0 引言

　　豬肉與蔬菜都是人們?nèi)粘Ｊ秤玫氖澄铮捎谧陨砗屯饨绛h(huán)境,、微生物等的作用,，豬肉與蔬菜都會發(fā)生不同程度的腐敗。隨著氣敏傳感器的發(fā)展,，利用電子鼻技術(shù)檢測豬肉新鮮度已經(jīng)引起人們的關(guān)注[1-4],，柴春祥等人[5]利用電子鼻對豬肉新鮮度進行判別，表明可以利用金屬氧化物半導體氣體傳感器檢測豬肉新鮮度,；孫天利等人[6]則探究了線性判別式分析（LDA）和主成分分析（PCA）在新鮮度識別中的效果,。而蔬菜的新鮮度，目前應用電子鼻檢測新鮮度的研究并不多,，吳瓊[7]等人利用光譜成像技術(shù)探究蔬菜的新鮮度,。本文則重點利用電子鼻對豬肉和蔬菜的新鮮度進行檢測，設(shè)計了基于金屬氧化物半導體氣敏傳感器（MOS）的檢測陣列,，并針對冰箱低溫環(huán)境設(shè)計專用氣室,，能應用于冰箱保鮮貯存豬肉與蔬菜新鮮度檢測的電子鼻系統(tǒng)[8]，具有成本低,，快速,、簡便的特點。本文選取豬肉以及蔬菜中較有代表性的菠菜作為實驗對象,，對系統(tǒng)性能進行初步驗證,。

1 系統(tǒng)設(shè)計

　　電子鼻是利用氣體傳感器陣列的響應值來識別氣味的電子系統(tǒng)，可以在幾小時,、幾天甚至數(shù)月的時間內(nèi)連續(xù),、實時地監(jiān)測特定位置的氣味狀態(tài)。電子鼻系統(tǒng)一般由檢測氣室、下位機控制系統(tǒng)及上位機處理系統(tǒng)組成,。檢測氣室主要用于氣體信號采集,，下位機控制系統(tǒng)則實現(xiàn)系統(tǒng)電路及氣路的控制、A/D轉(zhuǎn)換,、液晶顯示及數(shù)據(jù)通信功能,，上位機處理系統(tǒng)主要完成對下位機的控制、數(shù)據(jù)記錄與處理和人機界面等功能,。為完成系統(tǒng)功能,，最小核心芯片選用TI公司的MSP430F169，A/D轉(zhuǎn)換芯片則選用TI公司的ADC128S052,，該芯片較430內(nèi)部AD電路具有更高的轉(zhuǎn)換速率及精度,。系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示。

　　1.1 檢測氣室設(shè)計

　　氣敏傳感器工作時,，工作溫度達200 ℃～300 ℃[9],，電子鼻系統(tǒng)在清洗預熱階段，通入室溫狀態(tài)下的空氣,，此時如果有明顯低于室溫的低溫氣體通入,，會抑制傳感器的正常工作狀態(tài),，進而影響性能,，因此需要設(shè)計加熱氣路，快速將低溫氣體加熱至室溫狀態(tài)用以系統(tǒng)檢測,。

　　為此,，本文專門設(shè)計了檢測氣室，主要在泵入傳感器陣列測試腔前增加一段加熱及控溫電路,，將進入測試腔前氣路溫度控制在室溫,，確保不會因為氣體溫度過低而影響傳感器的正常響應及使用壽命。并在氣路入口處填裝活性炭,，消除水汽及空氣中VOCs對檢測的影響,。控溫電路通過PID控溫算法實現(xiàn),，其設(shè)計概要圖如圖2所示,。

　　1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　1.2.1 傳感器陣列選擇

　　在豬肉的貯藏過程中，由于酶和細菌的作用,，這些成分會發(fā)生分解變化,，產(chǎn)生氣味。蛋白質(zhì)先分解為腐敗的胺類,，進一步分解為氨,、硫化氫、乙硫醇等；脂肪分解為脂肪酸類,，進一步分解為醛類和醛酸類臭氣,；碳水化合物則分解為醇類、酮類,、醛類和羧酸類氣體[10],。蔬菜的腐敗過程則主要產(chǎn)生有機揮發(fā)氣體VOCs。

　　據(jù)此,，本文綜合選擇6種MOS傳感器組成傳感器陣列,，具體型號及特征氣體如表1所示。

　　1.2.2 傳感器核心檢測電路設(shè)計

　　為消除基線漂移影響,，提高檢測靈敏度,，系統(tǒng)檢測電路選用包含惠斯登電橋以及由運算放大器OPA2333構(gòu)成的差分放大電路傳感器核心檢測電路設(shè)計如圖3所示。

　　由圖3可知,，通過調(diào)節(jié)R1,，使Vout的輸出減去因分壓所造成的基線，從而擴大檢測的動態(tài)范圍,。假設(shè)調(diào)節(jié)R1調(diào)零后,，R1端輸入電壓為V1，傳感器輸入電壓為Vs,，則可得輸出電壓與傳感器輸入電壓關(guān)系如式(1)：

　　對于非金屬氧化物氣體傳感器,，通常傳感器阻值Rs與氣體濃度C之間的關(guān)系可以使用式(2)表示：

　　其中，A與α是與氣體種類相關(guān)的常數(shù),。則根據(jù)式(1)與式(2)可以得出輸出電壓與氣體濃度間的關(guān)系,。

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　1.3.1 下位機軟件設(shè)計

　　下位機軟件基于430單片機，以C語言進行開發(fā),。主要實現(xiàn)傳感器檢測陣列控制,、A/D轉(zhuǎn)換、氣路通斷等控制功能,，并在TFT屏上實時顯示波形,。通過對控制氣路通斷來采集傳感器響應特征值，在經(jīng)過A/D處理并取平均值之后在串口中斷中向PC端傳送數(shù)據(jù),。下位機系統(tǒng)主程序流程圖見圖4,。

　　系統(tǒng)初始化模塊主要實現(xiàn)系統(tǒng)端口、串口通信,、A/D轉(zhuǎn)換,、TFT液晶顯示等模塊的初始化工作，為后續(xù)檢測做好準備,。串口初始化則完成工作模式的設(shè)置,，包括波特率,、定時器工作方式、定時器定時的設(shè)置,；A/D初始化主要是通道的選擇以及A/D寄存器的設(shè)置,；TFT液晶屏初始化工作是正確設(shè)置液晶顯示屏的控制參數(shù)。

　　1.3.2 上位機軟件設(shè)計

　　為更好地記錄實驗數(shù)據(jù)及觀察響應曲線,，系統(tǒng)編寫了基于C#的上位機程序,，程序集合了串口通信、下位機控制,、描點繪圖,、數(shù)據(jù)保存、特征值提取及數(shù)據(jù)處理等功能,。使用者可以利用上位機軟件實時觀察響應波形,，程序會自動將采集的數(shù)據(jù)保存到電腦，方便后續(xù)分析數(shù)據(jù),。程序集成了PCA及LDA算法,，點擊數(shù)據(jù)處理按鈕，即可對一系列采集的數(shù)據(jù)進行處理,，觀察本次檢測響應曲線,，并判別當前豬肉的新鮮度。

2 實驗及結(jié)果分析

　　2.1 實驗流程

　　從市場上購買新鮮豬肉作為實驗原材料,，稱重100 g放入冰箱保鮮室貯存,；蔬菜則選取較有代表性的菠菜作為實驗材料，同樣放入冰箱保鮮室貯存,。進行測量時,，將樣品從冰箱中取出,，放入檢測氣室中進行檢測,，用TFT顯示屏及上位機程序觀察實時曲線，并進行數(shù)據(jù)處理,。樣品每天測量2～3次,，記錄每次實驗傳感器響應特征值。最后對采集到的數(shù)據(jù)進行處理,，查看每次實驗的判別結(jié)果,。

　　2.2 電子鼻系統(tǒng)峰值響應

　　2.2.1 豬肉峰值響應

　　由于豬肉在保鮮條件下貯存腐敗速度會降低，因此對于保鮮條件下貯存的豬肉每天測試2～3次,，每次間隔4個小時,。在本實驗中，一共記錄了4天數(shù)據(jù),，圖5表示其電子鼻峰值響應情況,。

　　通過分析圖5的峰值響應，可以認為在前28個小時的豬肉保持在新鮮狀態(tài)。在第2天時可認定豬肉處于次新鮮狀態(tài),，肌肉顏色稍暗,，指壓后的凹陷不能立即恢復，彈性差,，稍有氨味,。從第3天開始，豬肉的腐敗程度已經(jīng)較深,，可認為已經(jīng)完全腐敗,。

　　2.2.2 菠菜峰值響應

　　與豬肉實驗方法相同，記錄了菠菜電子鼻的峰值響應,，由于菠菜的腐敗進程要慢于豬肉,，菠菜的峰值記錄時間約為6天，此時的菠菜葉片萎縮嚴重,、變黃變黑,、葉片和莖桿都變軟，有明顯的腐敗氣味,，可以認為已經(jīng)基本處于完全腐敗狀態(tài),。結(jié)果如圖6所示。

　　2.3 新鮮度檢測結(jié)果識別分析

　　為對這兩種食物新鮮度進行更好的識別與區(qū)分,，系統(tǒng)采用線性判別式分析(Linear Discriminant Analysis,，LDA)作為識別算法。該算法的基本思想是投影,，首先找出特征向量,，通過將高維數(shù)據(jù)投影到更低維的方向，使得投影后組與組之間盡可能地分開,，而同一組內(nèi)的關(guān)系更加密切,，最后在新的空間中對樣本進行分類[11]。LDA算法可以更直接地處理樣本間的分類問題,，以便系統(tǒng)更好地區(qū)分食物的新鮮度,。

　　結(jié)合電子鼻響應情況與肉類新鮮度評價標準[12]，對貯存在冰箱中的豬肉新鮮度進行了區(qū)分,，同時采用LDA算法對相應的氣味圖譜進行分類聚合,，據(jù)此標準得出的分類結(jié)果如圖7所示。與豬肉分類標準類似,，菠菜LDA算法對相應氣味圖譜進行分類聚合所得到的結(jié)果如圖8,。

　　分類圖中可以明顯區(qū)分新鮮狀態(tài)與非新鮮狀態(tài)，兩者的線性判別函數(shù)LD1和LD2總貢獻率為100%,，已經(jīng)完全表征了樣品信息,。雖然在菠菜的次新鮮及腐敗狀態(tài)的區(qū)分上,，還有一定的接近，但是已經(jīng)能基本實現(xiàn)區(qū)別新鮮與否的功能,。

　　2.4 豬肉與蔬菜的氣味識別

　　在實際使用中,，通常將肉類與蔬菜混放在一起，因此需要探究憑借氣味圖譜識別食物類型,，對于多種樣品的識別,，采用主成分分析（PCA）方法進行識別效果更好。主成分分析采取數(shù)學降維的方法, 找出幾個綜合變量代替原來眾多的變量, 使這些綜合變量能盡可能地代表原來變量的信息量, 而且彼此之間互不相關(guān)[13],。為了能更好地進行識別,，本文選取了峰值、最大正斜率和響應時間3個特征值,，這樣系統(tǒng)就總共有18個特征值,，其中前兩個主成分的貢獻率分別達到82.4%和9.5%，基本可以用這兩個主成分代替樣本信息,。對其進行主成分分析,，能較好地區(qū)分出豬肉及菠菜。圖9為豬肉與菠菜的PCA分析結(jié)果,。

3 結(jié)論

　　(1)電子鼻系統(tǒng)利用430單片機構(gòu)建,，并實現(xiàn)檢測模塊化，降低了成本,，具有調(diào)試方便,、運行可靠、操作簡單的優(yōu)點,。系統(tǒng)能適應冰箱保鮮貯存低溫環(huán)境,，消除因低溫氣體對檢測結(jié)果造成的影響。

　　(2)由實驗結(jié)果可知,，線性判別式分析(LDA)算法可以較好地區(qū)分出豬肉與菠菜的新鮮程度,，而利用主成分分析（PCA）方法則可以較為準確地區(qū)分出肉類與菠菜，具有優(yōu)異的性能,。

　　(3)由于蔬菜種類繁多,，系統(tǒng)初步驗證了菠菜的檢測效果，其他蔬菜未做驗證,，需進一步實驗驗證。

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