CN205786445U - 一种用于食品检测的电子鼻装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于食品检测的电子鼻装置，包括壳体，壳体内设有进样系统、采样电路、控制驱动电路、单片机控制芯片、接口电路和信号处理电路；进样系统包括进样室和传感器室，进样室入口设有第二电磁阀，进样室的出口与传感器室的入口之间设有第三电磁阀；传感器室内设有若干个不同的气体传感器，传感器室的入口上还设有第一电磁阀；采样电路的输出端、控制驱动电路的输入端、接口电路的数据传输端均与单片机控制芯片连接；信号处理电路包括DSP芯片单元，DSP芯片单元的数据传输端与单片机控制芯片连接。本实用新型实现了对食品信息的快速采集、检测以及数据通信功能，实现了食品新鲜度和质量的智能识别，并通过LCD显示出来。

Description

一种用于食品检测的电子鼻装置

技术领域

本实用新型属于食品检测领域，涉及一种食品检测电子鼻，尤其涉及一种基于MSP430单片机的食品检测电子鼻装置，适用于从食品散发气味的角度对食品的新鲜度和质量进行检测。

背景技术

在我国的食品检测行业中，需要判定和分析食品的气味、新鲜度、质量。但传统的判定模式主要是靠专业检测人员利用嗅觉评定，但是这种方法重复性差，标准并不统一，个体差异比较大，判定结果受到主观意识影响很大，而且嗅觉具有适应性，导致气味敏感度丧失，容易产生嗅觉疲劳，影响评定结果的信服度。随着科学科技的发展，电子仪器逐渐被用到感官评价当中，利用专业的仪器设备分析能够更精确的对食品感官分析，提高判断效率和质量。电子鼻的开发和利用有效的解决了对不易嗅到气味挥发性物质的判断和分析的问题。从而，保证了食品检测人员公平公正的对商家食品进行检测。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型提出一种用于食品检测的电子鼻装置，实现了对食品信息的快速采集、检测以及数据通信功能，通过上位机处理系统采用合适的算法实现了食品新鲜度和质量的智能识别，并通过LCD显示出来。

实现上述技术目的，达到上述技术效果，本实用新型通过以下技术方案实现：

一种用于食品检测的电子鼻装置，包括壳体，壳体内设有进样系统、采样电路、控制驱动电路、单片机控制芯片、接口电路和信号处理电路；所述进样系统包括进样室和传感器室，进样室入口设有第二电磁阀，进样室的出口与传感器室的入口之间设有第三电磁阀；所述传感器室内设有若干个不同的气体传感器，传感器室的入口上还设有第一电磁阀；所述采样电路的输出端、控制驱动电路的输入端、接口电路的数据传输端均与单片机控制芯片连接；所述信号处理电路包括DSP芯片单元，DSP芯片单元的数据传输端与单片机控制芯片连接；所述第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀均与单片机控制芯片连接。

所述的一种用于食品检测的电子鼻装置，还包括计算机和/或移动通信终端，计算机、移动通信终端通过接口电路与单片机控制芯片连接；还包括均与单片机控制芯片连接的显示模块、报警模块和按键模块。

所述传感器室的入口设有流量计和薄膜泵；所述传感器室包括底座、覆盖于底座上的盖子、固定在底座上的支架，多个传感器分别安装在支架上，传感器室与第一电磁阀之间设有空气过滤装置；所述流量计和薄膜泵均与单片机控制芯片连接。

所述采样电路包括：传感器电阻R_S和第九电阻R_L串联构成的分压取样电路、与分压取样电路的输出端连接的第一电压跟随器U_1c、可调电阻R1、与可调电阻R1的输出端连接的第二电压跟随器U_2c、差分放大电路，所述传感器电阻R_S是MOS传感器的阻值，所述差分放大电路包括第三运算放大器U_3c和第四运算放大器U_4c，第一电压跟随器U_1c和第二电压跟随器U_2c的输出端分别通过第三电阻R3和第四电阻R4连接到第三运算放大器U_3c的输入端，第三运算放大器U_3c的输出端通过第六电阻R6连接到第四运算放大器U_4c的同相输入端，第四运算放大器U_4c的反相输入端通过反馈电阻R8连接到其输出端，第四运算放大器U_4c的反相输入端还通过第七电阻R7接地。

一种用于食品检测的电子鼻装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤；

S1安装传感器构建传感器阵列；

S2建立与待检测的食品质量相对应的专家评定数据库；

S3利用进样系统将不同的待检测的食品的气体注入通过进样室传输到传感器室；

S4传感器室内的传感器阵列采集并输出信号到采样电路，采样电路将接收到的信号通过单片机控制芯片传输到信号处理电路；

S5信号处理电路中的DSP芯片单元将接收到的数据、模式识别算法和专家评定数据库结合起来，进行不断地学习、训练，调整和保存模式识别算法中的各个参数，从而得到一个知识库；

S6反复进行步骤S2～S4，当DSP芯片单元接收到数据后，利用训练好的模式识别算法和知识库完成对气体定性定量的分析，并输出分析结果。

所述的一种用于食品检测的电子鼻装置的检测方法，还包括：在首次检测前和每次检测结束后，通过第一电磁阀和传感器室的入口利用气体对传感器室进行清洗。

所述的利用气体对传感器室进行清洗具体过程为：打开第一电磁阀，关闭第二电磁阀和第三电磁阀，启动薄膜泵，利用薄膜泵将压缩空气通入到传感器室内对其进行清洗。

所述利用进样系统将待检测的食品的气体注入通过进样室传输到传感器室具体过程为：关闭第一电磁阀，开启第二电磁阀和第三电磁阀，启动薄膜泵，将待测气体通过进样室传输到传感器室，1～3分钟后关闭第二电磁阀、第三电磁阀和薄膜泵。

所述模式识别算法是由人工神经网络算法构成的模式识别算法。

所述的一种用于食品检测的电子鼻装置的检测方法，还包括用户通过计算机和/或移动通信终端上的用户界面来控制电子鼻装置，实现进样、数据采集、串口通信、数据处理和结果显示操作，计算机和/或移动通信终端内部设有与DSP芯片单元相同的模式识别算法。

本实用新型的有益效果：

1、本实用新型的一种用于食品检测的电子鼻装置，实现了对食品的新鲜度和质量进行检测，设备系统的小型化、简便性、精确性、人性化。

2、本实用新型的一种用于食品检测的电子鼻装置，利用超低功耗的MSP430单片机控制芯片进行采集，降低了功耗，延长了蓄电池的使用寿命，降低了使用成本，并实现检测模块化，具有调试方便、运行可靠、操作简单的优点。

3、本实用新型的一种用于食品检测的电子鼻装置，通过键盘操作可对检测食品的各个参数以及时间、日期进行设置和切换，同时检测结果会实时显示到液晶显示器上，通过串口通信接口以便将气体检测仪检测的数据上传至PC机，利用PC机强大的数据处理能力完成数据的处理和存储。

4、本实用新型的一种用于食品检测的电子鼻装置，能脱离计算机独立工作,能在独立的电子鼻系统内部完成对气流的控制、物品气味的检测、信号预处理、模式识别和显示报警等自动操作，满足现场检测所需的实时性、低功耗。

附图说明

图1是本实用新型一种用于食品检测的电子鼻装置的整体结构示意图。

图2是本实用新型一种用于食品检测的电子鼻装置的硬件结构框图。

图3是本实用新型一种用于食品检测的电子鼻装置的进样系统框图。

图4是本实用新型一种用于食品检测的电子鼻装置的采样电路电路图。

图5是本实用新型一种用于食品检测的电子鼻装置的原理图。

图6是本实用新型一种用于食品检测的电子鼻装置的检测方法流程图。

图7是本实用新型一种用于食品检测的电子鼻装置的在线检测流程图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

下面结合附图对本实用新型的应用原理作详细的描述。

参见图1～3，一种用于食品检测的电子鼻装置，包括壳体1，壳体1内设有进样系统、采样电路、控制驱动电路、单片机控制芯片及其外围扩展电路、接口电路和信号处理电路；所述进样系统包括进样室和传感器室，进样室入口设有第二电磁阀，进样室的出口与传感器室的入口之间设有第三电磁阀5；所述传感器室内设有若干个不同的气体传感器，不同的气体传感器形成传感器阵列，传感器室的入口上还设有第一电磁阀12；所述采样电路的输出端、控制驱动电路的输入端、接口电路的数据传输端均与单片机控制芯片连接；所述信号处理电路包括DSP芯片单元，DSP芯片单元的数据传输端与单片机控制芯片连接；所述第一电磁阀12、第二电磁阀、第三电磁阀5均与单片机控制芯片连接。

本实用新型中的气体传感器采用的是MOS传感器，由于MOS传感器可以较显著的反映空气中气体浓度的变化状况，当MOS传感器元件表面吸附某一类气体时，MOS传感器元件的电阻值将发生改变，通过检测MOS传感器的阻值变化从而反映被测气体的浓度。在本实用新型中，将MOS传感器阻值的变化转换到电压的变化来表征。参见图4，所述采集电路包括：电阻R_S和第九电阻R_L串联构成的分压取样电路、与分压取样电路的输出端连接的第一电压跟随器U_1c、可调电阻R1、与可调电阻R1的输出端连接的第二电压跟随器U_2c、差分放大电路，所述电阻R_S是MOS传感器的阻值，所述差分放大电路包括第三运算放大器U_3c和第四运算放大器U_4c，第一电压跟随器U_1c和第二电压跟随器U_2c的输出端分别通过第三电阻R3和第四电阻R4连接到第三运算放大器U_3c的输入端，第三运算放大器U_3c的输出端通过第六电阻R6连接到第四运算放大器U_4c的同相输入端，第四运算放大器U_4c的反相输入端通过反馈电阻R8连接到其输出端，第四运算放大器U_4c的反相输入端还通过第七电阻R7接地；通过调节可调电阻R₁，采样电路的输出电压V_out减去因分压取样电路所造成的基线电压，从而扩大检测的动态范围。假设将第一可调电阻R₁调零后，第一可调电阻R₁的输入电压通过第一电压跟随器U_1c后为V₁，MOS传感器的输入电压通过第二电压跟随器U_2c后为V_s。当基线调零时，V₁与V_s相等，此时输出V_out为零，可以认为是基线稳定状态。根据MOS传感器气敏机理，随着还原性检测气体通入，电阻R_S的阻值减小，V_s分压增大，则输出电压响应增大，气体的浓度与输出电压值正相关。

通过调节电阻R₁，使V_out的输出减去因分压所造成的基线，从而扩大检测的动态范围。假设调节电阻R₁的阻值调零后，电阻R₁端输入电压为V₁，气体传感器输入电压为V_s，V_CC是直流输入电源，则可得输出电压与气体传感器输入电压关系如式(1)：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{out}=(V_S-V_1)\·(1+\frac{R8}{R7})\\ V_S=V_{CC}\·R_1/(R_S+R_1)\end{array}\right.---\left(1\right)$

对于非金属氧化物气体传感器，通常传感器阻值R_S与气体浓度C之间的关系可以使用式(2)表示：

R_S＝A·C^-α (2)

其中，A与α是与气体种类相关的常数，R_S为传感器阻值，C为气体浓度，则根据式(1)与式(2)可以得出输出电压与气体浓度间的关系。

所述的一种用于食品检测的电子鼻装置，还包括计算机和/或移动通信终端，计算机、移动通信终端通过接口电路与单片机控制芯片连接；优选地，接口电路为RS485接口。

所述的一种用于食品检测的电子鼻装置，还包括均与单片机控制芯片连接的显示模块2、报警模块9和按键模块6；在本实用新型的一种实施例中，显示模块2为LCD显示器，用于作为信息输出接口，显示当前食品气体及质量状况；报警模块9为蜂鸣器，作为输出接口完成超标报警功能；按键模块6为四组按键，作为信息输入接口接收用户命令。

所述的一种用于食品检测的电子鼻装置，还包括电源指示灯3、开关4、USB接口7、电池组8。

所述传感器室的入口设有流量计和薄膜泵10；所述传感器室包括底座、覆盖于底座上的盖子、固定在底座上的支架，各气体传感器分别安装在支架上，传感器室与第一电磁阀12之间设有空气过滤装置11，优选地，空气过滤装置包括过滤网和活性炭，用于净化气体等；所述流量计和薄膜泵均与单片机控制芯片连接。

本实用新型的电子鼻装置中的各个电路模块的功能如下：

1、单片机控制芯片及外围扩展电路：单片机控制芯片是系统的核心，外围电路包括存储器扩展电路、I/O扩展电路、复位电路、时钟振荡电路等，提供对单片机控制芯片的支持和扩展，这一模块用于控制协调整个单片机系统，处理采样数据。

2、传感器阵列：传感器阵列位于传感器室内，包括4个广谱型半导体气敏传感器，对各种样品产生不同的响应。

3、采样电路：实现对传感器阵列响应的信号调节和量化，因为气敏传感器电阻的动态范围比较大，要求信号调节电路在整个动态范围内具有较高的灵敏度。

4、进样系统：方便、快捷地实现进样操作，并保证进样过程的可重复性，以压缩空气作为载气，以薄膜泵作为动力，在第一电磁阀门、第二电磁阀门和第三电磁阀门的控制下，将注入进样室的气体样品送入传感器室。

5、控制驱动电路：包括气敏传感器的加热电路、第一电磁阀门、第二电磁阀门和第三电磁阀门和薄膜泵的控制驱动。

6、单片机控制芯片上的I/O接口：用于连接显示模块、按键模块、报警模块，液晶显示模块用于显示操作过程信息和分析结果；按键模块用于控制系统的运行过程。

7、RS485接口：实现电平转换，通过串口电缆和计算机或者移动通信终端连结，进行数据交换。

8、DSP芯片单元：DSP芯片单元用于对数据处理及模式识别，通过现有的嵌入式软件完成模式识别算法。模式识别分两个阶段：(1)建立包括多种气味信息的知识库(2)将接收到的数据与知识库中的内容进行比较，实现对气体的定量和定性分析。知识库的建立既可以在系统内的DSP芯片单元中完成，也可以通过RS485串口将传感数据传输到计算机或者移动通信终端内完成，只要保证计算机或者移动通信终端中的模式识别是算法、初始条件与DSP芯片单元中模式识别算法、初始条件一致，就可以将计算机中的知识库移植到DSP芯片单元中进行以后的识别；知识库的建立是通过反复通入各种可能存在的不同的食品的气体，对电子鼻仪器进行训练，具体为：对DSP芯片单元中的模式识别算法进行不断训练和调整其参数，形成必需的参数，如人工神经网络算法的连接权重，以代表当前电子鼻的知识库，从而获得所要检测的气体参数并存储，实现定性和定量识别，获取的传感信号在DSP芯片单元中实时处理，并作出判断；当需要检测其他应用对象时，可以对电子鼻系统重新训练更新参数，从而实现无限制重复使用。

9、计算机或者移动通信终端：在联机工作时，实现对系统的控制、I/O接口操作、数据处理和结果输出。

综上所述，本实用新型的用于食品检测的电子鼻装置的工作流程为：

参见图5，本实用新型的一种用于食品检测的电子鼻装置，可以模拟人类嗅觉的形成过程，其工作原理是模拟人类的嗅觉器官感知、判断、分析气体。传感器室内的若干个不同的气体传感器是电子鼻对气味进行感知的基础构件，相当于嗅觉系统中的嗅觉细胞，具有单一性，而且多种不同的气体传感器能够组成具备多重选择功能的传感器阵列，对混合气体进行灵敏的交叉感知，不同的气味分子在传感器接受表面产生作用，转化为可测量的物理信号组合。传感器信号经过信号调理后，进入到单片机控制芯片，单片机控制芯片用于对信号进行预处理提取信号特征，并将特征向量或者原始数据送入DSP芯片单元，也可以通过USB模块送入计算机或者移动通信转动，信号处理电路中的DSP芯片单元相当于嗅觉系统中的嗅觉神经中枢和大脑，处理接收到的信号特征，DSP芯片单元中的模式识别单元会对信号特征进行处理，对混合气体的成分和不同成分的浓度进行快速分析。能够对结构复杂的类似人类器官中的判断识别系统进行模拟，提高了气味的检测精度。

本实用新型的电子鼻装置，在脱机工作时，用户通过控制键盘，实现进样、数据采集和数据处理，结果用LCD显示器进行显示；在联机工作时，用户通过计算机和/或移动通信终端上的用户界面来控制实现进样、数据采集、串口通信、数据处理和结果显示等操作。

参见图6，一种用于食品检测的电子鼻装置的检测方法，包括以下步骤；

S1安装传感器构建传感器阵列；

S2建立与待检测的食品质量相对应的专家评定数据库；具体为：请专业的人员进行感官评定，设定各级评定阈值；

S3利用进样系统将不同的待检测的食品的气体注入通过进样室传输到传感器室；

S4传感器室内的传感器阵列采集并输出信号到采样电路，采样电路将接收到的信号通过单片机控制芯片传输到信号处理电路；

S5信号处理电路中的DSP芯片单元将接收到的传感器数据、由人工神经网络算法构成的模式识别算法和专家评定数据库结合起来，进行不断地学习、训练，调整和保存模式识别算法中的各个参数，从而得到一个知识库；使得其能够被用于决定待测食品气味、新鲜度、质量；

S6反复进行步骤S2～S4，当DSP芯片单元接收到数据后，利用训练好的模式识别算法和知识库完成对气体定性定量的分析，并输出分析结果。

所述的一种用于食品检测的电子鼻装置的检测方法，还包括：在首次检测前和每次检测结束后，通过第一电磁阀和传感器室的入口利用气体对传感器室进行清洗。

所述的利用气体对传感器室进行清洗具体过程为：打开第一电磁阀，关闭第二电磁阀和第三电磁阀，启动相应的薄膜泵，利用薄膜泵将压缩空气通入到传感器室内对其进行清洗。

所述利用进样系统将待检测的食品的气体注入通过进样室传输到传感器室具体过程为：关闭第一电磁阀，开启第二电磁阀和第三电磁阀，启动相应的气泵，将待测气体通过进样室传输到传感器室，1～3分钟后关闭第二电磁阀、第三电磁阀和相应的薄膜泵，进样室主要是用来采集气体样本，此进样气体为压缩气体样本，保存此次检测的样本气体，以便后续工作使用。

所述信号处理电路中的DSP芯片单元用于对接收到的气体信息数据模式识别算法和知识库完成对气体定性定量的分析。

参见图7，所述的一种用于食品检测的电子鼻装置的检测方法，还包括用户通过计算机和/或移动通信终端上的用户界面来控制电子鼻装置，实现进样、数据采集、串口通信、数据处理和结果显示操作。

本实用新型的进样系统由进样室、传感器(包括底座、盖子、支架和固定在支架上的传感器阵列)、流量计、薄膜泵10、第一电磁阀、第二电磁阀和第三电磁阀组成。采用压缩空气作为载气，在单片机控制芯片的控制下，通过改变三个电磁阀的开关状态，将待检测的被检测食品气体由进样室送入传感器室，实现利用进样系统将待检测的食品的气体注入通过进样室传输到传感器室；具体过程如下：

系统复位后：

首先，打开第一电磁阀，关闭第二电磁阀和第三电磁阀，载气被薄膜泵抽进气路，对传感器室内的气敏传感器进行脱附，其流量由流量计控制。

进样时，先将待检测的被检测食品气体注入进样室，然后关闭第一电磁阀，同时打开第二电磁阀和第三电磁阀，于是待检测的被检测食品气体被载气送入传感器室，采样电路同时开始采样，该进样系统操作简单，用户只需在系统的提示下将待检测的被检测食品气体注入进样室，然后通过按压按键模块6中的“Return”键即可完成进样。各个电磁阀的开关由单片机控制芯片控制，可以保证进样操作的重复性，这种重复性使得可以对传感器阵列的整个响应过程进行数据采样，比在静态测试中只测最大响应而不考虑吸附和脱附过程获得更多的信息量，从而为后续的信号与信息处理带来极大的方便。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种用于食品检测的电子鼻装置，其特征在于：包括壳体，壳体内设有进样系统、采样电路、控制驱动电路、单片机控制芯片、接口电路和信号处理电路；所述进样系统包括进样室和传感器室，进样室入口设有第二电磁阀，进样室的出口与传感器室的入口之间设有第三电磁阀；所述传感器室内设有若干个不同的气体传感器，传感器室的入口上还设有第一电磁阀；所述采样电路的输出端、控制驱动电路的输入端、接口电路的数据传输端均与单片机控制芯片连接；所述信号处理电路包括DSP芯片单元，DSP芯片单元的数据传输端与单片机控制芯片连接；所述第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀均与单片机控制芯片连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于食品检测的电子鼻装置，其特征在于：还包括计算机和/或移动通信终端，计算机、移动通信终端通过接口电路与单片机控制芯片连接；还包括均与单片机控制芯片连接的显示模块、报警模块和按键模块。

3.根据权利要求1所述的一种用于食品检测的电子鼻装置，其特征在于：所述传感器室的入口设有流量计和薄膜泵；所述传感器室包括底座、覆盖于底座上的盖子、固定在底座上的支架，多个传感器分别安装在支架上，传感器室与第一电磁阀之间设有空气过滤装置；所述流量计和薄膜泵均与单片机控制芯片连接。

4.根据权利要求1所述的一种用于食品检测的电子鼻装置，其特征在于：所述采样电路包括：传感器电阻R_S和第九电阻R_L串联构成的分压取样电路、与分压取样电路的输出端连接的第一电压跟随器U_1c、可调电阻R1、与可调电阻R1的输出端连接的第二电压跟随器U_2c、差分放大电路，所述传感器电阻R_S是MOS传感器的阻值，所述差分放大电路包括第三运算放大器U_3c和第四运算放大器U_4c，第一电压跟随器U_1c和第二电压跟随器U_2c的输出端分别通过第三电阻R3和第四电阻R4连接到第三运算放大器U_3c的输入端，第三运算放大器U_3c的输出端通过第六电阻R6连接到第四运算放大器U_4c的同相输入端，第四运算放大器U_4c的反相输入端通过反馈电阻R8连接到其输出端，第四运算放大器U_4c的反相输入端还通过第七电阻R7接地。