智能地沟油检测仪的设计文档格式.docx

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（2）近红外检测法，泔水油或深度油炸油中的油脂在加工过程中会发生高度的氧化、酸败反应，产生比普通植物树脂更多的氧化产物，由于氧化产物在近红外光谱中会出现不同的特征峰，因而，可通过这些特征峰，判断出食用油脂中是否含有泔水油或深度油炸油。

但这些方法都因技术成本高，测试设备较大而都只是在一些大型的实验中心和质检中心使用。

本论文所研究的智能地沟油检测仪是通过利用不同油相对介电常数的差异并考虑到温度和液位是影响油特性的重要因素，利用电容式传感器和充分发掘MSP430单片机，遵循自顶向下、逐层分解、软件模块化原则，通过计算机仿真与验证、开发板搭建与测试、系统设计与联调三个步骤，开发地沟油的快速检测仪，实现地沟油与食用油的鉴别。

创造一种简单、快捷、廉价有效的方法检测出地沟油。

关键词：

核磁共振光谱法；

近红外检测法；

介电常数

第1章绪论

地沟油，城市下水道里悄悄流淌的垃圾。

有淘者对其进行加工，摇身变成桌上的“食用油”。

他们每天从那里捞取大量暗淡浑浊、略呈红色的膏状物，仅仅经过一夜的过滤、加热、沉淀、分离，就能让这些散发着恶臭的垃圾变身为清亮食用油，最终通过低价销售，重返人们的餐桌。

这种被称作“地沟油”的三无产品，其主要成分仍然是甘油三酯，但是它比真正的食用油多了许多致病、致癌的毒性物质。

但是，一些不法商贩却在利益的驱动下不顾人民群众生命安全私自生产加工地沟油并作为食用油低价销售给一些小餐馆，这种行为给人们的身心都带来极大伤害。

因此创造一种简单、便捷、快速检测油品质的好坏的设备势在必行[1]。

1.1国内外地沟油检测技术的现状及发展趋势

国内目前重点根研究地沟油的特征成分，检测方法主要有水分含量测定法、酸价测定法、胆同醇含量测定法、近红外光谱法、电导率与极性物质测定法、重金属含量测定法、薄层色谱法、荧光法等来测定油品质的好坏。

国外对地沟油检测方法报道较少，但由于制订一系列法规，使地沟油很难再进入食用油市场，研究主要关注废弃油脂综合利用及食用油掺伪和种类区分。

例如美国严格控制地沟油来源，只有专门公司才能进行回收。

美国科研人员已将地沟油制成保暖材料，能根据环境变化，选择反射或吸收能量。

日本主要采取政府补贴回收方式，高价回收地沟油，使之不能流入市场或餐桌，然后加工成生物柴油。

德国政府推出地沟油回收法律，对其进行跟踪监督，回收的废油除可用作生物柴油外，还可用于生产化学品、有机肥料等。

地沟油与普通食用油相比，价格较低，以地沟油为原料生产生物柴油，更具有经济可行性，也可将地沟油作为制造涂料、肥皂原料、饲料用油等[2]。

面对地沟油检测这一重大技术难题，国内外已经有很多人在研究，且已有的技术方法能检测出90%的地沟油，但是这些技术设备都因体积较大且成本较高，而都留在实验中心和国家质检中心使用。

如何使其变得娇小、廉价，便于大众化使用，这是我们现今该研究的问题。

1.2本论文的研究内容

本论文针对地沟油检测的迫切需求，利用不同油相对介电常数的差异并考虑到温度和液位是影响油特性的重要因素，有效利用传感器和充分发掘MSP430开发板资源，遵循自顶向下、逐层分解、软件模块化原则，通过计算机仿真与验证、开发板搭建与测试、系统设计与联调三个步骤，开发地沟油的快速检测仪，实现了地沟油与食用油的鉴别。

第2章系统设计方案

利用不同油相对介电常数的差异并考虑到温度和液位是影响油特性的重要因素，利用传感器和充分发掘MSP430开发板资源，遵循自顶向下、逐层分解、软件模块化原则，通过计算机仿真与验证、开发板搭建与测试、系统设计与联调三个步骤，开发地沟油的快速检测仪，实现了地沟油与食用油的鉴别。

2.1总体流程框图

图2.1地沟油快速检测仪系统框图

如图2.1所示给出了本项目的系统框图，系统主要由传感器模块与MSP430最小系统两部分组成。

传感器模块是一种直筒式一体化传感器，可输出反映油温度的电压信号与反映油介电常数的振荡信号。

MSP430最小系统包括单片机开发板、液晶显示模块、控制模块、存储模块和电源模块，单片机开发板完成温度电压信号的采样、振荡信号的脉冲捕获与计数、待检测油的识别和检测；

存储模块负责存储不同油随温度变化的脉冲数；

显示模块输出检测结果，包括温度、脉冲数和识别出的油品种。

2.2各模块简介

1.传感器模块

传感器的性能直接决定系统检测油的可靠性，因此传感器是整个系统设计的关键。

项目组在选择传感器时主要考虑了如下三个方面：

（1）由于不同油的相对介电常数存在差异，不同种类的油填充到电容器的两极间时，电容器的电容值将会不同，利用NE555RC振荡电路起振快的优势，将相对介电常数的差异转换为输出信号频率的差异。

（2）为降低分布参数对传感器输出信号的影响，利用直筒式一体化传感器，将传感器分为上下两部分：

上部嵌入传感器电路，下部由双金属筒构成电容器。

金属筒设计的优点：

即使内金属筒被固定时有偏心现象，两筒间的体积始终保持不变。

（3）考虑到液位和温度是影响输出信号频率的重要因素，采用油浸没至排气槽保证液位一致，采用温度传感器实时监测油温，内金属筒用绝缘胶固定温度三极管AD590，保证三极管能完全浸没至油中，通过精密的可调电阻和五位半表在冰水混合物和沸水环境下校准温度传感器。

2.显示模块

带中文字库的128×

64是一种具有4/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块，其显示分辨率为128×

64，内置8192个16×

16点汉字，和128个16×

8点ASCII字符集。

利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。

可以显示8×

4行16×

16点阵的汉字，也可完成图形显示。

低电压低功耗是其又一显著特点。

由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。

基本特性如下：

（1）低电源电压（VDD:

+3.0--+5.5V）；

（2）显示分辨率:

128×

64点；

（3）内置汉字字库，提供8192个16×

16点阵汉字（简繁体可选）；

（4）内置128个16×

8点阵字符；

（5）2MHZ时钟频率；

（6）显示方式：

STN、半透、正显；

（7）驱动方式：

1/32DUTY，1/5BIAS；

（8）视角方向：

6点；

（9）背光方式：

侧部高亮白色LED，功耗仅为普通LED的1/5—1/10；

（10）通讯方式：

串行、并口可选；

（11）内置DC-DC转换电路，无需外加负压；

（12）无需片选信号，简化软件设计；

（13）工作温度:

0℃-+55℃,存储温度:

-20℃-+60℃。

在这里显示模块将传感器接受到的模拟信号经过单片机msp430g2231处理之后显示出来。

3.存储模块

AT24C02是一个2K位串行CMOSE2PROM，内部含有256个8位字节，CATALYST公司的先进CMOS技术实质上减少了器件的功耗。

AT24C02有一个8字节页写缓冲器。

该器件通过IIC总线接口进行操作，有一个专门的写保护功能。

特性如下：

（1）数据线上的看门狗定时器；

（2）可编程复位门栏电平；

（3）高数据传送速率为400KHz和1C总线兼容；

（4）2.7V至7V的工作电压；

（5）低功耗CMOS工艺；

（6）16字节页写缓冲区；

（7）片内防误擦除写保护；

（8）高低电平复位信号输出；

（9）100万次擦写周期；

（10）数据保存可达100年；

（11）商业级、工业级和汽车温度范围。

存储模块主要负责存储不同油随温度变化的脉冲数。

4．电源模块

采用9V电源供电以便携，选稳压芯片LM7805将电压降至5V，用5V电压为系统供电，5V电压经3个二极管降压后给单片机供电，保证单片机为模数转换ADC（AnalogtoDigitalConverter）提供参考的内部电压的稳定。

方面都比复用段保护环简单和容易，更适合在汇聚型的业务中使用。

5.MSP430最小系统

MSP430最小系统是整个系统的核心，设计应充分发挥单片机msp430g2231的性能。

为此，项目组在设计最小系统时做了如下考虑：

（1）单片机待机时进入低功耗模式；

（2）采用内部定时器A同步捕获振荡信号，利用被测信号与定时时钟的频率差异保证计数脉冲的准确；

（3）使用电压跟随器降低最小系统输入阻抗对温度传感器输出电压的影响；

（4）合理分配MSP430管脚资源，选用串行数据线的外设，如存储芯片AT24C02、液晶LCD12864；

输入按键仅1个。

第3章系统硬件设计

系统硬件主要由传感器和MSP430最小系统构成，传感器完成模数转换功能，单片机完成数模转换功能，两个结合在一起才能测出地沟油。

3.1传感器原理及其应用

传感器是本论文的核心部分，只有传感器所接受的数据正确才能系统才能判断出油的好坏。

3.1.1传感器结构

图3.1传感器结构图

如图3.1所示结出了传感器的结构示意图，传感器由两个金属圆筒组成，内外两个圆筒构成电容器的两个极板，极板间距1mm，其间填充所要测的油；

内圆筒底部嵌入一温度传感器，用于实时测量油温度；

传感器上开一排气槽，排气槽以上用硅胶封堵，当油超过排气槽时，将从排气孔流出，使两极板间油的体积不再增加，从而保证每次进入两极板间的油等量；

传感器上部嵌入传感器电路，油经传感器输出反映其介电常数的振荡信号及反映温度的电压信号。

3.1.2传感器原理及仿真

（1）电容传感器

①电容传感器原理

充填待测油的电容值可表示为：

（3.1）

其中

为真空中的介电常数；

为待测油的相对介电常数；

S为电容器的面积；

b为电容器两极间的距离。

从中可以看出，由于不同油的相对介电常数有差异，这种差异可以表征为电容值的变化。

电容值可以由其构成的RC振荡电路的振荡频率计算出来，振荡频率

与电容

的关系为：

（3.2）

为充电时的电阻，

为放电时的电阻。

从式（3.2）可以看出，输出振荡信号的频率变化可以反映电容值的变化；

联立式（3.1）和（3.2），可以看出

越大，输出振荡信号的频率越小，即输出振荡信号的频率能够表示不同油的特性。

对式（3.2）求偏导有：

（3.3）

从式（3.3）可以看出，输出信号频率越大，对不同油相对介电常数差异导致的电容变化越敏感，但是后续用单片机测频受限于定时时钟频率，如果定时时钟频率不远大于输出信号频率，则测频有可能不准，另外输出信号频率也不能太低，如果

和

选取过大，一是会导致振荡器停振，二是大电阻将提高对电阻精度的要求，增加成本。

经权衡考虑，传感器在空气中时的振荡频率选取15KHz左右较合适。

②振荡电路方案与仿真

根据以上分析，我们考虑了两种振荡电路方案，一种是由比较器LM311构成的弛张振荡器；

另一种是由NE555构成的振荡器，并通过计算机仿真比较。

方案一：

比较器LM311构成的弛张振荡器

比较器构成的RC振荡电路如图3.2图所示。

图3.2LM311弛张振荡器及仿真

由Workbench仿真得到的结果如图3.2图所示，可见形成稳定的振荡信号需要一定的起振时间，这是由于这种振荡器是反馈式振荡电路导致的。

若采用这种振荡电路方案，则实际测量时可能因振荡未达到稳定而导致误测，不能达到快速检测的要求。

方案二：

NE555构成的振荡器

比较器构成的RC振荡电路如图3.3图所示。

图3.3NE555振荡电路及仿真

NE555工作于多谐振荡时，其频率可表示为：

（3.4）

为VCC与DIS管脚间的电阻，

为DIS与TRI管脚间的电阻，C为TRI与地间的电容。

对应仿真RC振荡电路图中，

，

代入式（3.4）计算可得：

（3.5）

振荡信号低电平与高电平的比例为

（3.6）

由MultiSim仿真得到的结果如图3.3图所示，由仿真结果可以看出，NE555构成的振荡电路加电立即起振，可以满足快速检测的需求。

由仿真示波器观察可得：

输出信号频率为15.1KHZ，低电平持续时间为66.4us，高电平持续时间为37.6us，低电平与高电平的持续时间比例约为28.8us，与理论计算吻合。

实际设计时，考虑到电阻有一定误差，我们采用固定电阻与可调电阻搭配的方式，通过调整使得实际输出信号频率达到设计要求。

（2）温度传感器

①温度传感器原理

选用恒流源AD590作为温度传感器，AD590输出电流与温度成正比，温度每增加1℃，输出电流增加1uA。

当温度为0℃时，输出电流为273uA；

温度传感器与一电阻串联后，输出电压值与温度成正比，串联电阻为5KΩ，则温度每增加1℃，输出电压增加5mV，0℃时输出电压1365mV，温度与输出电压的关系为

，其中电压U的单位为mV。

②温度传感器方案与仿真

图3.4温度传感器电路框图

如图3.4所示给出温度传感器的电路框图，其工作原理如下：

温度传感器将温度转换成电流信号后，电流通过电阻转换成电压信号；

电阻由一高精度的黑棒电阻和一可调电阻构成（组成5KΩ电阻），可调电阻用于校准温度，高精度电阻阻值较大，温度校准后其具有良好的稳定性。

为了消除输出负载的分流作用，电压输出端加一电压跟随器，跟随器由运算放大器构成，利用放大器的输入负载大来隔离外部电路的影响。

对于电压跟随器，我们考虑了以下两种方案：

采用高精度的运算放大器OP27构成电压跟随器；

用单电源供电的运算放大器LM311构成电压跟随器。

图3.5电压跟随器的仿真与比较

如图3.5所示分别给出使用OPT27单极性供电、双极性供电搭建电压跟随器的仿真结果。

可以看出，右子图输出1.365V能够跟随输入电压，而中子图输出3.071V不能跟随输入电压，因此OPT27搭建的跟随器需要双电源供电，增加了电路的复杂度和成本。

如图3.5所示给出LM311搭建跟随器的仿真结果。

可以看出，LM311搭建跟随器只需单极性电压就能够实现输出电压跟随输入电压的功能，且LM311的成本也低于OPT27，因此选用方案二。

（1）电容传感器调试

按图3.3所示搭建电容传感器电路，通过示波器观察输出振荡信号频率约为15KHz，调节电位器，使振荡频率稳定在15KHz。

（2）温度传感器调试

按图3.4所示搭建温度传感器电路，将温度传感器放入冰水混合物中，在跟随器输出端接5位半表UNI-T-UT508观察输出电压，调节电位器，使输出电压为1365mV；

再将传感器放入100℃沸水中，调节电位器，使输出电压为1865mV；

再次放入冰水混合物中调节电位器使输出1365mV电压，如此反复几次，使输出电压稳定。

3.4MSP430最小系统

MSP430最小系统由控制模块、液晶模块、记忆模块、电源模块构成。

下面一节主要介绍最小系统的结构。

3.4.1最小系统结构

MSP430G2231单片机与外部模块的连接如图3.6所示，本系统需要单片机完成测振荡频率、测温度、查表及显示结果等功能。

P1.0连接按键，用于功能选择；

P1.1为定时器A捕获信号输入端，连接传感器输出的振荡信号；

P1.2作为AD采样通道，连接温度传感器输出电压信号；

P1.3到P1.5与液晶12864连接，用于驱动液晶显示，以显示检测结果；

P1.6、P1.7与外接存储器24C02连接，用于存储数据及查表；

外接一低频晶振，作为定时器A的时钟。

图3.6单片机系统结构图

下面具体介绍MSP430最小系统各模块：

（1）控制模块：

通过一个按键实现功能的选择，按住则鉴别食用油与地沟油。

（2）液晶模块：

液晶显示采用串行传输模式，只用三个IO管脚作为使能、数据及时钟输出端口，以驱动液晶显示。

（3）记忆模块：

选用串行

协议的存储芯片24C02存储不同油随温度变化的脉冲数据，该芯片有掉电保护功能保证数据不易失；

加电可写入使系统具备数据扩展与更新功能，两个管脚节省MSP430的宝贵资源。

（4）电源模块：

电源模块供电示意如图3.7所示。

图3.7电源模块

由于电池损耗导致的电压下降会对传感器的输出信号有一定影响，故选用稳压芯片LM7805将电压稳定到5V，5V电压为系统供电；

单片机供电电压不能超过3.6V，为了简化电路，用三个二极管降压，降压后电压约为3.2V。

3.4.2最小系统测频原理

最小系统测频具体实现方法如图3.7所示：

启动MSP430的定时器A捕获功能；

当捕获振荡信号第一个脉冲时计下计数器的计数值C1，当捕获振荡信号第N+1个脉冲时计下计数器的计数值C2；

通过下式可以计算振荡信号的频率：

（3.7）

其中单片机定时时钟频率为

。

由于本系统检测结果只需输出油的种类，无需换算成频率，因此只需记录观察时间窗内的脉冲数

即可。

图3.7测频原理示意

3.4.3最小系统调试

定时器时钟：

单片机内部DCO频率800KHz，远大于被测信号频率，适合测频率要求，但我们采用单片机内部DCO作为定时器时钟时，重复捕获得到的脉数值有很大偏差，说明内部DCO不稳定；

选用高频晶振8MHz、2MHz经测试均不能起振，说明上述高频晶振不适用该单片机，使用32768HZ低频晶振可使单片机起振，但作为定时器时钟与被测振荡信号频率相当，若只观察被测振荡信号一个周期将导致记录的脉冲数误差大，因此采用观察N=10000个振荡信号周期的方法记录脉冲数。

第4章系统软件设计

系统软件部分是整个系统的核心部分，测试比对的主要数据主要通过系统已有数据比对来完成。

4.1主程序流程图

单片机上电后先进行程序初始化，显示操作提示，然后进入休眠；

按下按键后开始工作鉴别地沟油。

是

否

图4.1主程序流程

4.2测频率子程序

采用单片机定时器A的捕获比较功能，定时器A使用频率稳定的32768HZ外部晶振，因与被测信号频率相当，故测量10000个外部信号的周期。

第一次捕获到被测信号上升沿时记录定时器A的计数值C1，第10001次捕获信号上升沿时记录定时器B的计数值C2，则计数值为C2-C1。

否是

图4.2测频率程序流程

4.3测温度子程序

温度传感器将温度转化成电压值后，再利用单片机的AD转换功能将电压值量化采样。

使用单片机内部的2.5V电压作为参考电压，采样值与电压关系为

（4.1）

其中x为采样寄存器的值。

为避免浮点数运算，关系简化为：

（4.2）

即对采样寄存器的值分别左移3位（对应乘以8）、5位（乘以32），相加后再减去采样寄存器原值，最后再右移4位（对应除以16）。

电压与摄氏温度转换关系为：

（4.3）

其中U单位为mV。

为了使AD采样更精确，采样32次，再取平均值。

图4.3测温度子程序流程图

4.4软件调试

信号采样：

连续多次采样温度电压信号后，系统可能运行错误，经调试发现是达到采样次数后未关闭采样功能造成的，修改后系统运行正常。

按键中断：

进入IO中断后一直停留在中断子程序中，原因是IO中断结束后不能自动复位，需要软件复位。

第5章总结与展望

本论文围绕地沟油快速可靠检测的迫切需求，在充分考虑温度与液位对油特性影响的基础上，自主研制地沟油快速检测仪。

该设计有以下3个优点：

（1）低功耗与便携式设计

使用9V电池供电与小型化设计满足便携式需求，待机自动进入低功耗模式，延长电池使用时间。

（2）直筒式温度与电容一体化

将传感器分为上下两部分：

上部分嵌入传感器电路，下部分由双金属筒构成电容器，内金属筒固定温度传感器，能够降低分布参数对传感器输出信号的影响，提高传感器输出性能。

双金属筒设计，使得即便内金属筒有偏心现象也能够保证两筒间的体积不变；

排气槽设计，保证浸入电容传感器油的液位恒定。

（3）快速可靠的油特性检测方法

考虑油温和液位对油特性的重要影响，通过油样品随温度变化特性表的存储和液位控制，采用温度区间最大最小值法进行快速查表，能够实现地沟油的快速可靠检测。

同时也有很多不足之处：

（1）以上内容都是在理论基础上可行，没有实际去论证；

（2）各种油特性的数据还不完整；

（3）传感器的不稳定带来的负影响。

建立一种简便、快速的地沟油检测方法。

为普通消费者购买安全食用油提供技术帮助，让地沟油无法进入到我们的食品领域。

合理利用地沟油大力发展生物柴油，利用先进技术，降低地沟油制取生物柴油的成本，这是地沟油资源合理利用的重点。

利用地沟油做皮革加脂剂合理利用地沟油做皮革加脂剂、洗衣粉、金属皂、生物柴油、甘油、选矿剂等生物科技领域。

提高资源的有效利用率，为社会作贡献。

参考文献

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