以单片机与机器学习为基础的电子舌软件开发

第一章绪论

随着科技的发展，有关人工味觉系统的研究开始逐渐频繁起来，而模仿人类味觉功能的仿生系统       电子舌（Electronic Tongue)在各个食品医药化工卫生等相关科研机构中的研究与应用成果也大量刊登在学术杂志上，其研究进展越来越得到各行业的重视。电子舌，顾名思义是利用传感器探测待测液体，通过传感器阵列的响应信号并结合计算机和数学方法来识别待测液体的仿生学系统，属于人类味觉系统的一种延续。目前电子舌已经在在食品新鲜度检测、果蔬成熟度评价及饮料、酒类识别等轻工业中得到了大量的应用与发展(王俊等,2004)。将来电子舌还会在食品医药化工等领域有着广阔的发展前景。目前国内的许多实验室自行研发的电子舌，大多使用数据采集卡和labview软件代替单片机系统，其优点是研制速度快，不用花费太多精力在硬件设计和软件编程上，但作为工业产品出售的话，受制于知识产权限制，必须向NI等公司申请专利许可并缴纳专利费用。如果利用单片机或者嵌入式系统以及开源软件设计，则可以绕开专利陷讲，节省大量成本。数据处理与模式识别作为电子舌的重要组成部分，以往很多论文都是利用商业数学软件如SAS, DPS，SPSS等软件，与电子舌系统连接性不强，且无法单独作为专用数据处理软件使用，这是商业化电子舌系统的巨大障碍之一，本文在数据处理软件上，没有采用相关商业数学软件，而是使用Matlab GUI Developer或者C语言自行开发可单独运行的数据处理软件，可以绕幵商业软件的专利限制。本文计划利用传感器阵列，单片机系统，MTLAB和VC++以及其他辅助软硬件系统搭建一个电子舌实验模型，并通过一定量的实验来验证其有效性。
本实验室拥有先进的德国PENZ电子鼻，法国ASTREE电子舌等一系列配套设备，在电子舌和电子鼻对农产品检测的研究中并取得了大量的成绩，整个实验团队有着良好的农产品检测、机电设备软硬件开发、模式识别算法方面良好的科研实力。本课题在研究了法国ASTREE电子舌的基础上，自行研制的一台电位型电子舌，力求研究出一套接近工业化标准的仪器设备并编写配套软件系统，并结合试验进行验证.1.5研究内容(1)根据研究方向和研究目标，以及试验条件选择了相应的传感器。(2)设计了针对离子选择电极的多通道高阻抗小信号放大电路，把电子舌传感器的信号进行滤波和放大，并以CSIMOJ为基础设计了一块模数信号转换板卡，可以采集传感器信号至PC机。(3)利用C语言与VC++平台，编写了下位机和上位机程序，实现数据传输，人机交互，以及仪器控制功能。⑷在MTLAB7. 11环境下，以机器学习理论为指导，编写了一整套数据处理程序，包括PCA, LDA,以及BP，PNN, RBF神经网络及其参数优化工具，基于Lib-SVM工具箱的模式识别软件，基于二维搜索的SVM参数优化工具和基于GAOT遗传算法工具箱的SVM参数优化工具，基于LS-SVM工具箱的模式识别软件。基于C语言编写了电子舌数据BP神经网络处理程序。最后整合为原创的ET GUI TEST电子舌数据处理软件。(5)应用该电子舌系统对4种不同品牌的矿泉水和5种不同的苹果汁，对数据进行了分析和模式识别。STC89C52是一种低功耗、高性能CM0S8位微控制器，具有8K在系统可编程Hash存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程KLash,使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM, 32位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM, MAX810复位电路，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。另外STC89C52可降至OHz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许MM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35Mhz, 6T/12T可选。
 
第三章模式识别方法及电子舌专用数据处理软件……………….22
3.1数据归一化方法……………….22
3. 2主成分分析……………….22
3. 3线性判别分析……………….     23
3.    4人工神经网络……………….24
第四章电子舌在饮用矿泉水分类中的研究……………….30
4.1实验方案……………….30
4.2实验数据处理……………….31
第五章电子舌在苹果汁分类中的研究……………….49
5. 1实验方案       ……………….49
5.2实验方案及数据……………….49
5.3 BP神经网络分析……………….50
5.4模式别分析结果比较……………….51

结论
通过以上几章的实验，可以得到以下结论：(1)离子选择电极的特性和局限：离子选择型电极只对特定的离子具有较好的响应，这个特点限制了传感器阵列的应用，为检查更多种类的液体，应扩展更多数量的传感器或者使用适应性更广的传感器，当扩展更多适用性传感器后，可测量的液体范围也大大扩展。(2)调理电路的特点：调理电路具有线性，适应高阻抗，但在实验中显示出其稳定性有所不足，需要在后期工作中进行改进。(3)AD模块和单片机的特点：AD模块和单片机具有精度高，速度较快等优点，但单片机受限于其运算处理能力，在此实验中只起到了驱动外围以及采集传输数据的作用，后期打算使用ARM+FPGA+DSP扩展系统的处理能力。(4)模式识别部分的特点：在matlab环境下编写了 pea, Ida, bp神经网络，rbf神经网络，pnn神经网络，svm对数据进行了分析和识别，在C语言环境下编写了 BP神经网络程序，效果比较理想。并编写了 ET GUI TEST电子舌专用数据处理软件，方便非专业人员使用。(5)上位机软件部分的特点：在vc++环境下编写了接收，显示，存储数据的上位机程序，比较简单实用。
本人经过学习和探索，希望下一阶段釆用全新的结构来研制新一代电子舌。将会有如下改进：具有可移植性的高适应度电源模块系统，将釆用新的电子幵关，抛弃传统的机械开关，并包含了 Buck电路，Boost电路，LD0，linear等典型的电源系统，充分适应数字电路的+5V/+12V/+3. 3V/+9V，并兼顾模拟电路的±5V± 12V等，兼容性强，且稳定，抗干扰，纹波小。输入釆用经典的开关电源模块，方便携带，成本低廉。老版本电子舌的主控8051MCU将作为协处理器使用，专职负责RTC, UART等外围驱动。核心采用ARM-C0RTEX-M3，属于ARMv7-M结构,与iPhone4的核心处理器ARM-C0RTEX-A8同属ARMv7 architecture。相对于经典的ARM7时代的产品，在外设，中断，速度等方面有了较大进步。同时价格低廉，国内容易购买。并且可以方便地移植一些模式识别程序，扩展电子舌的手持计算能力。AD/DA以及波形产生均使用cyclone系列的FPGA,减少ARM核的运算负担。

参考文献
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