一种用于检测茶叶品质的电子鼻及其控制方法和管理系统

1.本发明涉及电子鼻检测技术领域，尤其涉及一种可用于检测茶叶品质的电子鼻及其控制方法、管理系统。


背景技术：

2.随着人们生活水平的提高，人们越来越关注自身的健康，越来越注重日常饮食的质量。现代科学证明，茶与人们健康有着密切的关系，茶叶内含有的物质有着丰富的营养，与人体的代谢相关，并具有药理作用，可改善人体对疾病的抵抗能力，而且品质越好，茶叶中的这些有益成分含量越高。目前市场上的茶叶种类繁多，但品质良莠不齐。虽然利用感官评价、气相色谱质谱(gc
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ms)等也可用于茶叶品质的检测，但在实际应用中，存在一些诸如检测物质复杂、感官评价外界不可控因素太多、仪器及检测费用较昂贵等问题。


技术实现要素：

3.本发明提供一种用于检测茶叶品质的电子鼻及其控制方法和管理系统，解决的技术问题在于：如何客观地、精准地、低成本地对茶叶品质进行检测。
4.为解决以上技术问题，本发明提供一种用于检测茶叶品质的电子鼻，包括机箱1以及设置在所述机箱1内的气体通路；所述气体通路包括气体进样口2、过滤器3、第一三通电磁阀t1、第二三通电磁阀t2、第三三通电磁阀t3，以及顺序连通的金属氧化物气室4、电化学气室5、质量流量控制器mfc、气泵6和出气口7；所述气体进样口2包括背景空气入口g1、载气入口g2、加工前进样口g3、加工后进样口g4；所述气体进样口2和所述出气口7嵌设在所述机箱1的侧壁上；所述金属氧化物气室4中设有用于检测茶叶第一挥发性气味组合的第一传感器阵列，所述电化学气室5设有用于检测茶叶第二挥发性气味组合的第二传感器阵列；
5.所述加工前进样口g3和所述加工后进样口g4分别连接所述第三三通电磁阀t3的第一进气端和第二进气端，所述背景空气入口g1通过所述过滤器3和所述载气入口g2分别连接所述第二三通电磁阀t2的第一进气端和第二进气端，所述第二三通电磁阀t2的出气端和所述三通电磁阀t3的出气端分别连接所述第一三通电磁阀t1的第一进气端和第二进气端，所述第一三通电磁阀t1的出气端连接所述金属氧化物气室4的进气端。
6.可选地，一种用于检测茶叶品质的电子鼻，还包括设置在所述机箱1内的控制通路；所述控制通路包括io控制板8、温湿度气压传感器读出电路9和信号调理板10；所述金属氧化物气室4及所述电化学气室5中还设有温湿度气压传感器；
7.所述io控制板8连接所述第一三通电磁阀t1、所述第二三通电磁阀t2、所述第三三通电磁阀t3、所述质量流量控制器mfc和所述气泵6并控制其工作；
8.所述温湿度气压传感器读出电路9连接所述温湿度气压传感器，用于读取相应的温度传感数据、湿度传感数据和气压传感数据；
9.所述信号调理板10连接所述第一传感器阵列和所述第二传感器阵列，用于读取相应的茶叶气味传感数据。
10.可选地，所述控制通路还包括嵌设在所述机箱1侧壁上的上位机11；所述信号调理板10通过顺序连接的ad采集卡12及第一usb接口usb1连接usb集线器usb hub，所述io控制板8通过第二usb接口usb2连接所述usb集线器usb hub，所述质量流量控制器mfc通过顺序连接的485接口、485转usb接口、第三usb接口usb3连接所述usb集线器usb hub，所述温湿度气压传感器读出电路9通过第四usb接口usb4连接所述usb集线器usb hub，所述usb集线器usb hub连接所述上位机11。
11.可选地，所述控制通路还包括固定于所述金属氧化物气室4底部的加热片13，所述加热片13连接所述io控制板8。
12.可选地，所述控制通路还包括嵌设在所述机箱1侧壁上的风扇14，所述风扇14连接所述io控制板8，用于对所述机箱1内部进行散热。
13.可选地，所述第一传感器阵列包括多种金属氧化物类的茶叶气味传感器；所述第二传感器阵列包括多种非金属氧化物类的茶叶气味传感器；所述金属氧化物气室4的内壁及所述电化学气室5的内壁均镀有特氟龙保护涂层。
14.本发明提供的一种用于检测茶叶品质的电子鼻，实现的效果在于：
15.1、设计有用于茶叶气味检测的气体通路，在该通路的金属氧化物气室4、电化学气室5中，设置有能够响应茶叶气味voc(挥发性有机化合物)的多种不同原理的传感器阵列(第一传感器阵列和第二传感器阵列)，能够客观地获得更多茶叶气味特征；
16.2、设计有加工前进样口g3、加工后进样口g4、背景空气入口g1和载气入口g2，可在一次实验中采集茶叶加工前与加工后的气味，提高检测精度；
17.3、设计加热片13对金属氧化物气室4加热，可适用于金属氧化物气体传感器(第一传感器阵列)工作；
18.4、设计风扇14对机箱1内部进行散热，以提高电子鼻的可靠性和稳定性；
19.5、设计io控制板8对三通电磁阀、气泵6、加热片13、风扇14进行控制，设计信号调理板10采集相应的茶叶气味传感数据，设计温湿度气压传感器读出电路9采集温度传感数据、湿度传感数据和气压传感数据，设计上位机实现总控和数据分析，智能化程度高，具有良好的发展前景；
20.6、由机箱1、多个三通电磁阀、质量流量控制器mfc、气泵6、传感器阵列、单片机(io控制板8)、上位机11、数据传输接口等搭建而成，封装在机箱1中，成本低。
21.本发明还提供一种用于检测茶叶品质的电子鼻的控制方法，针对上述电子鼻，具体包括步骤：
22.s1.基线数据采集：按需求通过所述上位机11设定质量流量控制器mfc的流量值，并控制所述第一三通电磁阀t1、第二三通电磁阀t2、第三三通电磁阀t3及所述气泵6，使得仅有背景空气从所述背景空气入口g1进入，依次流经所述第二三通电磁阀t2、所述第一三通电磁阀t1、所述金属氧化物气室4、电化学气室5、所述质量流量控制器mfc和所述气泵6，从所述出气口7排出，对所述金属氧化物气室4、电化学气室5进行基线数据采集；
23.s2.加工前样本数据采集：通过所述上位机11按需求设定质量流量控制器mfc的流量值，并控制所述第一三通电磁阀t1、第二三通电磁阀t2、第三三通电磁阀t3及所述气泵6，使得仅有加工前气体样本从所述加工前进样口g3进入，依次流经所述第三三通电磁阀t3、所述第一三通电磁阀t1、所述金属氧化物气室4、电化学气室5、所述质量流量控制器mfc和
所述气泵6，从所述出气口7排出，对所述金属氧化物气室4、电化学气室5进行加工前样本数据采集；
24.s3.第一次清洗：按需求通过所述上位机11设定质量流量控制器mfc的流量值，并控制所述第一三通电磁阀t1、第二三通电磁阀t2、第三三通电磁阀t3及所述气泵6，使得仅有背景空气从所述背景空气入口g1进入，依次流经所述第二三通电磁阀t2、所述第一三通电磁阀t1、所述金属氧化物气室4、电化学气室5、所述质量流量控制器mfc和所述气泵6，从所述出气口7排出；
25.s4.加工后样本数据采集：按需求设定质量流量控制器mfc的流量值，并控制所述第一三通电磁阀t1、第二三通电磁阀t2、第三三通电磁阀t3及所述气泵6，使得仅有加工后气体样本从所述加工后进样口g4进入，依次流经所述第三三通电磁阀t3、所述第一三通电磁阀t1、所述金属氧化物气室4、电化学气室5、所述质量流量控制器mfc和所述气泵6，从所述出气口7排出，对所述金属氧化物气室4、电化学气室5进行加工后样本数据采集；
26.s5.第二次清洗：按需求通过所述上位机11设定质量流量控制器mfc的流量值，并控制所述第一三通电磁阀t1、第二三通电磁阀t2、第三三通电磁阀t3及所述气泵6，使得仅有背景空气从所述背景空气入口g1进入，依次流经所述第二三通电磁阀t2、所述第一三通电磁阀t1、所述金属氧化物气室4、电化学气室5、所述质量流量控制器mfc和所述气泵6，从所述出气口7排出。
27.进一步地，在所述步骤s1、s2、s4中，还包括：通过所述加热片13对所述金属氧化物气室4加热，使其温度达到70℃。
28.本发明提供的基于用于检测茶叶品质的电子鼻的一种控制方法，实现的效果在于：
29.针对基线数据采集、加工前样本数据采集、第一次清洗、加工后样本数据采集、第二次清洗的需求，通过控制通路对气流通路进行控制，得到对应的气流通道，可精准采集茶叶加工前和加工后挥发性气味特征，用于后期的品质分析。
30.本发明还提供一种用于检测茶叶品质的电子鼻的管理系统，针对上述电子鼻，搭载于所述上位机11上，包括用户管理模块、实验管理模块、数据管理模块、指纹图绘制模块、算法分析模块、自检模块、硬件通信模块；
31.所述用户管理模块用于提供用户注册、用户登录、用户注销功能；
32.所述实验管理模块用于对软硬件接口进行设置、对实验记录表进行填写、对实验进行启动与停止的控制；
33.所述数据管理模块用于存储历史实验数据和当前实验数据，以及对这些数据进行增加、删除、查询操作；
34.所述指纹图绘制模块包括对历史实验数据进行曲线图绘制、曲线差异图绘制以及指纹图绘制；以及对当前实验数据中的温湿度数据、气压数据、ad数据进行实时绘制；
35.所述算法分析模块用于对当前实验数据以及历史实验数据进行分析预测；
36.所述自检模块用于对实验前的气密性和温度等条件进行检验，保证实验在适宜的条件下进行；
37.所述硬件通信模块用于对质量流量控制器mfc的流量值进行设置及读取，对所述金属氧化物气室4、电化学气室5的温湿度、气压数据进行读取，对所述ad采集卡12中传感器
数据进行采集，对加热片13进行温度设置，对所述io控制板8进行开闭控制。
38.可选地，所述算法分析模块设有random forest分析模型、extra trees分析模型、xgboost分析模型和svm分析模型，在一次算法分析流程中，至少采用其中一种分析模型；根据用户的需求，所述算法分析模块的分析过程将分为两种执行方式：自动控制和手动控制；
39.所述自动控制为，根据自动存储的多种数据，自动运行对应的算法分析流程，得到对茶叶品质的判别结果；
40.所述手动控制为，根据用户自选的数据及自选的分析算法流程，得到对茶叶品质的判别结果。
41.本发明提供的基于用于检测茶叶品质的电子鼻的一种管理系统，实现的效果在于：
42.可对电子鼻进行上位控制，满足各种实验需求；
43.可将接收到的传感数据进行特征提取及分析，并输出样本的定性分析结果。
附图说明
44.图1是本发明实施例提供的一种用于检测茶叶品质的电子鼻的连接原理图；
45.图2是本发明实施例提供的一种用于检测茶叶品质的电子鼻除去顶盖后的展示图；
46.图3是本发明实施例提供的一种用于检测茶叶品质的电子鼻的控制通路的展示图；
47.图4是本发明实施例提供的一种用于检测茶叶品质的电子鼻的管理系统的架构图；
48.图5是本发明实施例提供的一种用于检测茶叶品质的电子鼻的管理系统的登录页面展示图；
49.图6是本发明实施例提供的一种用于检测茶叶品质的电子鼻的管理系统的管理页面展示图。
50.附图标记包括：1
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机箱，2
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气体进样口，3
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过滤器，t1
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第一三通电磁阀，t2
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第二三通电磁阀，t3
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第三三通电磁阀，4
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金属氧化物气室，5
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电化学气室，mfc
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质量流量控制器，6
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气泵，7
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出气口，g1
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背景空气入口，g2
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载气入口，g3
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加工前进样口，g4
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加工后进样口，8
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io控制板，9
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温湿度气压传感器读出电路，10
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信号调理板，11
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上位机，12
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ad采集卡，usb1
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第一usb接口，usb2
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第二usb接口，usb hub
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usb集线器，usb3
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第三usb接口，usb4
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第四usb接口，13
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加热片，14
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风扇。
具体实施方式
51.下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。
52.实施例1
53.本发明实施例提供一种用于检测茶叶品质的电子鼻，如图1、2、3所示，该电子鼻包括机箱1以及设置在机箱1内的气体通路；气体通路包括气体进样口2、过滤器3、第一三通电
磁阀t1、第二三通电磁阀t2、第三三通电磁阀t3，以及顺序连通的金属氧化物气室4、电化学气室5、质量流量控制器mfc、气泵6和出气口7。
54.气体进样口2包括加工前进样口g3、加工后进样口g4、背景空气入口g1和载气入口g2；气体进样口2和出气口7嵌设在机箱1的侧壁上。
55.金属氧化物气室4中设有用于检测茶叶第一挥发性气味组合的第一传感器阵列，电化学气室5设有用于检测茶叶第二挥发性气味组合的第二传感器阵列。第一传感器阵列包括多种金属氧化物类的茶叶气味传感器；第二传感器阵列包括多种非金属氧化物类的茶叶气味传感器。
56.加工前进样口g3和加工后进样口g4分别连接第三三通电磁阀t3的第一进气端和第二进气端，背景空气入口g1通过过滤器3和载气入口g2分别连接第二三通电磁阀t2的第一进气端和第二进气端，第二三通电磁阀t2的出气端和三通电磁阀t3的出气端分别连接第一三通电磁阀t1的第一进气端和第二进气端，第一三通电磁阀t1的出气端连接金属氧化物气室4的进气端。
57.如图1、2、3所示，该电子鼻还包括设置在机箱1内的控制通路；控制通路包括io控制板8、温湿度气压传感器读出电路9和信号调理板10；金属氧化物气室4及电化学气室5中还设有温湿度气压传感器；
58.io控制板8连接第一三通电磁阀t1、第二三通电磁阀t2、第三三通电磁阀t3、质量流量控制器mfc和气泵6并控制其工作；
59.温湿度气压传感器读出电路9连接温湿度气压传感器，用于读取相应的温度传感数据、湿度传感数据和气压传感数据；
60.信号调理板10连接第一传感器阵列和第二传感器阵列，用于读取相应的茶叶气味传感数据。
61.控制通路还包括嵌设在机箱1侧壁上的上位机11(电脑)；信号调理板10通过顺序连接的ad采集卡12及第一usb接口usb1连接usb集线器usb hub，io控制板8通过第二usb接口usb2连接usb集线器usb hub，质量流量控制器mfc通过顺序连接的485接口、485转usb接口、第三usb接口usb3连接usb集线器usb hub，温湿度气压传感器读出电路9通过第四usb接口usb4连接usb集线器usb hub，usb集线器usb hub连接上位机11。
62.为了满足所使用的不同气体传感器的需求，控制通路还包括固定于金属氧化物气室4底部的(硅胶)加热片13，加热片13连接io控制板8。当加热片13在设置到70℃的情况下，可以适用于金属氧化物传感器，在不启用加热片的情况下，可以适用于非金属氧化物传感器。
63.控制通路还包括嵌设在机箱1侧壁上的风扇14，风扇14连接io控制板8，用于对机箱1内部进行散热。
64.为了防止气室气味对传感器的影响，金属氧化物气室4的内壁及电化学气室5的内壁均镀有特氟龙保护涂层。
65.载气入口g2用于扩展外接一个预浓缩系统。
66.综上，本发明实施例提供的一种用于检测茶叶品质的电子鼻，实现的效果在于：
67.1、设计有用于茶叶气味检测的气体通路，在该通路的金属氧化物气室4、电化学气室5中，设置有能够响应茶叶气味voc的多种不同原理的传感器阵列(第一传感器阵列和第
二传感器阵列)，能够客观地获得更多茶叶气味特征；
68.2、设计有加工前进样口g3、加工后进样口g4、背景空气入口g1和载气入口g2，可在一次实验中采集茶叶加工前与加工后的气味，提高检测精度；
69.3、设计加热片13对金属氧化物气室4加热，可适用于金属氧化物气体传感器(第一传感器阵列)工作；
70.4、设计风扇14对机箱1内部进行散热，以提高电子鼻的可靠性和稳定性；
71.5、设计io控制板8对三通电磁阀、气泵6、加热片13、风扇14进行控制，设计信号调理板10采集相应的茶叶气味传感数据，设计温湿度气压传感器读出电路9采集温度传感数据、湿度传感数据和气压传感数据，设计上位机实现总控和数据分析，智能化程度高，具有良好的发展前景；
72.6、由机箱1、多个三通电磁阀、质量流量控制器mfc、气泵6、传感器阵列、单片机、上位机11、数据传输接口等搭建而成，封装在机箱1中，成本低。
73.实施例2
74.本实施例提供一种针对实施例1用于检测茶叶品质的电子鼻的控制方法。
75.具体的，该控制方法包括步骤：
76.s1.基线数据采集：按需求通过上位机11设定质量流量控制器mfc的流量值，并控制第一三通电磁阀t1、第二三通电磁阀t2、第三三通电磁阀t3及气泵6(即io控制板8控制第三三通电磁阀t3关闭，第二三通电磁阀t2的第一进气端打开、第二进气端关闭，第一三通电磁阀t1的第一进气端关闭、第二进气端打开，开启气泵6)，使得仅有背景空气从背景空气入口g1进入，依次流经第二三通电磁阀t2、第一三通电磁阀t1、金属氧化物气室4、电化学气室5、质量流量控制器mfc和气泵6，从出气口7排出，根据上位机11设定的时间对金属氧化物气室4、电化学气室5进行基线数据采集；
77.s2.加工前样本数据采集：通过上位机11按需求设定质量流量控制器mfc的流量值，并控制第一三通电磁阀t1、第二三通电磁阀t2、第三三通电磁阀t3及气泵6(即io控制板8控制第三三通电磁阀t3的第一进气端打开、第二进气端关闭，第二三通电磁阀t2关闭，第一三通阀电磁阀t1的第一进气端打开、第二进气端关闭，气泵6的状态保持不变)，使得仅有加工前气体样本从加工前进样口g3进入，依次流经第三三通电磁阀t3、第一三通电磁阀t1、金属氧化物气室4、电化学气室5、质量流量控制器mfc和气泵6，从出气口7排出，根据上位机11设定的时间对金属氧化物气室4、电化学气室5进行加工前样本数据采集；
78.s3.第一次清洗：按需求通过上位机11设定质量流量控制器mfc的流量值，并控制第一三通电磁阀t1、第二三通电磁阀t2、第三三通电磁阀t3及气泵6(即io控制板8控制第三三通电磁阀t3关闭，第二三通电磁阀t2的第一进气端打开、第二进气端关闭，第一三通电磁阀t1的第一进气端关闭、第二进气端打开，气泵6的状态保持不变)，使得仅有背景空气从背景空气入口g1进入，依次流经第二三通电磁阀t2、第一三通电磁阀t1、金属氧化物气室4、电化学气室5、质量流量控制器mfc和气泵6，从出气口7排出，根据上位机11设定的时间进行系统及气室清洗；
79.s4.加工后样本数据采集：按需求设定质量流量控制器mfc的流量值，并控制第一三通电磁阀t1、第二三通电磁阀t2、第三三通电磁阀t3及气泵6(即io控制板8控制第三三通电磁阀t3的第一进气端关闭、第二进气端打开，第二三通电磁阀t2关闭，第一三通阀电磁阀
t1的第一进气端打开、第二进气端关闭，气泵6的状态保持不变)，使得仅有加工后气体样本从加工后进样口g4进入，依次流经第三三通电磁阀t3、第一三通电磁阀t1、金属氧化物气室4、电化学气室5、质量流量控制器mfc和气泵6，从出气口7排出，根据上位机11设定的时间对金属氧化物气室4、电化学气室5进行加工后样本数据采集；
80.s5.第二次清洗(与第一次清洗步骤相同)：按需求通过上位机11设定质量流量控制器mfc的流量值，并控制第一三通电磁阀t1、第二三通电磁阀t2、第三三通电磁阀t3及气泵6(io控制板8控制第三三通电磁阀t3关闭，第二三通电磁阀t2的第一进气端打开、第二进气端均关闭，第一三通电磁阀t1的第一进气端关闭、第二进气端打开，气泵6的状态保持不变)，使得仅有背景空气从背景空气入口g1进入，依次流经第二三通电磁阀t2、第一三通电磁阀t1、金属氧化物气室4、电化学气室5、质量流量控制器mfc和气泵6，从出气口7排出，根据上位机控制单元设定的时间进行系统及气室清洗。
81.如果金属氧化物气室4中的第一传感器阵列采用金属氧化物气体传感器，在步骤s1、s2、s4中，还包括：通过加热片13对金属氧化物气室4加热，使其温度达到70℃。
82.本发明提供的基于实施例1用于检测茶叶品质的电子鼻的控制方法，实现的效果在于：
83.针对基线数据采集、加工前样本数据采集、第一次清洗、加工后样本数据采集、第二次清洗的需求，通过控制通路对气流通路进行控制，得到对应的气流通道，可精准采集茶叶加工前和加工后挥发性气味特征，用于后期的品质分析。
84.实施例3
85.本实施例提供一种针对实施例1用于检测茶叶品质的电子鼻的管理系统，搭载于上位机11上，如图4所示，包括用户管理模块、实验管理模块、数据管理模块、指纹图绘制模块、算法分析模块、预浓缩系统模块、自检模块、硬件通信模块。
86.用户管理模块用于提供用户注册、用户登录、用户注销功能；
87.实验管理模块用于对软硬件接口进行设置、对实验记录表进行填写、对实验进行启动与停止的控制；
88.数据管理模块用于存储历史实验数据和当前实验数据，以及对这些数据进行增加、删除、查询操作；
89.指纹图绘制模块包括对历史实验数据进行曲线图绘制、曲线差异图绘制以及指纹图绘制；以及对当前实验数据中的温湿度数据、气压数据、ad数据进行实时绘制；
90.算法分析模块用于对当前实验数据以及历史实验数据进行分析预测；
91.自检模块用于对实验前的气密性和温度等条件进行检验，保证实验在适宜的条件下进行；
92.预浓缩系统模块用于控制载气入口g2连接的预浓缩系统；
93.硬件通信模块用于对质量流量控制器mfc的流量值进行设置及读取，对金属氧化物气室4、电化学气室5的温湿度、气压数据进行读取，对ad采集卡12中传感器数据进行采集，对加热片13进行温度设置，对io控制板8进行开闭控制。
94.算法分析模块设有random forest分析模型、extra trees分析模型、xgboost分析模型和svm分析模型，在一次算法分析流程中，至少采用其中一种分析模型；根据用户的需求，算法分析模块的分析过程将分为两种执行方式：自动控制和手动控制；
95.自动控制为，根据自动存储的多种数据，自动运行对应的算法分析流程，得到对茶叶品质的判别结果；
96.手动控制为，根据用户自选的数据及自选的分析算法流程，得到对茶叶品质的判别结果。
97.该管理系统可对实施例1所示电子鼻进行上位控制，满足各种实验需求；可将接收到的传感数据进行特征提取及分析，并输出样本的定性分析结果。
98.通过图5可以看出，该管理系统的用户注册登录界面包含“身份”、“用户名”和“密码”等信息。
99.通过图6可以看出，该管理系统的主窗体主要由“用户”、“实验”、“数据”、“指纹图”、“算法分析”、“预浓缩系统”、“基建模块”、“休眠”、“帮助”等模块组成；在该界面中，还可以同时显示“传感器阵列响应曲线”、“系统结构图”、“样品基本信息”、“算法分析结果”等信息。
100.基于实施例1所示电子鼻、实施例2所示控制方法和实施例3所示管理系统，本发明既能实现基线数据采集、样本数据的采集以及进行系统和气室清洗，并且进气流量和流速可靠，有效提升了气体测试的效率和准确度，还能直接从上位机软件管理系统上记录、保存实验信息，得到算法分析结果，获得茶叶品质信息，方便又高效。
101.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。