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1、食用油电学参数的试验检测装置设计1绪论1.1本课题的背景2007年7月2日晚，CCTV焦点访谈播出“揭秘泔水油”节目，节目揭露了某工厂在利益的驱使下生产并销售泔水油12（地沟油的一种）的情况。我国早就出台了相关的规定，禁止将这种废弃油脂加工成食用油，而近年来地沟油加工成食用油的现象频频被媒体曝光。相关部门对此也加大了打击的力度，但是由于有利可图，且地沟油的检测这个技术难题一直无法解决，地沟油始终是屡禁不止。地沟油3很多指标都严重不符合国家规定的食用油卫生标准，危害极大，其直接排入水源会造成水质污染，而一旦被人体食用后，则可能会引起食物中毒。地沟油的酸败指标远远超出国家规定，长期摄入，人们将出现
2、体重减轻和发育障碍，易患腹泻和肠炎，并有肝、心和肾肿大以及脂肪肝等病变。此外，地沟油受污染产生的黄曲霉毒性不仅易使人发生肝癌，在其他部位也可以发生肿瘤，如胃腺癌、肾癌、直肠癌及乳癌、卵巢、小肠等部位癌变。2002年，国家出台的食品生产经营单位废弃食用油脂管理的规定明确要求，不得将废弃油脂加工以后再作为食用油脂使用或者销售。不仅地沟油会对人们的身体带来危害，在方便面加工及油炸食品中反复炸制食品的食用油通常也不利于人们的健康。食用油在高温下长时间的加热，会使油分子发生一系列的化学反应，生成对人体健康有害的物质。近几年很多文章都报道了高温加热过的油脂所生成的物质，如氧化类脂化合物、二聚体等，是与动脉
3、粥样硬化、肝损伤、肿瘤、癌症等疾病有关的物质4。因此，西方发达国家已经注意到这一问题，定期更换炸油，同时研究各种简便的检测方法56。为了防止油脂因高温及长时间加热对人体健康造成危害，在烹调中应避免油温过高，减少反复使用次数，及时更换旧油。同时，应该有一个简便的方法或者装置及时检测食用油的质量。1.2食用油质量检测方法目前，国内外已经有多种传统方法可以检测出食用油的质量7，如感观评价法、物理化学评价法、柱层析法、化学感官系统法、核磁共振光谱法以及红外检测法。这几种常用的食用油质量检测方法的优缺点见表1.1。表1.1 常用食用油质量检测方法的优缺点 优缺点检测方法优 点缺 点感观评价法简单、直接，
4、不需要任何仪器和试剂需要操作人员有丰富的经验，且不能对煎炸油劣变程度做出一个定量的评价物理化学评价法广泛应用于油脂分析，可以评定煎炸油质量需要耗费大量的时间，很难实现在线检测柱层析法得到一致的公认，可靠性高检测比较费时化学感观系统法经济快速，仪器成本低科技含量高，实现难度较大核磁共振光谱法快速，非破坏性，且不使用任何化学试剂价格较昂贵，而且需要采用推荐的标准物进行校正红外检测法快速，可靠，精确价格比较昂贵传统的检测食用油劣变的方法既费时又费力，并且大量化学试剂的使用会对自然环境产生潜在的危害。目前，一个快速检测方法之一是测量油脂煎炸过程中介电性质的变化。用测量介电常数的方法确定油中极化成分含量
5、，从而得知油在使用过程中的变质程度是一种简单方便且又可靠的方法。比化学方法省时、省力，费用低廉，可以在现场使用，以便及时了解油的质量状况。1.3电容测量方法传统地，检测电容传感器的电容变化的困难在于实现高性能、低成本的电容输入的信号处理前端。表1.2列出了三种传统电容测量方法的原理及其特点89。表1.2 传统电容测量方法的原理及其特点原理及特点测量方法原 理特 点直接法首先按照规定的时间用特定的电流源对待测电容器充电，然后测量该电容器两端的电压。这种方法需要小电流、高精密电流源和高输入阻抗才能测量出电压。利用RC振荡器用待测的电容器构成一个RC振荡器，然后测量时间常数、频率或周期。这种方法很简
6、单，但是通常不能达到高精度。测量交流阻抗用一个正弦波信号源激励该电容器，然后测量该电容器的电流和电压。并使用四线制连接到该电容器。这种电路非常复杂而且需要的元器件数量多。电容法就是利用电容传感器将被测物体的电容通过合适的信号调理电路进行测量。常用的测量电路有运算放大器式电路、调频式电路、充放电式电路等。以上三种电容测量方法中，为了提高测量精度和灵敏度，一般会相应增加调理电路的复杂程度，从而就增加了寄生电容对系统的影响10 11。所以，在分立元件较多的情况下，很难设计出比较实用的高精度电容测量电路。本设计利用先进的集成电路芯片AD7746，配以相应简单的外围电路，设计出寄生电容小、抗干扰能力强的
7、高精度电容式传感器测量电路。1.4本课题研究的内容近年来，随着人民生活水平的不断提高，人们对食用油的品质要求也越来越高。但是由于地沟油以及反复炸制食品的食用油，单从外观上很难与正常食用油区分，使众多不知情的消费者深受其害。如何查禁此类不利于消费者健康的劣质油？人们不仅希望有关部门联手，通力合作、严抓狠打，而且需要研发出一种能够迅速准确的检测出劣质油的装置，从而让这种危害群众健康、安全的食用油远离消费者。本设计拟采用微控制器（MCU）设计一个实验型食用油脂电学参数的试验检测装置，可用于检测食用油脂的电参数变化特性。设计的主要内容包括：（1） 设计硬件电路并绘制原理图。（2） 设计印刷板电路图。（
8、3） 软件设计与调试，并画出各个模块的程序流程图。（4） 人机界面的设计。2方案论证2.1设计方案的选择在质量差的食用油中，其极性化合物含量比正常食用油要多，而极性化合物含量直接影响其介电常数的大小。质量越差的食用油，其介电常数就越大，而介电常数可以由平行板电容器的电容值求出。因此，只要测量出食用油的介电常数，就能间接得出其极化成分的含量，从而对食用油的质量进行判断。本设计有两个方案可供选择121314：方案一：该方案的硬件电路由信号发生器、电容传感器、放大电路、整流滤波、线性化电路、温度补偿及微控制器系统等单元构成，微控制器系统又由A/D 转换、微控制器、LCD显示和功能键组成。信号发生器产
9、生的标准信号经电容传感器周围的油脂衰减，变成与被测油脂质量成正比的电流检测信号。检测信号经放大后，整流滤波成为直流信号。由于食用油质量与阻抗的非线性关系，该装置采用了线性化电路对检测信号进行线性化处理，再将线性化信号送至微控制器系统。方案一的原理框图如图2.1所示。电容传感器放大电路线性化电路温度补偿A/D转换LCD显示功能键信号发生器微控制器整流滤波图2.1 方案一的原理框图方案二：与方案一相比，方案二采用ADI公司的电容数字转换器AD7746取代了方案一中的信号发生器、放大电路、整流滤波、线性化电路、温度补偿等电路。电容式传感器采用一个合适大小的平行板电容器，测量时使其能够完全浸入到食用油
10、样品中，并利用芯片AD7746对平行板电容器的电容进行测量。该方案采用PIC系列微控制器中的PIC16F877作为主控制器。一个好的人机界面是产品迅速占领市场的必要条件，因此，该方案使用LCD1602C作为显示器，将由微控制器系统处理后的信息送往LCD上显示。设置了若干功能键供用户使用，整个检测过程可通过按键对系统进行控制，由于键盘只需要3个，所以采用普通的独立式按键。方案二的原理框图如图2.2所示。电容传感器LCD显示功能键电容数字转换器AD7746微控制器图2.2 方案二的原理框图通过对这两种方案的比较发现，两种方案的基本原理是一致的，均采用电容法检测食用油质量。但是由于方案一使用了大量的
11、模拟电路，因此其硬件电路较为复杂，实现难度较大，而且大量分立元件的使用必然使系统的寄生电容增大，因此方案一很难设计出比较实用的高精度检测装置。而方案二使用了电容检测芯片AD7746，大大简化了硬件电路，从而减小了寄生电容对系统的影响、加强了系统的抗干扰能力。在这一点上，方案二克服了方案一的不足，但AD7746会增加系统的编程难度，使整个设计的软件成本增加。权衡利弊，本设计采用方案二。2.2介电常数法的原理油脂的主要成份是各种高级脂肪酸的甘油脂，在高温情况下，油分子会发生氧化反应、聚合反应，生成分子质量及极化特性各不相同的复杂成份。其中有一部分是极性的，另一部分是非极性的。介质的极化成分的质量分
12、数直接影响其介电常数的大小。当平行板电容器极板间被某种电介质充满时，在电场存在的情况下，极化分子的偶极矩沿电场方向排列，产生了一个附加电场，与原来的电场方向相反，使原电场削弱，见图2.3。这时电容增大K倍，K就是该介质的相对介电常数。介质中的极化成分越多，相对介电常数就越大15 16 17。未使用过的新鲜油脂都是弱极性的，经过长时间反复加热，其极化成分会逐渐增加，介电常数随之增大。目前，国际上常用极化成分的质量分数作为鉴定油在加热作用过程中质量恶化的量度。因此，介质的极化成分的质量分数直接影响其介电常数的大小，应用介电常数的变化，可以确定食用 图2.3 电容器中的极化分子油极化成分含量的变化，
13、从而进一步确定被测食用油的质量情况。真空的相对介电常数为1，空气为1.00059，在这里，近似地把介质相对于空气的介电常数作为相对介电常数的值，其它介质的介电常数与空气的介电常数之比为这种介质的相对介电常数。如果一个电容器在空气中的电容是C0，把它浸入未使用过的新鲜的油中，其电容为C1，那么新鲜油的介电常数为1= C1/C0，然后再浸入待测的油样中，测得的电容为C2，则此油样的介电常数为2=C2/C0。2-1为此油样使用后介电常数的变化，这个变化与油样中极化分子含量的变化成正比。因此，测量一个空气隙平行板电容器在空气中和完全浸没在油中的电容，就可以确定油的相对介电常数，从而得知油在使用过程中的
14、变质程度。2.3电容式传感器的原理在各类非电量传感器中，电容式传感器18192021是用得最普遍的一种，在工业现场它作为流量、压力、位移、液位、速度、加速度等物理量的传感元件，应用己相当广泛。电容式传感器是一个具有可 变参数的电容器。多数场合下，电容式传 图2.4 平行板电容器示意图感器是指以空气为介质的两个平行金属板组成的平行板电容器，如图2.4所示。在目前的电容式传感器中，比如电容式压力传感器、电容式湿度传感器、电容式液位传感器、电容式加速度传感器、电容式位移传感器等都有广泛的应用前景，且技术已经比较成熟。在不考虑边缘效应的情况下，平行板电容器电容量的计算公式为： (2.1) 式中：C 传感器电容，F； 两极板间介质的介电常数，F/m；S 极板面积，；d 两极板间的距离，m； 相对介电常数； 真空的介电常数（等于8.854210-12F/m）。3PIC系列微控制器3.1PIC系列微控制器概述随着科学技术的飞速发展，微控制器的应用越来越为广泛。越来越多的厂商推出了各自的微控制器产品22。美国Microchip公司推出的PIC（Peripheral Interface Controller）系列微控制器23可谓独树一帜，率先推出了采用精简
