通。
通过电磁换向阀13切换使得清洗微型气泵15工作将外界的空气从吸口探头5吸入气路内进行清洗，并且使得检测微型气泵16工作将外界的茶香气从吸口探头5吸入到锥形气腔9内进行香气检测。检测香气后通过小排风扇12将气体排出回到外界。
如图3所示，气敏传感器阵列7主要由对茶香成分敏感的气敏传感器组成，具体是由型号为TGS813、TGS822、TGS880、TGS2201、TGS2602、TGS2620、MQ-6和MQ-138的八个气敏传感器组成。
如图6所示，信号采集电路板卡8包括单片机U2，单片机U2的P2.5脚和P2.6脚分别经电阻R7和电阻R8后接地，单片机U2的RST脚经电阻R6后接地，同时RST脚依次经开关S1、二极管D2、电阻R5后接地，单片机U2的RST脚经电容C5后和自身的VCC脚一起连接到开关S2的一端和+5V电源，单片机U2的P2.2、P2.1和P2.0脚分别经电阻R19、电阻R18和电阻R17连接到开关S2的一端，开关S2的另一端与+5V电源电压连接，单片机U2的P1.1～P1.7脚分别与插口JP3的1-8脚连接，插口JP3的9脚接地；插口JP2用于接5V充放电锂电池17和12V充放电锂电池18。其中的开关S1为采集板卡的电路开关，开关S2用于复位。
如图5所示，通信电路连接在信号采集电路板卡8和电脑之间，包括芯片U1，芯片U1的VDD_325脚经电容接地，芯片U1的OSC2脚和OSC1脚之间连接有晶振Y1，OSC2脚和OSC1脚分别经电容C2和电容C3后接地，PLL_TEST脚和GND_A脚接地，VDD_5脚依次经电阻R1和二极管D1后接地，芯片U1的DM脚和DP脚分别经电阻R2和电阻R3后与插口JP1的2脚和3脚连接，芯片U1的VO_33脚分别经电阻R3和电容C4后接插口JP1的3脚和4脚，插口JP1的1脚分与芯片U1的VO_33脚和VDD_5脚连接，插口JP1插接到平板电脑，芯片U1的TXD脚和RXD脚分别与单片机U2的TXD脚和RXD脚连接。
如图7所示，采集卡驱动电路包括芯片U3，芯片U3的OUT1脚、OUT3脚和OUT5脚串联后一起连接到自身的VCC脚，电磁继电器U4～U6的6脚连接12V电源，电磁继电器U4～U6的5脚均连接到芯片U3的VCC脚，电磁继电器U4～U6的2脚分别连接到芯片U3的OUT2脚、OUT4脚和OUT6脚，电磁继电器U4的4脚连接到U3的1脚，电磁继电器U5的4脚连接到U3的3脚，电磁继电器U6的4脚连接到U3的5脚；芯片U3的OUT2脚依次经二极管D5和电阻R23后连接到自身的VCC脚，芯片U3的OUT4脚依次经二极管D6和电阻R24后连接到自身的VCC脚，芯片U3的OUT6脚依次经二极管D7和电阻R25后连接到自身的VCC脚；芯片U3的IN1脚、IN3脚、IN5脚分别连接到单片机U2的P2.0脚、P2.1脚、P2.2脚。
具体实施的单片机U1的型号采用STC12C56AD单片机，芯片U3采用ULN2003芯片作为控制驱动部分。当用电受限时，可利用该芯片驱动清洗微型气泵15、检测微型气泵16及电磁换向阀13以保证工作的正常进行。
具体实施中，箱体整体为长方形，其大小为250mm×190mm×110mm，体积小巧，便于移动。本发明平板电脑端直接安装在电子鼻箱体上，因此不需要外界PC设备，本发明的茶香电子鼻可以随时随地使用。
本发明的工作过程是：
1)开启箱体1上的总开关2，通上12V和5V的直流电工作；
2)开启箱体1上的清洗开关3使得电磁换向阀13切换到清洗微型气泵15工作，将外界洁净的空气从吸口探头5吸入经过气路对锥形气腔9及其气敏传感器阵列7进行清洗；
3)关闭清洗开关3，将吸口探头5放入装有茶叶容器中，开启箱体1上的检测开关4，使得电磁换向阀13切换到检测微型气泵16工作，将茶香气气从吸口探头5吸入经过气路进入锥形气腔9，并与气敏传感器阵列7接触，由气敏传感器阵列7采集香气数据。
4)启动平板电脑6，由气敏传感器阵列7采集香气数据后，进一步经信号采集电路板卡8将香气数据发送到平板电脑6，通过平板电脑6内的香气处理算法对香气数据进行处理获得茶叶的种类及品质，并进行显示。
具体实施可基于响应曲线的均值、最大值、最大斜率、积分、方差最大处响应值5种特征提取方法获得茶叶的种类和品质，并结合主成分分析法分析获得电子鼻采集的香气数据。
5)关闭检测开关4，将吸口探头5从茶叶容器中取出，按下清洗开关3，使得电磁换向阀13再次切换到清洗微型气泵15工作，将外界洁净的空气从吸口探头5吸入经过气路对锥形气腔9及其气敏传感器阵列7进行清洗，以此清洗掉残留在气腔和气敏传感器阵列上所检测的茶香气体；
6)最后关闭总开关2。
由此实施可见，本发明能够用于并实现通过采集茶叶香气以评价茶叶的等级和品质，体积小、结构紧凑，便于携带，显著降低了人工评审的不稳定影响，提高了香气评价检测结果的准确性和重复性。

Claims (8)

1.一种便携性茶香检测电子鼻系统，其特征在于：包括箱体(1)、置于在箱体(1)内的香气检测组件、信号采集电路板卡(8)和用于供电的电池以及安装在箱体(1)上的多个开关、吸口探头(5)和平板电脑(6)，信号采集电路板卡(8)分别与香气检测组件、多个开关和平板电脑(6)连接，吸口探头(5)作为茶叶的香气输入端并与香气检测组件连接，香气检测组件连接信号采集电路板卡(8)的输入端，信号采集电路板卡(8)输出端经通信电路与平板电脑(6)连接，信号采集电路板卡(8)还连接有采集卡驱动电路；
所述的香气检测组件包括气敏传感器阵列(7)、锥形气腔(9)、风扇底座(10)、隔板(11)、小排风扇(12)、电磁换向阀(13)、托架(14)、清洗微型气泵(15)、检测微型气泵(16)、干燥管(19)和T型三通气管接头(21)，托架(14)固定安装在箱体(1)内，托架(14)侧方的箱体(1)底板上安装有风扇底座(10)，风扇底座(10)内安装小排风扇(12)，风扇底座(10)上端安装有锥形气腔(9)，风扇底座(10)和锥形气腔(9)之间通过隔板(11)密封连接，锥形气腔(9)下端开口，上端开有通气孔，锥形气腔(9)下端开口内置有气敏传感器阵列(7)；
托架(14)上安装T型三通气管接头(21)、电磁换向阀(13)、清洗微型气泵(15)、检测微型气泵(16)和装有干燥剂的干燥管(19)，所述吸口探头(5)经气管与电磁换向阀(13)的输入端连接，电磁换向阀(13)两个可换向输出端分别与清洗微型气泵(15)和检测微型气泵(16)连接，检测微型气泵(16)输出端经干燥管(19)后和清洗微型气泵(15)输出端一起连接到T型三通气管接头(21)的两个输入端，T型三通气管接头(21)输出端经气动软管(20)与锥形气腔(9)上端通气孔连接相通。
2.根据权利要求1所述的一种便携性茶香检测电子鼻系统，其特征在于：所述的电池包括5V充放电锂电池(17)和12V充放电锂电池(18)，12V充放电锂电池(18)分别连接到清洗微型气泵(15)、检测微型气泵(16)、电磁换向阀(13)和信号采集电路板卡(8)进行供电，5V充放电锂电池(17)和12V充放电锂电池(18)一起连接到气敏传感器阵列(7)进行供电。
3.根据权利要求1所述的一种便携性茶香检测电子鼻系统，其特征在于：多个开关包括总开关(2)、清洗开关(3)和检测开关(4)。
4.根据权利要求1所述的一种便携性茶香检测电子鼻系统，其特征在于：所述的气敏传感器阵列(7)主要由对茶香成分敏感的气敏传感器组成，具体是由型号为TGS813、TGS822、TGS880、TGS2201、TGS2602、TGS2620、MQ-6和MQ-138的八个气敏传感器组成。
5.根据权利要求1所述的一种便携性茶香检测电子鼻系统，其特征在于：所述的信号采集电路板卡(8)包括单片机U2，单片机U2的P2.5脚和P2.6脚分别经电阻R7和电阻R8后接地，单片机U2的RST脚经电阻R6后接地，同时RST脚依次经开关S1、二极管D2、电阻R5后接地，单片机U2的RST脚经电容C5后和自身的VCC脚一起连接到开关S2的一端和+5V电源，单片机U2的P2.2、P2.1和P2.0脚分别经电阻R19、电阻R18和电阻R17连接到开关S2的一端，开关S2的另一端与+5V电源电压连接，单片机U2的P1.0～P1.7脚分别与插口JP3的1-8脚连接，插口JP3的9脚接地；
所述通信电路包括芯片U1，芯片U1的VDD_325脚经电容接地，芯片U1的OSC2脚和OSC1脚之间连接有晶振Y1，OSC2脚和OSC1脚分别经电容C2和电容C3后接地，PLL_TEST脚和GND_A脚接地，VDD_5脚依次经电阻R1和二极管D1后接地，芯片U1的DM脚和DP脚分别经电阻R2和电阻R3后与插口JP1的2脚和3脚连接，芯片U1的VO_33脚分别经电阻R3和电容C4后接插口JP1的3脚和4脚，插口JP1的1脚分别与芯片U1的VO_33脚和VDD_5脚连接，插口JP1插接到平板电脑，芯片U1的TXD脚和RXD脚分别与单片机U2的TXD脚和RXD脚连接；
所述的采集卡驱动电路包括芯片U3，芯片U3的OUT1脚、OUT3脚和OUT5脚串联后一起连接到自身的VCC脚，电磁继电器U4～U6的6脚连接12V电源，电磁继电器U4～U6的5脚均连接到芯片U3的VCC脚，电磁继电器U4～U6的2脚分别连接到芯片U3的OUT2脚、OUT4脚和OUT6脚，电磁继电器U4的4脚连接到U3的1脚，电磁继电器U5的4脚连接到U3的3脚，电磁继电器U6的4脚连接到U3的5脚；芯片U3的OUT2脚依次经二极管D5和电阻R23后连接到自身的VCC脚，芯片U3的OUT4脚依次经二极管D6和电阻R24后连接到自身的VCC脚，芯片U3的OUT6脚依次经二极管D7和电阻R25后连接到自身的VCC脚；芯片U3的IN1脚、IN3脚、IN5脚分别连接到单片机U2的P2.0脚、P2.1脚、P2.2脚；
单片机U1的型号采用PL2303HX单片机，单片机U2的型号采用STC12C56AD单片机，芯片U3采用ULN2003芯片。
6.根据权利要求1-5任一所述的一种便携性茶香检测电子鼻系统的应用，其特征在于：在茶叶香气辨别中的应用，能够通过茶叶香气辨别出茶叶的种类和品质。
7.一种便携性茶香检测方法，其特征在于采用权利要求1-5任一所述系统，方法采用以下步骤：
1)开启箱体(1)上的总开关(2)，通电工作；
2)开启箱体(1)上的清洗开关(3)使得电磁换向阀(13)切换到清洗微型气泵(15)工作，将外界洁净的空气从吸口探头(5)吸入经过气路对锥形气腔(9)及其气敏传感器阵列(7)进行清洗；
3)关闭清洗开关(3)，将吸口探头(5)放入装有茶叶容器中，开启箱体(1)上的检测开关(4)，使得电磁换向阀(13)切换到检测微型气泵(16)工作，将茶香气气从吸口探头(5)吸入经过气路进入锥形气腔(9)，并与气敏传感器阵列(7)接触，由气敏传感器阵列(7)采集香气数据。
8.根据权利要求7所述的一种便携性茶香检测方法，其特征在于：由气敏传感器阵列(7)采集香气数据后，进一步经信号采集电路板卡(8)将香气数据发送到平板电脑(6)，通过平板电脑(6)内的香气处理算法对香气数据进行处理获得茶叶的种类及品质，并进行显示。
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