基于叉指電容傳感器的油品電學(xué)參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

彭玉峰，趙麗麗，楊少歌，周軍曉

(河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，河南新鄉(xiāng)453000)

基于叉指電容傳感器的油品電學(xué)參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

彭玉峰*，趙麗麗，楊少歌，周軍曉

(河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，河南新鄉(xiāng)453000)

食用油關(guān)系人們身體健康，現(xiàn)有技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)快速方便檢測(cè)。提出以新型叉指電容傳感器為基礎(chǔ)，基于介電常數(shù)測(cè)量原理，采用電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片AD7746，利用I2C串口協(xié)議和微控制器PIC18F452單片機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)電容數(shù)據(jù)的采集和處理，構(gòu)成一個(gè)快捷實(shí)時(shí)食用油檢測(cè)系統(tǒng)。首先對(duì)常見的食用油進(jìn)行測(cè)量，再依次加地溝油進(jìn)行測(cè)量，最后對(duì)不同煎炸時(shí)間的食用油測(cè)量其中電容變化，得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)煎炸時(shí)間越長(zhǎng)，油中極化分子越多，對(duì)健康影響越大。

電子電路設(shè)計(jì);食用油檢測(cè);叉指電容傳感器;AD7746;PIC18F452

地溝油和反復(fù)油炸使用的油都嚴(yán)重威脅到人們的健康，長(zhǎng)期食用可能引發(fā)一系列疾病。地溝油的酸敗指標(biāo)遠(yuǎn)超出國(guó)家的規(guī)定，同時(shí)含有大量黃曲霉素，這些都大大增加了油品中的極化分子。而反復(fù)在高溫環(huán)境中油炸的油，會(huì)產(chǎn)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，生成氧化類脂化合物等。油品介質(zhì)的極化成分直接影響其介電常數(shù)的大小。

傳統(tǒng)方法有感觀評(píng)價(jià)法、柱層析法、光譜、紅外檢測(cè)法，這些方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，化學(xué)試劑的大量使用對(duì)環(huán)境也造成一定污染。目前，快速檢測(cè)方法之一是對(duì)極化成分含量的測(cè)量，而測(cè)介電常數(shù)的困難在于電容傳感器信號(hào)處理前段的高性能、低成本和寄生電容小，抗干擾能力強(qiáng)。為此，本文嘗試設(shè)計(jì)了一種圓形叉指電容傳感器，配合相應(yīng)硬件電路，實(shí)現(xiàn)食用油品質(zhì)量檢測(cè)。

1 新型電容傳感器

電容式傳感器原理較簡(jiǎn)單，電容式傳感器是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器，多數(shù)場(chǎng)合下，電容式傳感器是以空氣為介質(zhì)的兩個(gè)平行金屬板組成的平行板電容器。設(shè)C為傳感器電容，F(xiàn);εr為兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，F(xiàn)/m;S為極板面積，m2;εr為相對(duì)介電常數(shù);ε0為真空的介電常數(shù)(8.854 2×10-12F/m)。不考慮邊緣效應(yīng)的情況下，平行板電容電容量的計(jì)算公式為:

平行板電容傳感器穩(wěn)定性差、漂移量大、檢測(cè)電容誤差較大、對(duì)于食用油品中微小電容的改變難以測(cè)量，選用兩極板面積要達(dá)到一定程度，這樣導(dǎo)致測(cè)量不方便。為了滿足有效高的靈敏度，有一定穩(wěn)定性，傳感器尺寸便于測(cè)量的要求，減少邊緣效應(yīng)，設(shè)計(jì)了一種圓形叉指電容傳感器，如圖1所示。

圖1 叉指?jìng)鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)圖

當(dāng)幾對(duì)相同的極板交錯(cuò)形成電容時(shí)，由電場(chǎng)線的分布原理可知

其中l(wèi)為各叉指的長(zhǎng)度總和，極板寬度為b，兩極板間距為d［1］，如圖2所示。

圖2 傳感器極板電力線示意圖

在實(shí)際中電容傳感器的電容量可表示為

其中C為總電容量，Ch為空氣介質(zhì)形成的電容，Ci為以介電常數(shù)為ε的印刷板支撐物為介質(zhì)形成的電容［2］。

在實(shí)際測(cè)量中，把圓形叉指?jìng)鞲衅鞑迦胗筒壑校?改變，傳感器中電容C發(fā)生改變。在應(yīng)用中，選用0.8 mm厚的雙面覆銅板制造，覆銅板中間是溫度系數(shù)很小的非金屬材料，覆銅板用激光切割技術(shù)，刻制出極板間距。因?yàn)槭请p面覆銅板，另一面也是銅板，起到保護(hù)極板的作用、抵抗外部電磁干擾。

2 檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

一般為了提高測(cè)量精度和靈敏度，會(huì)增加相當(dāng)?shù)哪M電路、硬件電路復(fù)雜，大量分立元件的使用使系統(tǒng)的寄生電容增大。本文利用集成電路芯片電容檢測(cè)芯片 AD7746，配以相應(yīng)外圍電路。并利用PIC18F452單片機(jī)進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)處理。

2.1 AD7746簡(jiǎn)介

AD7746采用24 bit Σ-Δ技術(shù)，片內(nèi)自帶電壓參考和時(shí)鐘發(fā)生器，并內(nèi)置可編程補(bǔ)償電路，其結(jié)構(gòu)如圖。標(biāo)準(zhǔn)的Σ-Δ通過在芯片內(nèi)的固定電容器和外界輸入(電壓)之間切換實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，而AD7746的Σ-Δ電路做了改進(jìn)，即用固定輸入電壓和可變電容器之間切換實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，這里，固定輸入電壓為片內(nèi)電壓激勵(lì)(250 kHz的方波信號(hào))，可變電容器即為待測(cè)電容［3］，如圖3所示。

圖3 AD7746的原理框圖

AD7746可直接連待測(cè)電容器，測(cè)得電容值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后存放于片內(nèi)3個(gè)連續(xù)的寄存器內(nèi)。測(cè)量可變電容的范圍為±4 pF，可通過在片內(nèi)編程補(bǔ)償設(shè)置0～17pF的偏置。其2組電容測(cè)量輸入通道均可接成單端浮地或差分浮地形式［4］。

AD7746采用I2C串行接口，可以方便地利用單片機(jī)進(jìn)行控制和修正。片內(nèi)共有19個(gè)寄存器，其中，與電容測(cè)量有關(guān)的主要有電容值寄存器、激勵(lì)模式寄存器、測(cè)量通道寄存器、測(cè)量模式寄存器、片內(nèi)補(bǔ)償設(shè)置寄存器、偏置設(shè)置寄存器等。

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

AD7746采用I2C串行接口，方便單片機(jī)進(jìn)行控制和修正，本設(shè)計(jì)由叉指電容傳感器、電容檢測(cè)芯片、微控制器、LCD顯示組成［5］。其系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 檢測(cè)裝置硬件框圖

單片機(jī)選擇帶有I2C串行接口的PIC18F452單片機(jī)，PIC18F452是一款具有低功耗、抗干擾能力強(qiáng)、內(nèi)部資源豐富的高性能精減指令集位單片機(jī)，16 bit寬度指令，8 bit寬度數(shù)據(jù)。其指令兼容PIC16系列和PIC17系列單片機(jī)。內(nèi)部32 K FLASH，1.5 K RAM，振蕩頻率最大可達(dá)40 MHz，8通道10 bit A/D，采樣速率高，可編程［6］。

PIC18F452單片機(jī)對(duì)AD7746內(nèi)部寄存器進(jìn)行設(shè)置和測(cè)量電容值的讀取，再進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，通過LCD1602C顯示出來(lái)。在單端浮地測(cè)量方式下，AD7746的電容器輸入“CIN”和激勵(lì)“EXC”分別接待測(cè)電容器的叉指兩極板，AD7746測(cè)得電容值C包含待測(cè)極板電容C1和附加電容C2，即

其中，式中附加電容值C2可以通過在極板連接處斷開待測(cè)電容進(jìn)行測(cè)量得到。AD7746雖然具有可編程補(bǔ)償能力，為了保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行和高精度測(cè)量，還要解決好外圍電路的抗干擾和屏蔽等問題［7］。

3 串行通信軟件實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)用Microchip公司為其PIC系列微控制器專門配備的MPLAB集成開發(fā)環(huán)境，用PIC系列微控制器的C語(yǔ)言在MPLAB IDE V8.60集成開發(fā)環(huán)境下運(yùn)行調(diào)試完成的。

食用油檢測(cè)裝置軟件設(shè)計(jì)的主導(dǎo)思想是利用軟件代替和簡(jiǎn)化硬件，利用基本的硬件電路和軟件技術(shù)達(dá)到系統(tǒng)多功能集成、容易修改的要求。在成功地搭建了一個(gè)相對(duì)比較簡(jiǎn)單的硬件電路后，食用油檢測(cè)裝置功能的主要實(shí)現(xiàn)是依靠軟件設(shè)計(jì)完成的。

AD7746內(nèi)部共有19個(gè)8 bit寄存器，每一個(gè)寄存器都有自己特定的地址，如果想對(duì)某可寫寄存器進(jìn)行參數(shù)修改，只需根據(jù)它的地址進(jìn)行寫操作，將待修改的數(shù)值寫進(jìn)去。AD7746寄存器的讀寫應(yīng)嚴(yán)格按照器件的讀寫時(shí)序。讀寫時(shí)序如圖5所示。

圖5 AD7746的數(shù)據(jù)傳送時(shí)序圖

在數(shù)據(jù)傳送中，SDA攜帶數(shù)據(jù)，SCL與之同步。不管是讀還是寫，發(fā)送到SDA線上的每個(gè)字節(jié)必須為8 bit，每個(gè)字節(jié)后必須跟一個(gè)應(yīng)答位。但每次傳輸可以發(fā)送的字節(jié)數(shù)量不受限制。被傳送的數(shù)據(jù)主要由啟動(dòng)信號(hào)、地址碼、若干數(shù)據(jù)字節(jié)、應(yīng)答位以及停止信號(hào)等組成。在數(shù)據(jù)傳送過程中，當(dāng)SCL線是高電平時(shí)，必須保證SDA線上的數(shù)據(jù)穩(wěn)定。傳送一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，必須由接收機(jī)發(fā)出一個(gè)應(yīng)答信號(hào)。器件的讀寫應(yīng)按圖6進(jìn)行操作。

圖6 AD7746的讀寫順序邏輯操作圖

在進(jìn)行讀時(shí)，微控制器首先應(yīng)發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)S，然后向AD7746寫入寫地址SLAVEADDR，微控制器收到應(yīng)答信號(hào)A(S)后，就可寫入內(nèi)部所需寄存器的地址SUBADDR。當(dāng)微控制器再次收到應(yīng)答A(S)后，再發(fā)起一次啟動(dòng)信號(hào)S，然后即可寫器件讀地址SLAVEADDR。微控制器第 3次收到應(yīng)答信號(hào)A(S)以后，主機(jī)、從機(jī)之間的握手信號(hào)就完成了，之后從機(jī)就會(huì)源源不斷地將器件內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳送出來(lái)。在傳送數(shù)據(jù)的過程中，無(wú)須再寫內(nèi)部寄存器地址。如果不是專門需要某個(gè)寄存器的值，那么內(nèi)部寄存器的數(shù)值就會(huì)被依次輸出，因?yàn)閮?nèi)部寄存器的地址指針具有自動(dòng)加1的功能［8］。

圖7 主程序流程圖

圖7和圖8分別表示主程序流程圖和AD7746讀數(shù)字電容寄存器流程圖。

圖8 AD7746讀數(shù)字電容寄存器流程圖

4 實(shí)驗(yàn)與分析

先對(duì)不同食用油品進(jìn)行測(cè)量，如表1所示。

表1 不同種類油電容測(cè)量值

再根據(jù)其中一種介電常數(shù)最小的油品向里依次加地溝油測(cè)量電容值，如表2所示。

表2 加地溝油測(cè)量值

然后再對(duì)煎炸次數(shù)不同的使用油測(cè)量其電容值，如表3所示。用超市購(gòu)買的新鮮的花生油1 L和超市購(gòu)買的雞腿每份質(zhì)量約100 g進(jìn)行試驗(yàn)，室溫取為25℃，每次都采用相同的煎炸溫度150℃，每次煎炸時(shí)間都控制在0.5 h，煎炸過程中不放任何調(diào)味品防止Na等金屬離子對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。分別對(duì)雞腿煎炸1次、2次、3次、4次，取出油樣、過濾、冷卻到室溫后，放入事先備好的容器內(nèi)以備使用［9］。

表3 煎炸測(cè)量值

首先檢測(cè)不同食用油品電容值，好的食用油不同種類間的電容值也不相同，結(jié)果發(fā)現(xiàn):

(1)花生油的電容值最小，調(diào)和油的電容值最大，說(shuō)明調(diào)和油往往里面摻有其他油成分，極化分子多，花生油比較優(yōu)質(zhì)，摻有其他成分較少，極化分子少。

(2)我們又選用電容值較小的花生油向其中依次添加地溝油測(cè)量其電容值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著添加的地溝油滴數(shù)的增加，電容值依次增加。油品兩次測(cè)量數(shù)據(jù)波動(dòng)范圍較小。

(3)加熱溫度越高，介電常數(shù)增加越快，說(shuō)明在高溫下，油分子的化學(xué)反應(yīng)更加劇烈，生成較多的極化成分。

(4)經(jīng)過加熱煎炸處理后，電容值普遍增大，隨著煎炸次數(shù)增加，從健康角度考慮，煎炸時(shí)間長(zhǎng)極化分子增多，當(dāng)超出一定范圍時(shí)對(duì)健康構(gòu)成潛在威脅，因此食用油煎炸時(shí)間、次數(shù)應(yīng)盡量減少，食用油加工的炸油應(yīng)定期更換，不要長(zhǎng)期煎炸。

(5)用食用油的介電常數(shù)的變化來(lái)判定油在高溫加熱使用質(zhì)量變化是一種比較簡(jiǎn)單易行的方法。

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彭玉峰(1963- )，男，漢族，河南夏邑人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樾滦蛡鞲衅鳌⑿盘?hào)檢測(cè)、光學(xué)等，yufengp @sina.com;

趙麗麗(1987- )，女，漢族，河南鄭州人，河南師范大學(xué)物理電子學(xué)專業(yè)在讀研究生，研究方向?yàn)樾盘?hào)檢測(cè)與處理，1061869700@qq.com。

Electrical Parameters Detection System Design for Edible Oil Based on Interdigital Sensor*

PENG Yufeng*，ZHAO Lili，YANG Shaoge，ZHOU Junxiao
(Institute of Physics and Electronic Engineering，Henan Normal University，Xinxiang Henan 453000，China)

Edible oil quality is related to people healthy，existing technology can’t realize the convenient and fast detection.This paper studied on the basis of the interdigital capacitance sensor，based on the dielectric constant measurement principle，useing capacitance AD7746 digital conversion chip which utilizes I2C serial interface protocol and communicates with micro controller PIC18F452 single chip，achieves capacitance data acquisition and processing，forms a shortcut edible oil detection system in real time.First of all，to measure common cooking oil，then this experiment measure illegal oil in turn.Finally，by having measured the capacitance change of cooking oil with different frying time，we’ve achieved the rapid detection of different quality cooking oil.The results found that the longer of the frying time，the more of the polarized molecules in oil，the greater the impact on health.

electronic circuit design;edible oil detection;interdigital capacitance sensor;AD7746;PIC18F452

10.3969/j.issn.1005－9490.2014.02.026

TS203

A

1005－9490(2014)02－0287－05

項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61077037);河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目(122102310032)

2013-06-03修改日期:2013-08-09

EEACC:7230;7310K