（毕业论文）-地沟油电学参数的试验检测装置设计

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1、0 食用油电学参数的试验检测装置设计食用油电学参数的试验检测装置设计 1 1 绪论绪论 1.11.1 本课题的背景本课题的背景 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，

2、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 1 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

3、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。 1.21.2 食用油质量检测方法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

4、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，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，

5、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，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。 1.31.3 电容测量方法电容测量方法 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 2 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8 9。 表 1.2 传统电容测量方法的原理及其特点

6、 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

7、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、 抗干扰能力强的高精度电容式传感器测量电路。 1.41.4 本课题研究的内容本课题研究的内容 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

8、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。 3 （2） 设计印刷板电路图。 （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 2 方案论证方案论证 2.12.1 设计方案的选择设计方案的选择 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

9、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

10、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 4 方案二：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

11、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模拟电路，因此

12、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。 2.22.2 介电常数法的原理介电常数法的原理 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

13、是非极性的。介质的极化成分的质量分数直接影 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 5 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

14、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，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

15、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 变质程度。 2.32.3 电容式传感器电容式传感器的原理的原理 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。 6 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) d S d S C r 0 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； r 真空的介电常数（等于 8.854210-12F/m） 。 0 3 3 PICPIC 系列微控制器系列微控制器 3.13.1 PICPIC 系列微控制器系列微控制器概述概述 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 Micr