stm32酒精检测仪设计硬件子系统(附件)
摘要：随着经济的发展，很多不法商家通过制作假酒来欺骗消费者并从中谋取暴利。假酒不但口感不好而且还会对饮用者的身体产生巨大的危害。此外，白酒种类繁多，品牌众多。而传统的区分方法是由专业的人通过观察、闻、品尝等方法来进行区分辨别。这种方法不仅费时费力准确度有限而且培养这样的专业人才所耗费的人力物力与时间都是不可估量的，代价之大让人难以接受。本次设计的主要目的就是设计一款可以识别酒精浓度、白酒类型、品牌的酒精检测仪。 本次设计通过多个日本费加罗TGS系列传感器组成的传感器阵列。它有响应和恢复时间较快、灵敏度好、特性各异、长期稳定性好等优点很适合本次的设计。此次的硬件设计主要完成了STM32最小系统设计、气敏传感器阵列设计、A/D转换模块设计、电源模块设计、键盘模块设计、液晶显示模块设计、2401无线通信模块设计、RS232转USB通讯模块设计等。关键词 酒精浓度，TGS系列传感器，STM32最小系统，2401目 录
1 绪论 1
1.1课题研究背景及意义 1
1.2课题国内外研究现状 1
1.3课题的主要研究内容 2
2 硬件系统的设计 2
2.1系统总体结构 2
2.2硬件系统设计 3
2.4本章小结 10
3 硬件原理图绘制以及PCB图绘制 11
3.1使用软件简介 11
3.2原理图绘制 11
3.2 PCB图绘制 12
4 系统调试与仿真 13
4.1实验过程及数据采集过程图 14
4.2实验操作流程 15
4.3 基于统计方法的白酒品质识别 16
4.4基于神经网络的白酒品质识别 18
结 论 21
致 谢 22
参考文献 23
1 绪论
1.1课题研究背景及意义
中国文化博大精深、源远流长，在我国上下五千年的辉煌历史当中，酒文化是其中不可缺少的一部分。中国地大物博，不同地方有不同地方的风俗与特色。因此，各地的酒也有各自的特色。单从白酒来看，从古代的竹叶青、女儿红、花雕、梨花白等等再到现代的茅台、五粮液、古井贡酒、洋河等等，其中种类不胜枚举。
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
22
参考文献 23
1 绪论
1.1课题研究背景及意义
中国文化博大精深、源远流长，在我国上下五千年的辉煌历史当中，酒文化是其中不可缺少的一部分。中国地大物博，不同地方有不同地方的风俗与特色。因此，各地的酒也有各自的特色。单从白酒来看，从古代的竹叶青、女儿红、花雕、梨花白等等再到现代的茅台、五粮液、古井贡酒、洋河等等，其中种类不胜枚举。再从香型看来白酒又分为浓香型、馥郁香型、酱香型、米香型、清香型、芝麻香型和其它香型这七种香型。如此多种类的区分与识别具有很大的难度与工作量。而传统的区分方法是由专业的人通过观察、闻、品尝等方法来进行区分辨别。这种方法不仅费时费力准确度有限而且培养这样的专业人才所耗费的人力物力与时间都是不可估量的，代价之大让人难以接受。不仅如此，随着经济的发展，很多不法商家通过制作假酒来欺骗消费者并从中谋取暴利。假酒不但口感不好而且还会对饮用者的身体产生巨大的危害。一般假酒都是使用甲醇或工业酒精勾兑而成的酒。少量的甲醇会引起身体不适更严重者导致失明，甚至大量的甲醇会导致死亡，后果真的不堪设想。所以，无论从以上几个方面的哪个方面看来，研究一种可以分析白酒成分、浓度、香型等数据的仪器是很有必要的。
1.2课题国内外研究现状
就目前情况而言，国内外在有关酒精方面的研究主要在于酒精对人体的影响，例如过量饮酒对人体神经网络的不良影响；呼吸不同酒精浓度后对驾驶员驾驶性能的影响等。而对于较为常见的呼气式酒精浓度检测仪的研究已经非常的成熟，不论是其对于酒精浓度检测的工作速度和检测精度都达到了一个较为理想的地步。而由于地域差异、文化上的差异，在白酒种类、香型、特色等的区分亦或是真假酒的辨别方面的研究不多见，但也取得了较多的成果。
目前，国内已有部分专家在白酒检测技术研究方面取得傲人成就，列如：王平等人提出了一种柔顺性气敏传感器阵列的设计思想，通过改变气敏传感器阵列中传感器的工作状态，从而实现用最少的气敏传感器对多种成分混合气体的识别；秦树基等人采用3个氧化铟气体传感器和1个氧化锡气体传感器组成的气体传感器阵列，从而发现更适合用于对白酒检测的气体传感器组合，之后开发出一个更能识别酒类的电子嗅觉系统，正确率高达95%；张哲等人在对天津费加罗公司生产的6种TGS系列气体传感器(TGS2600、TGS2602、TGS2610、TGS2611、TGS2620、TGS2442)性能检验时发现，TGS2442无法对不同浓度的白酒作出规律性的反映，因此不能用于对酒类的检测；秦万广等人用气敏传感器阵列结合神经网络模式识别技术制造出仿生鼻，在对不同种类白酒识别和分类实验后发现，仿生鼻能识别不同的白酒，更能识别真假白酒；史志存等人也利用电子鼻对白酒进行了分类识别实验，不仅能识别出不同香型，而且能识别出同一香型的白酒。
1.3课题的主要研究内容
主要研究内容如下：
（1）硬件电路模块的设计。在把握整体功能要求的基础上挑选满足功能且性价比高的元器件，并通过所选择的元器件设计各个模块电路。如：STM32最小系统、传感器检测电路、A/D转换电路、串行接口电路、无线传输电路、显示存储电路等。
（2）通过设计的各个模块电路绘制成原理图并整合，在原理图的基础上绘制PCB图并制作。
（3）购买元器件并完成焊接工作。
（4）和制作软件同学共同进行修改、调试、仿真。
2 硬件系统的设计
2.1系统总体结构
本系统硬件电路主要需要完成白酒样品采集、A/D转换、无线通信、数据传输等功能。硬件电路以STM32ARM芯片为核心，包括气敏传感器阵列、A/D转换模块、电源模块、按键模块、液晶显示模块、2401无线通信模块、RS232转USB通讯模块等。本系统总体功能是：首先将每种正确的白酒样品数据存入这个酒精检测仪的存储器内，然后再对各个所需检测的样品进行检测。检测过程大体如下：1、接上电源并按下复位键将系统复位。2、将检测用的传感器放于被检测样品附近进行检测，通过主芯片控制的A/D转换模块将模拟量转为数字量并与仪器内存储的资料进行比对从而通过LCD1602显示品种、浓度、真假等数据。于此同时，通过RS232串口连接或者2401无线通信连接将数据传输至PC机。下图2.1所示，为此次课题研究的硬件系统总设计框图。
图2.1硬件系统总体框图
各模块的主要功能如下：
1)气敏传感器阵列：主要由日本费加罗公司出产的TGS系列5个不同型号的气敏传感器组合成一个传感器阵列，传感器选择的依据是他们对白酒内各种不同成分的气味具有敏感性；
3)A/D转换模块：主要是当气敏传感器阵列在检测样品时，气体成分的变换会导致气敏传感器中的电阻的阻值发生变换，从而导致电路中的电流电压值产生相应的变换。对照数据手册中的数值就可知道相应的成分含量。在A/D转换的过程中，我们还使用CD4051，通过选通信号，依次将每路信号的数值送入A/D转换电路，这样只需要占用1个AD口，虽然降低了效率但是简化了电路。
4)STM32核心处理器模块：控制整个电路的核心芯片使用STM32F103系列，这款芯片是STM32系列处理芯片中较为突出的一款，其内核为ARM32位的Cortex-M3 CPU，最高工作频率为72MHz，带有256-512KB的闪存程序存储器和64KB的SRAM。
5)2401无线通信模块：基于nrf2401设计了无线通信模块，可以对PC机发送采集的数据。采用无线通讯方式，避免了现场有线连接难以实现、成本过高、传输
1 绪论 1
1.1课题研究背景及意义 1
1.2课题国内外研究现状 1
1.3课题的主要研究内容 2
2 硬件系统的设计 2
2.1系统总体结构 2
2.2硬件系统设计 3
2.4本章小结 10
3 硬件原理图绘制以及PCB图绘制 11
3.1使用软件简介 11
3.2原理图绘制 11
3.2 PCB图绘制 12
4 系统调试与仿真 13
4.1实验过程及数据采集过程图 14
4.2实验操作流程 15
4.3 基于统计方法的白酒品质识别 16
4.4基于神经网络的白酒品质识别 18
结 论 21
致 谢 22
参考文献 23
1 绪论
1.1课题研究背景及意义
中国文化博大精深、源远流长，在我国上下五千年的辉煌历史当中，酒文化是其中不可缺少的一部分。中国地大物博，不同地方有不同地方的风俗与特色。因此，各地的酒也有各自的特色。单从白酒来看，从古代的竹叶青、女儿红、花雕、梨花白等等再到现代的茅台、五粮液、古井贡酒、洋河等等，其中种类不胜枚举。
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
22
参考文献 23
1 绪论
1.1课题研究背景及意义
中国文化博大精深、源远流长，在我国上下五千年的辉煌历史当中，酒文化是其中不可缺少的一部分。中国地大物博，不同地方有不同地方的风俗与特色。因此，各地的酒也有各自的特色。单从白酒来看，从古代的竹叶青、女儿红、花雕、梨花白等等再到现代的茅台、五粮液、古井贡酒、洋河等等，其中种类不胜枚举。再从香型看来白酒又分为浓香型、馥郁香型、酱香型、米香型、清香型、芝麻香型和其它香型这七种香型。如此多种类的区分与识别具有很大的难度与工作量。而传统的区分方法是由专业的人通过观察、闻、品尝等方法来进行区分辨别。这种方法不仅费时费力准确度有限而且培养这样的专业人才所耗费的人力物力与时间都是不可估量的，代价之大让人难以接受。不仅如此，随着经济的发展，很多不法商家通过制作假酒来欺骗消费者并从中谋取暴利。假酒不但口感不好而且还会对饮用者的身体产生巨大的危害。一般假酒都是使用甲醇或工业酒精勾兑而成的酒。少量的甲醇会引起身体不适更严重者导致失明，甚至大量的甲醇会导致死亡，后果真的不堪设想。所以，无论从以上几个方面的哪个方面看来，研究一种可以分析白酒成分、浓度、香型等数据的仪器是很有必要的。
1.2课题国内外研究现状
就目前情况而言，国内外在有关酒精方面的研究主要在于酒精对人体的影响，例如过量饮酒对人体神经网络的不良影响；呼吸不同酒精浓度后对驾驶员驾驶性能的影响等。而对于较为常见的呼气式酒精浓度检测仪的研究已经非常的成熟，不论是其对于酒精浓度检测的工作速度和检测精度都达到了一个较为理想的地步。而由于地域差异、文化上的差异，在白酒种类、香型、特色等的区分亦或是真假酒的辨别方面的研究不多见，但也取得了较多的成果。
目前，国内已有部分专家在白酒检测技术研究方面取得傲人成就，列如：王平等人提出了一种柔顺性气敏传感器阵列的设计思想，通过改变气敏传感器阵列中传感器的工作状态，从而实现用最少的气敏传感器对多种成分混合气体的识别；秦树基等人采用3个氧化铟气体传感器和1个氧化锡气体传感器组成的气体传感器阵列，从而发现更适合用于对白酒检测的气体传感器组合，之后开发出一个更能识别酒类的电子嗅觉系统，正确率高达95%；张哲等人在对天津费加罗公司生产的6种TGS系列气体传感器(TGS2600、TGS2602、TGS2610、TGS2611、TGS2620、TGS2442)性能检验时发现，TGS2442无法对不同浓度的白酒作出规律性的反映，因此不能用于对酒类的检测；秦万广等人用气敏传感器阵列结合神经网络模式识别技术制造出仿生鼻，在对不同种类白酒识别和分类实验后发现，仿生鼻能识别不同的白酒，更能识别真假白酒；史志存等人也利用电子鼻对白酒进行了分类识别实验，不仅能识别出不同香型，而且能识别出同一香型的白酒。
1.3课题的主要研究内容
主要研究内容如下：
（1）硬件电路模块的设计。在把握整体功能要求的基础上挑选满足功能且性价比高的元器件，并通过所选择的元器件设计各个模块电路。如：STM32最小系统、传感器检测电路、A/D转换电路、串行接口电路、无线传输电路、显示存储电路等。
（2）通过设计的各个模块电路绘制成原理图并整合，在原理图的基础上绘制PCB图并制作。
（3）购买元器件并完成焊接工作。
（4）和制作软件同学共同进行修改、调试、仿真。
2 硬件系统的设计
2.1系统总体结构
本系统硬件电路主要需要完成白酒样品采集、A/D转换、无线通信、数据传输等功能。硬件电路以STM32ARM芯片为核心，包括气敏传感器阵列、A/D转换模块、电源模块、按键模块、液晶显示模块、2401无线通信模块、RS232转USB通讯模块等。本系统总体功能是：首先将每种正确的白酒样品数据存入这个酒精检测仪的存储器内，然后再对各个所需检测的样品进行检测。检测过程大体如下：1、接上电源并按下复位键将系统复位。2、将检测用的传感器放于被检测样品附近进行检测，通过主芯片控制的A/D转换模块将模拟量转为数字量并与仪器内存储的资料进行比对从而通过LCD1602显示品种、浓度、真假等数据。于此同时，通过RS232串口连接或者2401无线通信连接将数据传输至PC机。下图2.1所示，为此次课题研究的硬件系统总设计框图。
图2.1硬件系统总体框图
各模块的主要功能如下：
1)气敏传感器阵列：主要由日本费加罗公司出产的TGS系列5个不同型号的气敏传感器组合成一个传感器阵列，传感器选择的依据是他们对白酒内各种不同成分的气味具有敏感性；
3)A/D转换模块：主要是当气敏传感器阵列在检测样品时，气体成分的变换会导致气敏传感器中的电阻的阻值发生变换，从而导致电路中的电流电压值产生相应的变换。对照数据手册中的数值就可知道相应的成分含量。在A/D转换的过程中，我们还使用CD4051，通过选通信号，依次将每路信号的数值送入A/D转换电路，这样只需要占用1个AD口，虽然降低了效率但是简化了电路。
4)STM32核心处理器模块：控制整个电路的核心芯片使用STM32F103系列，这款芯片是STM32系列处理芯片中较为突出的一款，其内核为ARM32位的Cortex-M3 CPU，最高工作频率为72MHz，带有256-512KB的闪存程序存储器和64KB的SRAM。
5)2401无线通信模块：基于nrf2401设计了无线通信模块，可以对PC机发送采集的数据。采用无线通讯方式，避免了现场有线连接难以实现、成本过高、传输
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