基于AVR的味觉感知系统的设计与实现

摘要

随着仿生学研究的兴起以及生命科学的快速发展，携带有一定视觉、触觉、听觉功能的机器人已经在工业生产中得到了应用。然而，由于对人类的味觉和嗅觉生物学机理尚未研究清楚，机器人在这两方面功能的扩展相当缓慢。自从2004年诺贝尔医学奖授予嗅觉方面以来，味觉的研究成为了热点课题，特别是近年来采用人工智能方法模拟人类味觉系统的电子舌的出现使得机器人味觉仿生感知技术的研究取得了极大的突破，这对人工智能及机器人科学的飞跃发展具有十分重要的意义。
　　本文采用 ATmega16单片机作为主控芯片研制了一种基于光寻址电位传感器（LAPS）的机器人味觉感知系统。硬件设计上，自主研发了一种 LAPS测量池，创新的采用乘法器MLT04和DDS器件实现了LAPS光电流的锁相检测，同时，使用了DAC芯片和运放构建了恒电位仪来提供偏压，并对它们进行了功能测试，结果表明其硬件指标达到了设计要求。软件设计上，在ICCAVR平台实现了系统工作条件的切换以及数据的采集和传输，同时，采用 VC++6.0作为开发平台，设计了 PC机端软件控制系统，实现系统工作参数的设定以及数据的存储和显示。论文完成了系统样机的制作、软硬件联调和性能测试，讨论了偏置电压、调制频率对光电流的影响，优化了系统工作参数。通过对 pH溶液的检测，系统灵敏度达到了29.1mV/pH。最后，使用本系统对柠檬酸、葡萄糖、盐酸奎宁、NaCl、谷氨酸钠五种味觉物质进行了实验，在MatLab软件中采用主成分分析（PCA）和BP神经网络算法对数据进行分析识别。实验结果表明，本系统能够实现对五种物质的定性定量检测，达到了预期的效果，为机器人味觉仿生感知的研究奠定了一定的基础。

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第一章 引言

§1.1 研究背景和意义

§1.2 国内外电子舌技术研究现状

§1.3 课题来源

§1.4 论文的主要研究内容

第二章 LAPS基本原理

§2.1 LAPS原理

§2.2 敏感膜/溶液界面电势的能斯特方程

§2.3 本章小结

第三章 LAPS味觉感知系统的硬件设计

§3.1 LAPS测试和控制系统框架

§3.2 系统硬件模块设计

§3.3 硬件抗干扰措施

§3.4 本章小结

第四章 LAPS味觉感知系统的软件设计

§4.1 概述

§4.2 单片机端软件设计

§4.3 LAPS光源控制平台设计

§4.4 本章小结

第五章 系统性能测试与实验结果分析

§5.1 光电压与偏置电压的关系

§5.2 光电压与光调制频率的关系

§5.3 光电压与pH值的关系

§5.4 LAPS电子舌在味觉识别中的应用

§5.5 本章小结

第六章 总结和展望

§6.1 总结

§6.2 展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间主要研究成果

附录A 信号采集系统硬件PCB

附录B LAPS系统实物图