食品安全檢測中壓電傳感器的電路設計

摘要:針對食品安全檢測中常用的壓電傳感器，設計出基于單片機STC89C51的壓電傳感器連接電路，實現了對傳感器信號的采集與分析功能。并可通過MAX232接口與PC機相連，實現數據的快速傳輸與分析功能。該電路還可以進行在線編程，簡化了程序的寫入，減少了檢測人員的工作量。該系統(tǒng)具有易于操作，檢測靈敏度高，檢測速度快，數據分析能力強，結果輸出穩(wěn)定等性能。

關鍵詞:食品安全檢測;壓電傳感器;頻率計算

中圖分類號:TP216文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2010)05-1234-02

The Design of Piezoelectric Sensor Circuit in Food Safety Testing

DING Jian-jun1， WANG Xi-hua1，2， SHEN Qi-cong3

(1.Physics and Information School， Jianghan University， Wuhan 430056， China; 2.Mechanical Engineering School， Hubei University of Technology， Wuhan 430068， China; 3.Commanding Communications Academy， Wuhan 430010， China)

Abstract: For piezoelectric sensors which are commonly used in food safety testing， designed the connection circuit which is based on single chip STC89C51. Implementedthe sensor signal acquisition and analysis. Achieved fast data transfer and analysis through connecting with PC by MAX232. The circuit can also be carried out online programming. This will simplify the program and reduce the workload of inspectors. The system with performance such as : easy to operate， high detection sensitivity， fast detection speed， powerful data analysis capability， stable resulting output and so on.

Key words: food safety testing; piezoelectric sensor; frequency calculation

食品安全問題日益成為人們所關注的焦點，各國政府也紛紛加大檢測力度，在對食品安全檢測技術提出新要求的同時，還增加了食品安全檢測的項目并擴大了檢測范圍，以保障人民的飲食安全。由此，出現了許多種食品安全檢測技術，各種檢測儀器紛紛面世。在各種檢測儀器的開發(fā)研制過程中，科研人員最為關注的是傳感器的研究。

食品中甲醛的含量逐漸成為人們關注的焦點。食品中甲醛的來源包括:食品原材料在生長過程中，天然生成的甲醛以及在食品的加工過程中，因為工藝需要或者其他原因而添加的甲醛。后一種情況是值得重點關注的，需要嚴格控制添加的甲醛的量。壓電傳感器因其具有靈敏，高速，穩(wěn)定等特征，在食品安全檢測儀器中得到了廣泛的應用。數據經過傳感器采集之后，進入分析電路，再經過頻率分析運算，送至計算機。經過計算機對信息的存儲與運算處理，得出試樣中甲醛含量的最終檢測結果。

1 壓電傳感器的檢測原理

壓電現象是在一百多年以前，由法國的科學家發(fā)現的。石英材料由于具有較好的綜合性能，所以在壓電傳感器研制的過程中，常用的壓電材料就是石英晶體。在經過處理的石英晶體的兩端通以交變電壓時，石英晶體會產生振蕩變形。當交變電壓的頻率與石英晶體固有頻率相同時，石英的振蕩變形會達到最大，形成壓電諧振，此時的頻率被稱為諧振頻率[1]。這種變形與石英晶體的固有頻率以及石英晶體表面質量有著密切的聯(lián)系。當石英晶體表面質量發(fā)生變化的時候，晶體的諧振頻率也會發(fā)生變化。

Sauerbrey通過對AT切向的石英晶體的壓電振蕩規(guī)律進行研究，得出了晶體諧振頻率與晶體表面質量變化之間的關系函數[2]:

△f=-2.26×10-6△mf2/A

其中:△f是晶體諧振頻率的變化值;△m是晶體表面質量的變化值(單位是g);f為石英晶體的基本頻率(單位是Hz);A是石英電極的表面積(單位是cm2)。由函數關系式中的負號可以得知，當石英晶體表面的質量發(fā)生變化的時候，晶體諧振頻率是會發(fā)生相反的變化的[2]。選擇恰當的有機敏感膜，將其固定在石英晶體的表面，待石英電極與待測溶液充分接觸后，讓石英晶體表面的敏感膜選擇性地吸收待測溶液中的甲醛[3]。石英晶體表面質量就會發(fā)生變化，這樣就可以通過監(jiān)測頻率的變化來定量得出甲醛的含量，這就是壓電傳感器的工作原理。

2 傳感器電路設計

系統(tǒng)工作流程圖如圖1所示，壓電傳感器檢測到信號以后，將信號送至振蕩電路。該振蕩電路由74AHC04和標準晶振組成，為系統(tǒng)提供工作時鐘振蕩電路，74AHC04是高速CMOS器件，在這里相當于一個有很大增益的放大器。為了消除測量過程中的誤差，排除一些不可知的干擾因素，在該電路中除了包含石英晶體振蕩器之外，還附帶有對比振蕩器[4]，用于對比傳感器所接收到的信號。分析對比后的數據信號進入單片機，單片機采用STC89C51芯片，該芯片具有價格低廉，強抗干擾，工作性能穩(wěn)定，低功耗，運行速度快，工作頻率寬泛等優(yōu)點，而且支持在系統(tǒng)可編程，無需專用編輯器，可以直接下載用戶程序。為了便于信息的傳遞，有效增加數據的傳輸距離[5]，對采集到的各種信息進行存儲和進一步的分析檢測，需要將初步分析結果傳輸到計算機中，但是經過單片機處理的初步數據分析結果，并不能直接進入計算機，所以需要通過MAX232電平轉換電路，將初步分析結果轉化為計算機可讀的信號。經過計算機的進一步處理之后，可以得出試樣中甲醛含量的分析報告。

3 頻率計數器的設計

頻率計數的方法有很多種，一般可以分為無源頻率計數法和有源頻率計數法[6]，有的時候還可以分為直接測頻法和周期測頻法。無源計數法的精度較低，實際應用中只用于對信號的初步估測。有源計數法可以分別對非線性信號和線性信號進行檢測，具體方法是將兩路信號進行疊加，疊加之后會分別產生差頻和零拍現象，再對上述兩種現象進行計算，最后得出待測信號的頻率。直接測頻法就是在固定的時間段T內，檢測到信號的數目為N，那么待測的信號的頻率為F= N/T。其原理如圖2所示。誤差ε=±1/N，這是因為在檢測的過程中，讀取脈沖信號的時候，可能會多讀入一個信號，也可能會少讀入一個信號，所以信號的個數會存在著±1的誤差[2]。當待測頻率越低的時候，越容易產生多讀入或者少讀入信號的現象，所以直接測頻法一般不適用于低頻電路。周期測頻法是在計數器的輸入端輸入標準頻率信號，待測頻率信號用于控制計數時間。因此，周期測頻法一般適用于低頻電路。

由實際應用可知，本電路中由于待測信號的頻率較高，所以，應該使用直接測頻法。流程圖如圖3所示。在頻率計開始工作的時候，將計數器的時鐘使能信號定義為周期寬度為T的脈沖信號，該脈沖信號為上升沿的時候，計數器開始工作，脈沖信號為下降沿的時候，計數器停止工作[7]。在一個周期T結束以后，要求對計數器發(fā)送一個新的脈沖信號，用于計數器的清零工作，待計數器完成清零以后，才允許開始下一個周期的計數，只有這樣才能實現計數器連續(xù)穩(wěn)定的計數工作。由于所需要的清零脈沖信號的頻率要高于待測信號的頻率，所以在該電路中采用的是由555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成的單穩(wěn)脈沖電路，用于產生穩(wěn)定的單穩(wěn)脈沖信號。

4 結束語

壓電傳感器已經廣泛應用于食品安全檢測中，具有檢驗迅速，精度高，成本易于控制等優(yōu)點。在實際使用過程中取得較為滿意的效果，在分析檢測中受到越來越多的關注。設計出安全可靠，適用于實際應用的傳感器電路，對于提高食品中甲醛含量檢測的精度，提高檢測速度有著重要的意義。該電路實現了信號的采集，計頻，分析與存儲功能，具有較強的抗干擾性能，有助于提高系統(tǒng)分析檢測能力。

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