白酒品质多传感器检测系统的设计
中国白酒历史文化悠久，是人类生活中的主要饮料之一。如今白酒的品种日益增多，以及人们对包括白酒在内的食品安全的关注度也不断增加。因而开发一个电子舌系统对白酒品质快速、准确检测具有重大意义。本文主要针对现在白酒检测中人工感官与化学方法的缺陷，采用低选择、非特异性的非修饰贵金属裸电极构成三电极传感阵列；下位机采用基于ARM核的32位增强型STM32F103作为微处理器，通过DAC产生多频激发脉冲，将恒电位电路施加在电极传感阵列上，非修饰金属裸电极上产生的代表被测样本整体特征性微弱响应电流信号经调理后传输到上位机；在上位机利用LabVIEW开发一套集数据采集、存储、回放与分析于一体的虚拟检测平台。对于采集到的数据先利用MATLAB进行特征提取，然后再将主成分分析、线性判别分析、概率神经网络和偏最小二乘法用于白酒香型、品牌和掺假白酒的定性定量分析。实验表明，根据课题设计的电子舌系统能够比较好的对白酒品质进行检测。关键词 白酒，电子舌，多频大幅脉冲，特征提取，模式识别
目 录
1 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 电子舌简介 2
1.3 国内外研究现状 3
1.4 研究内容 4
2 检测系统的硬件设计 5
2.1 系统总体结构 5
2.2 电子舌硬件系统设计 7
2.3 PCB图和实物图 14
3 检测系统的软件设计 15
3.1 嵌入式软件设计 16
3.2 上位机软件设计 18
4 实验过程及分析 21
4.1 电子舌实验步骤 21
4.2 数据特征提取 21
4.3 白酒品质检测实验 22
4.4 白酒掺假检测实验 30
结论 33
致谢 34
参考文献 35
1 绪论
1.1 研究背景及意义
全球经济快速发展产生的负面影响越来越多，其中食品安全问题也越来越严重。中国作为发展中国家，这样的问题更是频发，比如被曝光的、影响较大的“毒牛奶”、“毒生姜”、“甜蜜素”和“臭脚盐”等重大食品安全事故 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
。伴随我国生活水平的提高以及政府的重视，人们开始关注食品安全问题。我们需要每个人的关注与努力来预防、处理食品安全事故，这是一个长期而又艰巨的任务。而白酒作为中国最受欢迎的饮料之一，其文化悠久，种类繁多，中外驰名。受到利益的驱动，一些不法厂家及商家生产、销售掺假白酒和冒牌名酒，这类问题也越来越严重。因此更需要对白酒品质快速检测的方法。
白酒是以谷物为原料通过发酵和蒸馏等工艺制作而成[1]。白酒品质主要以白酒的色、香、味、质等作为指标，受酿酒材料、制作流程、设备的安全性、贮存的管理及勾兑水平的影响。目前，最快捷、准确的识别方法就是基于计算机技术的白酒品质智能鉴别[2]。而通过人体感官识别的方法一定程度上受到身体状况及周边空气变化的影响，化学方法比较费事，需要一定的人力、物力以及财力，对复杂酒体构成缺乏整体反映[1][3]。应用电子鼻对白酒品质进行检测，只能检测出白酒中能够挥发的部分，对于白酒不挥发的部分只能忽略不计，所以不能作出全面的检测。因而采用电子鼻检测白酒品质不能够得出比较精确的判断，存在着明显的弊端。
电子舌技术随着微电子学、自动化和仿生学等科目的深入得到进一步的发展与完善。从关于电子舌科研项目的创新，这一技术逐渐引起大家的关注，越来越多的研究人员开始将电子舌应用于食品生产检测中。和人体感官识别、生化分析等检测方法相比，电子舌技术有着易操作、快速有效等优点。电子舌是一种新研发出来的现代化检测设备，能够模仿人类的味觉感管系统识别信息。它选用低选择性、非特异性的交互敏感传感器阵列，以及恰当的算法或者能够进行定性定量分析的多元统计方法。因为电子舌有着灵敏性高、可靠性强和重复性多等优点，它才能够在食品检测的应用研究上百花齐放。除此之外，电子舌技术也在其他领域有着不错的应用，比如在环境监测、农业、生物学、工业和医疗行业上。本课题也正是利用三电极体系实现电子舌系统，配合微控制器核心系统、恒电位系统、LabVIEW虚拟检测平台和模式识别系统，设计一套白酒品质多传感器检测装置，并且使用该系统完成对白酒不同品牌和香型的定性分析以及对掺假白酒的定量分析实验。
1.2 电子舌简介
味觉神经系统主要是依赖于覆盖在舌头表面的味蕾，它能对被测物质进行相应的反应，然后产生刺激信号，通过头部的神经收集和传递，最终传导到大脑。大脑的味觉中枢对神经系统收集的信号进行整体的检测分析，根据自己已有的感觉对结果进行判断或者给出被测物质性质的相关信息。电子舌技术的设计就是模仿人类味觉神经系统。它的多电极传感器阵列就好比人的舌头，能够通过对不同物质敏感度的不同来获得对应的响应信号，然后收集数据，通过具体电路将响应值传输到计算机中。在这里，计算机代替了生物体的大脑。然后利用下载的软件在电脑上编写所用到的模式算法，根据数据进行运算得到被测对象的识别结果。人的味觉神经系统工作流程以及电子舌工作原理如图11所示。传感器阵列通常是由多个电极组成，每个电极的工作原理类似于人舌头上的味蕾。每个传感器不仅能够对一种化学物质敏感，而且对一类化学物质敏感，因此电子舌系统得到的是被测对象的整体响应图象[4]。
图11电子舌系统原理图
电子舌通常由多传感器阵列、信号处理模块和数据处理模块组成[5]。它不同于目前经常用到的化学分析仪器（高效液相色谱、气相色谱、分光光度计、近红外分析仪），不是只能检测到的被测对象中部分化学成分，而是该样本液态成分完整的数据，称为“味觉指纹图谱”信息[6]。电子舌技术根据人的舌头部位进行仿生，检测到的是被测物的整体味道。多传感器阵列中每个传感器对于不同物质的敏感度与舌头对于五种基本味觉（酸、甜、苦、辣、鲜）的敏感度相似，都是不同的；在信号处理模块中，采集传感器阵列的响应信号，然后像人的神经一样通过放大与降噪传输到随后的模式识别模块；模式识别模块正如人的大脑中枢对于味道反应一样，被应用来判断与处理传感器阵列从样品中收集的数据。它的主要功用有两部分：一是因为对于模式识别系统的构建，利用多传感器阵列从被测物中收集到的数据并不是全部有用，因此对所有数据在构建模式识别前实现特征提取，将能够表示被测物味觉特点的响应信号收集；二是根据模式算法，将收集的特征值采取模式识别，然后进行数据的定性与定量分析。多传感器阵列作为电子舌系统的核心，它的作用就是把不能直接判断的味觉感受变成可观察的物理信号。电子舌根据传感器的基本原理有如下几种型号：电势型、伏安型、电导型、光寻址型、物理型以及近几年发展迅速的生物传感型[7]。相比较这些类型，如今关于电势型、伏安型和电导型这几类电子舌的研究项目还是占主流的[8]。
目 录
1 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 电子舌简介 2
1.3 国内外研究现状 3
1.4 研究内容 4
2 检测系统的硬件设计 5
2.1 系统总体结构 5
2.2 电子舌硬件系统设计 7
2.3 PCB图和实物图 14
3 检测系统的软件设计 15
3.1 嵌入式软件设计 16
3.2 上位机软件设计 18
4 实验过程及分析 21
4.1 电子舌实验步骤 21
4.2 数据特征提取 21
4.3 白酒品质检测实验 22
4.4 白酒掺假检测实验 30
结论 33
致谢 34
参考文献 35
1 绪论
1.1 研究背景及意义
全球经济快速发展产生的负面影响越来越多，其中食品安全问题也越来越严重。中国作为发展中国家，这样的问题更是频发，比如被曝光的、影响较大的“毒牛奶”、“毒生姜”、“甜蜜素”和“臭脚盐”等重大食品安全事故 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
。伴随我国生活水平的提高以及政府的重视，人们开始关注食品安全问题。我们需要每个人的关注与努力来预防、处理食品安全事故，这是一个长期而又艰巨的任务。而白酒作为中国最受欢迎的饮料之一，其文化悠久，种类繁多，中外驰名。受到利益的驱动，一些不法厂家及商家生产、销售掺假白酒和冒牌名酒，这类问题也越来越严重。因此更需要对白酒品质快速检测的方法。
白酒是以谷物为原料通过发酵和蒸馏等工艺制作而成[1]。白酒品质主要以白酒的色、香、味、质等作为指标，受酿酒材料、制作流程、设备的安全性、贮存的管理及勾兑水平的影响。目前，最快捷、准确的识别方法就是基于计算机技术的白酒品质智能鉴别[2]。而通过人体感官识别的方法一定程度上受到身体状况及周边空气变化的影响，化学方法比较费事，需要一定的人力、物力以及财力，对复杂酒体构成缺乏整体反映[1][3]。应用电子鼻对白酒品质进行检测，只能检测出白酒中能够挥发的部分，对于白酒不挥发的部分只能忽略不计，所以不能作出全面的检测。因而采用电子鼻检测白酒品质不能够得出比较精确的判断，存在着明显的弊端。
电子舌技术随着微电子学、自动化和仿生学等科目的深入得到进一步的发展与完善。从关于电子舌科研项目的创新，这一技术逐渐引起大家的关注，越来越多的研究人员开始将电子舌应用于食品生产检测中。和人体感官识别、生化分析等检测方法相比，电子舌技术有着易操作、快速有效等优点。电子舌是一种新研发出来的现代化检测设备，能够模仿人类的味觉感管系统识别信息。它选用低选择性、非特异性的交互敏感传感器阵列，以及恰当的算法或者能够进行定性定量分析的多元统计方法。因为电子舌有着灵敏性高、可靠性强和重复性多等优点，它才能够在食品检测的应用研究上百花齐放。除此之外，电子舌技术也在其他领域有着不错的应用，比如在环境监测、农业、生物学、工业和医疗行业上。本课题也正是利用三电极体系实现电子舌系统，配合微控制器核心系统、恒电位系统、LabVIEW虚拟检测平台和模式识别系统，设计一套白酒品质多传感器检测装置，并且使用该系统完成对白酒不同品牌和香型的定性分析以及对掺假白酒的定量分析实验。
1.2 电子舌简介
味觉神经系统主要是依赖于覆盖在舌头表面的味蕾，它能对被测物质进行相应的反应，然后产生刺激信号，通过头部的神经收集和传递，最终传导到大脑。大脑的味觉中枢对神经系统收集的信号进行整体的检测分析，根据自己已有的感觉对结果进行判断或者给出被测物质性质的相关信息。电子舌技术的设计就是模仿人类味觉神经系统。它的多电极传感器阵列就好比人的舌头，能够通过对不同物质敏感度的不同来获得对应的响应信号，然后收集数据，通过具体电路将响应值传输到计算机中。在这里，计算机代替了生物体的大脑。然后利用下载的软件在电脑上编写所用到的模式算法，根据数据进行运算得到被测对象的识别结果。人的味觉神经系统工作流程以及电子舌工作原理如图11所示。传感器阵列通常是由多个电极组成，每个电极的工作原理类似于人舌头上的味蕾。每个传感器不仅能够对一种化学物质敏感，而且对一类化学物质敏感，因此电子舌系统得到的是被测对象的整体响应图象[4]。
图11电子舌系统原理图
电子舌通常由多传感器阵列、信号处理模块和数据处理模块组成[5]。它不同于目前经常用到的化学分析仪器（高效液相色谱、气相色谱、分光光度计、近红外分析仪），不是只能检测到的被测对象中部分化学成分，而是该样本液态成分完整的数据，称为“味觉指纹图谱”信息[6]。电子舌技术根据人的舌头部位进行仿生，检测到的是被测物的整体味道。多传感器阵列中每个传感器对于不同物质的敏感度与舌头对于五种基本味觉（酸、甜、苦、辣、鲜）的敏感度相似，都是不同的；在信号处理模块中，采集传感器阵列的响应信号，然后像人的神经一样通过放大与降噪传输到随后的模式识别模块；模式识别模块正如人的大脑中枢对于味道反应一样，被应用来判断与处理传感器阵列从样品中收集的数据。它的主要功用有两部分：一是因为对于模式识别系统的构建，利用多传感器阵列从被测物中收集到的数据并不是全部有用，因此对所有数据在构建模式识别前实现特征提取，将能够表示被测物味觉特点的响应信号收集；二是根据模式算法，将收集的特征值采取模式识别，然后进行数据的定性与定量分析。多传感器阵列作为电子舌系统的核心，它的作用就是把不能直接判断的味觉感受变成可观察的物理信号。电子舌根据传感器的基本原理有如下几种型号：电势型、伏安型、电导型、光寻址型、物理型以及近几年发展迅速的生物传感型[7]。相比较这些类型，如今关于电势型、伏安型和电导型这几类电子舌的研究项目还是占主流的[8]。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jxgc/zdh/2540.html
