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文檔簡介

1、 武武漢工程大學郵電與信息工程學院漢工程大學郵電與信息工程學院畢業(yè)設計(論文)畢業(yè)設計(論文)智能地溝油檢測儀的設計智能地溝油檢測儀的設計The Design of Drainage Oil Intelligent Detector學生姓名 學 號 專業(yè)班級 指導教師 2014 年年 5 月月武漢工程大學郵電與信息工程學院畢業(yè)設計(論文) 作者聲明作者聲明本人聲明所呈交的論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果,除了文中特別加以標注的地方外,沒有任何剽竊、抄襲、造假等違反學術道德、學術規(guī)范的行為,也沒有侵犯任何其他人或組織的科研成果及專利。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻

2、均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。如本畢業(yè)設計(論文)引起的法律結果完全由本人承擔。畢業(yè)設計(論文)成果歸武漢工程大學郵電與信息工程學院所有。特此聲明。 作者專業(yè): 作者學號: 作者簽名: _年_月_日摘摘 要要武漢工程大學郵電與信息工程學院畢業(yè)設計(論文) 隨著人們對健康意識的不斷增強,人們對食品安全的要求越來越高。在 2002年國家出臺的食品生產經營單位廢棄食用油脂管理的規(guī)定明確要求,不得將廢棄油脂加工以后再作為食用油脂使用或者銷售。禁止將這種廢棄油脂加工成食用油,而近年來地溝油加工成食用油的現(xiàn)象頻頻被媒體曝光。相關部門對此也加大了打擊的力度,但是由于有利可圖,且地溝油的檢測這個技術

3、難題一直無法解決,導致地溝油在市場上始終是屢禁不止。所以創(chuàng)造一種簡單、有效、快速檢測地溝油技術迫在眉睫。目前,國內外已經有多種方法可以檢測出食用油的質量,如感觀評價法、物理化學評價法、柱層析法、化學感官系統(tǒng)法、核磁共振光譜法以及近紅外檢測法。其中最有效的方法(1)核磁共振光譜法,它是利用 NMR 波譜物理特性,通過對各類油的 1H-NMR 測定,可以得到各類油中各化學位移下 H 的積分值,也就是得到不同化學環(huán)境下 H 的相對含量,從而判斷是否為地溝油。 (2)近紅外檢測法,泔水油或深度油炸油中的油脂在加工過程中會發(fā)生高度的氧化、酸敗反應,產生比普通植物樹脂更多的氧化產物,由于氧化產物在近紅外光

4、譜中會出現(xiàn)不同的特征峰,因而,可通過這些特征峰,判斷出食用油脂中是否含有泔水油或深度油炸油。但這些方法都因技術成本高,測試設備較大而都只是在一些大型的實驗中心和質檢中心使用。本論文所研究的智能地溝油檢測儀是通過利用不同油相對介電常數(shù)的差異并考慮到溫度和液位是影響油特性的重要因素,利用電容式傳感器和充分發(fā)掘MSP430 單片機,遵循自頂向下、逐層分解、軟件模塊化原則,通過計算機仿真與驗證、開發(fā)板搭建與測試、系統(tǒng)設計與聯(lián)調三個步驟,開發(fā)地溝油的快速檢測儀,實現(xiàn)地溝油與食用油的鑒別。創(chuàng)造一種簡單、快捷、廉價有效的方法檢測出地溝油。關鍵詞:關鍵詞:核磁共振光譜法;近紅外檢測法;介電常數(shù)目目 錄錄第第

5、1 章章 緒論緒論.11.1 國內外地溝油檢測技術的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢.1武漢工程大學郵電與信息工程學院畢業(yè)設計(論文) 1.2 本論文的研究內容.2第第 2 章章 系統(tǒng)設計方案系統(tǒng)設計方案.32.1 總體流程框圖.32.2 各模塊簡介.4第第 3 章章 系統(tǒng)硬件設計系統(tǒng)硬件設計.73.1 傳感器原理及其應用.73.1.1 傳感器結構.73.1.2 傳感器原理及仿真.83.4 MSP430 最小系統(tǒng) .133.4.1 最小系統(tǒng)結構.143.4.2 最小系統(tǒng)測頻原理.153.4.3 最小系統(tǒng)調試.16第第 4 章章 系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)軟件設計.174.1 主程序流程圖.174.2 測頻率子程序.184

6、.3 測溫度子程序.184.4 軟件調試.20第第 5 章章 總結與展望總結與展望.21參考文獻參考文獻.22致謝致謝.23武漢工程大學郵電與信息工程學院畢業(yè)設計(論文) 第第 1 章章 緒論緒論地溝油,城市下水道里悄悄流淌的垃圾。有淘者對其進行加工,搖身變成桌上的“食用油” 。他們每天從那里撈取大量暗淡渾濁、略呈紅色的膏狀物,僅僅經過一夜的過濾、加熱、沉淀、分離,就能讓這些散發(fā)著惡臭的垃圾變身為清亮食用油,最終通過低價銷售,重返人們的餐桌。這種被稱作“地溝油”的三無產品,其主要成分仍然是甘油三酯,但是它比真正的食用油多了許多致病、致癌的毒性物質。但是,一些不法商販卻在利益的驅動下不顧人民群眾

7、生命安全私自生產加工地溝油并作為食用油低價銷售給一些小餐館,這種行為給人們的身心都帶來極大傷害。因此創(chuàng)造一種簡單、便捷、快速檢測油品質的好壞的設備勢在必行1。1.1 國內外地溝油檢測技術的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢國內外地溝油檢測技術的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢國內目前重點根研究地溝油的特征成分,檢測方法主要有水分含量測定法、酸價測定法、膽同醇含量測定法、近紅外光譜法、電導率與極性物質測定法、重金屬含量測定法、薄層色譜法、熒光法等來測定油品質的好壞。國外對地溝油檢測方法報道較少,但由于制訂一系列法規(guī),使地溝油很難再進入食用油市場,研究主要關注廢棄油脂綜合利用及食用油摻偽和種類區(qū)分。例如美國嚴格控制地溝油來源,只有專門

8、公司才能進行回收。美國科研人員已將地溝油制成保暖材料,能根據(jù)環(huán)境變化,選擇反射或吸收能量。日本主要采取政府補貼回收方式,高價回收地溝油,使之不能流入市場或餐桌,然后加工成生物柴油。德國政府推出地溝油回收法律,對其進行跟蹤監(jiān)督,回收的廢油除可用作生物柴油外,還可用于生產化學品、有機肥料等。地溝油與普通食用油相比,價格較低,以地溝油為原料生產生物柴油,更具有經濟可行性,也可將地溝油作為制造涂料、肥皂原料、飼料用油等2。面對地溝油檢測這一重大技術難題,國內外已經有很多人在研究,且已有的技術方法能檢測出 90%的地溝油,但是這些技術設備都因體積較大且成本較高,而都留在實驗中心和國家質檢中心使用。如何使

9、其變得嬌小、廉價,便于大眾化武漢工程大學郵電與信息工程學院畢業(yè)設計(論文) 使用,這是我們現(xiàn)今該研究的問題。1.2 本論文的研究內容本論文的研究內容本論文針對地溝油檢測的迫切需求,利用不同油相對介電常數(shù)的差異并考慮到溫度和液位是影響油特性的重要因素,有效利用傳感器和充分發(fā)掘 MSP430 開發(fā)板資源,遵循自頂向下、逐層分解、軟件模塊化原則,通過計算機仿真與驗證、開發(fā)板搭建與測試、系統(tǒng)設計與聯(lián)調三個步驟,開發(fā)地溝油的快速檢測儀,實現(xiàn)了地溝油與食用油的鑒別。武漢工程大學郵電與信息工程學院畢業(yè)設計(論文) 第第 2 章章 系統(tǒng)設計方案系統(tǒng)設計方案利用不同油相對介電常數(shù)的差異并考慮到溫度和液位是影響油

10、特性的重要因素,利用傳感器和充分發(fā)掘 MSP430 開發(fā)板資源,遵循自頂向下、逐層分解、軟件模塊化原則,通過計算機仿真與驗證、開發(fā)板搭建與測試、系統(tǒng)設計與聯(lián)調三個步驟,開發(fā)地溝油的快速檢測儀,實現(xiàn)了地溝油與食用油的鑒別。2.1 總體流程框圖總體流程框圖圖圖 2.1 地溝油快速檢測儀系統(tǒng)框圖地溝油快速檢測儀系統(tǒng)框圖如圖 2.1 所示給出了本項目的系統(tǒng)框圖,系統(tǒng)主要由傳感器模塊與 MSP430最小系統(tǒng)兩部分組成。傳感器模塊是一種直筒式一體化傳感器,可輸出反映油溫度的電壓信號與反映油介電常數(shù)的振蕩信號。MSP430 最小系統(tǒng)包括單片機開發(fā)板、液晶顯示模塊、控制模塊、存儲模塊和電源模塊,單片機開發(fā)板完

11、成溫度電壓信號的采樣、振蕩信號的脈沖捕獲與計數(shù)、待檢測油的識別和檢測;存儲模塊待測油 傳感器低功耗單片機開發(fā)版顯示模塊控制模塊存儲模塊電 源 模 塊武漢工程大學郵電與信息工程學院畢業(yè)設計(論文) 負責存儲不同油隨溫度變化的脈沖數(shù);顯示模塊輸出檢測結果,包括溫度、脈沖數(shù)和識別出的油品種。2.2 各模塊各模塊簡介簡介1. 傳感器模塊傳感器模塊傳感器的性能直接決定系統(tǒng)檢測油的可靠性,因此傳感器是整個系統(tǒng)設計的關鍵。項目組在選擇傳感器時主要考慮了如下三個方面:(1)由于不同油的相對介電常數(shù)存在差異,不同種類的油填充到電容器的兩極間時,電容器的電容值將會不同,利用 NE555RC 振蕩電路起振快的優(yōu)勢,

12、將相對介電常數(shù)的差異轉換為輸出信號頻率的差異。(2)為降低分布參數(shù)對傳感器輸出信號的影響,利用直筒式一體化傳感器,將傳感器分為上下兩部分:上部嵌入傳感器電路,下部由雙金屬筒構成電容器。金屬筒設計的優(yōu)點:即使內金屬筒被固定時有偏心現(xiàn)象,兩筒間的體積始終保持不變。 (3)考慮到液位和溫度是影響輸出信號頻率的重要因素,采用油浸沒至排氣槽保證液位一致,采用溫度傳感器實時監(jiān)測油溫,內金屬筒用絕緣膠固定溫度三極管 AD590,保證三極管能完全浸沒至油中,通過精密的可調電阻和五位半表在冰水混合物和沸水環(huán)境下校準溫度傳感器。 2. 顯示模塊顯示模塊帶中文字庫的 12864 是一種具有 4/8 位并行、2 線或

13、 3 線串行多種接口方式,內部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊,其顯示分辨率為 12864,內置 8192 個 1616 點漢字,和 128 個 168 點 ASCII 字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令,可構成全中文人機交互圖形界面??梢燥@示 84 行 1616 點陣的漢字,也可完成圖形顯示。低電壓低功耗是其又一顯著特點。由該模塊構成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比,不論硬件電路結構或顯示程序都要簡潔得多,且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊?;咎匦匀缦拢何錆h工程大學郵電與信息工程學院畢業(yè)設計(論文) (1)低電源電壓(VDD

14、:+3.0-+5.5V) ;(2)顯示分辨率:12864 點;(3)內置漢字字庫,提供 8192 個 1616 點陣漢字(簡繁體可選);(4)內置 128 個 168 點陣字符;(5)2MHZ 時鐘頻率;(6)顯示方式:STN、半透、正顯;(7)驅動方式:1/32DUTY,1/5BIAS;(8)視角方向:6 點;(9)背光方式:側部高亮白色 LED,功耗僅為普通 LED 的 1/51/10;(10)通訊方式:串行、并口可選;(11)內置 DC-DC 轉換電路,無需外加負壓;(12)無需片選信號,簡化軟件設計;(13)工作溫度: 0 - +55 ,存儲溫度: -20 - +60。在這里顯示模塊將

15、傳感器接受到的模擬信號經過單片機 msp430g2231 處理之后顯示出來。3. 存儲模塊存儲模塊AT24C02 是一個 2K 位串行 CMOS E2PROM,內部含有 256 個 8 位字節(jié),CATALYST 公司的先進 CMOS 技術實質上減少了器件的功耗。AT24C02 有一個8 字節(jié)頁寫緩沖器。該器件通過 IIC 總線接口進行操作,有一個專門的寫保護功能。特性如下: (1)數(shù)據(jù)線上的看門狗定時器;(2)可編程復位門欄電平;(3)高數(shù)據(jù)傳送速率為 400KHz 和 1C 總線兼容;(4)2.7V 至 7V 的工作電壓;(5)低功耗 CMOS 工藝;(6)16 字節(jié)頁寫緩沖區(qū);(7)片內防

16、誤擦除寫保護;武漢工程大學郵電與信息工程學院畢業(yè)設計(論文) (8)高低電平復位信號輸出;(9)100 萬次擦寫周期;(10)數(shù)據(jù)保存可達 100 年;(11)商業(yè)級、工業(yè)級和汽車溫度范圍。存儲模塊主要負責存儲不同油隨溫度變化的脈沖數(shù)。4電源模塊電源模塊采用 9V 電源供電以便攜,選穩(wěn)壓芯片 LM7805 將電壓降至 5V,用 5V 電壓為系統(tǒng)供電,5V 電壓經 3 個二極管降壓后給單片機供電,保證單片機為模數(shù)轉換 ADC(Analog to Digital Converter)提供參考的內部電壓的穩(wěn)定。方面都比復用段保護環(huán)簡單和容易,更適合在匯聚型的業(yè)務中使用。5. MSP430 最小系統(tǒng)最

17、小系統(tǒng)MSP430 最小系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心,設計應充分發(fā)揮單片機 msp430g2231的性能。為此,項目組在設計最小系統(tǒng)時做了如下考慮:(1)單片機待機時進入低功耗模式;(2)采用內部定時器 A 同步捕獲振蕩信號,利用被測信號與定時時鐘的頻率差異保證計數(shù)脈沖的準確; (3)使用電壓跟隨器降低最小系統(tǒng)輸入阻抗對溫度傳感器輸出電壓的影響;(4)合理分配 MSP430 管腳資源,選用串行數(shù)據(jù)線的外設,如存儲芯片AT24C02、液晶 LCD12864;輸入按鍵僅 1 個。武漢工程大學郵電與信息工程學院畢業(yè)設計(論文) 第第 3 章章 系統(tǒng)硬件設計系統(tǒng)硬件設計系統(tǒng)硬件主要由傳感器和 MSP430 最

18、小系統(tǒng)構成,傳感器完成模數(shù)轉換功能,單片機完成數(shù)模轉換功能,兩個結合在一起才能測出地溝油。3.1 傳感器原理及其應用傳感器原理及其應用傳感器是本論文的核心部分,只有傳感器所接受的數(shù)據(jù)正確才能系統(tǒng)才能判斷出油的好壞。3.1.1 傳感器結構傳感器結構1 1m mm m9.5cm2 29 9c cm m電電路路板板排排氣氣孔孔溫溫度度傳傳感感器器連連接接處處填填充充油油介介質質硅硅膠膠封封堵堵排排氣氣孔孔上上部部硅硅膠膠封封堵堵武漢工程大學郵電與信息工程學院畢業(yè)設計(論文) 圖圖 3.1 傳感器結構圖傳感器結構圖如圖 3.1 所示結出了傳感器的結構示意圖,傳感器由兩個金屬圓筒組成,內外兩個圓筒構成電

19、容器的兩個極板,極板間距 1mm,其間填充所要測的油;內圓筒底部嵌入一溫度傳感器,用于實時測量油溫度;傳感器上開一排氣槽,排氣槽以上用硅膠封堵,當油超過排氣槽時,將從排氣孔流出,使兩極板間油的體積不再增加,從而保證每次進入兩極板間的油等量;傳感器上部嵌入傳感器電路,油經傳感器輸出反映其介電常數(shù)的振蕩信號及反映溫度的電壓信號。3.1.2 傳感器原理及仿真?zhèn)鞲衅髟砑胺抡妫?)電容傳感器電容傳感器原理充填待測油的電容值可表示為: (3.1)0rCS b 其中為真空中的介電常數(shù);為待測油的相對介電常1208.85415 10F mr數(shù);S 為電容器的面積;b 為電容器兩極間的距離。從中可以看出,由于

20、不同油的相對介電常數(shù)有差異,這種差異可以表征為電容值的變化。電容值可以由其構成的 RC 振蕩電路的振蕩頻率計算出來,振蕩頻率與電f容的關系為:C (3.2)121()CRRf其中為充電時的電阻,為放電時的電阻。從式(3.2)可以看出,輸出振蕩1R2R信號的頻率變化可以反映電容值的變化;聯(lián)立式(3.1)和(3.2),可以看出越大,r輸出振蕩信號的頻率越小,即輸出振蕩信號的頻率能夠表示不同油的特性。對式(3.2)求偏導有: (3.3)2121()dCdfRRf武漢工程大學郵電與信息工程學院畢業(yè)設計(論文) 從式(3.3)可以看出,輸出信號頻率越大,對不同油相對介電常數(shù)差異導致的電容變化越敏感,但是

21、后續(xù)用單片機測頻受限于定時時鐘頻率,如果定時時鐘頻率不遠大于輸出信號頻率,則測頻有可能不準,另外輸出信號頻率也不能太低,如果和選取過大,一是會導致振蕩器停振,二是大電阻將提高對電阻1R2R精度的要求,增加成本。經權衡考慮,傳感器在空氣中時的振蕩頻率選取15KHz 左右較合適。振蕩電路方案與仿真根據(jù)以上分析,我們考慮了兩種振蕩電路方案,一種是由比較器 LM311 構成的弛張振蕩器;另一種是由 NE555 構成的振蕩器,并通過計算機仿真比較。方案一:比較器 LM311 構成的弛張振蕩器比較器構成的 RC 振蕩電路如圖 3.2 圖所示。圖圖 3.2 LM311 弛張振蕩器及仿真弛張振蕩器及仿真由 W

22、orkbench 仿真得到的結果如圖 3.2 圖所示,可見形成穩(wěn)定的振蕩信號需要一定的起振時間,這是由于這種振蕩器是反饋式振蕩電路導致的。若采用這種武漢工程大學郵電與信息工程學院畢業(yè)設計(論文) 振蕩電路方案,則實際測量時可能因振蕩未達到穩(wěn)定而導致誤測,不能達到快速檢測的要求。方案二:NE555 構成的振蕩器比較器構成的 RC 振蕩電路如圖 3.3 圖所示。圖圖 3.3 NE555 振蕩電路及仿真振蕩電路及仿真NE555 工作于多諧振蕩時,其頻率可表示為: (3.4)1.44(2)ABfRR C其中為 VCC 與 DIS 管腳間的電阻,為 DIS 與 TRI 管腳間的電阻,CARBR為 TRI

23、 與地間的電容。對應仿真 RC 振蕩電路圖中, 251ARRK, ,代入式(3.4)計算可得:35150BRR RK270TCCpF (3.5) 3121.4415.195(512 150) 1027 10fKHz 振蕩信號低電平與高電平的比例為武漢工程大學郵電與信息工程學院畢業(yè)設計(論文) (3.6) 15032014LBHABtRrtRR 由 MultiSim 仿真得到的結果如圖 3.3 圖所示,由仿真結果可以看出,NE555構成的振蕩電路加電立即起振,可以滿足快速檢測的需求。由仿真示波器觀察可得:輸出信號頻率為 15.1KHZ,低電平持續(xù)時間為 66.4us,高電平持續(xù)時間為37.6us

24、,低電平與高電平的持續(xù)時間比例約為 28.8us,與理論計算吻合。實際設計時,考慮到電阻有一定誤差,我們采用固定電阻與可調電阻搭配的方式,通過調整使得實際輸出信號頻率達到設計要求。(2)溫度傳感器溫度傳感器原理選用恒流源 AD590 作為溫度傳感器, AD590 輸出電流與溫度成正比,溫度每增加 1,輸出電流增加 1uA。當溫度為 0時,輸出電流為 273uA;溫度傳感器與一電阻串聯(lián)后,輸出電壓值與溫度成正比,串聯(lián)電阻為 5K,則溫度每增加 1,輸出電壓增加 5mV,0時輸出電壓 1365mV,溫度與輸出電壓的關系為,其中電壓 U 的單位為 mV。13655UT溫度傳感器方案與仿真溫度傳感器高

25、精度電阻跟隨器與與溫溫度度成成正正比比的的電電流流與與溫溫度度成成正正比比的的電電壓壓與與溫溫度度成成正正比比的的電電壓壓單片機可調電阻圖圖 3.4 溫度傳感器電路框圖溫度傳感器電路框圖武漢工程大學郵電與信息工程學院畢業(yè)設計(論文) 如圖 3.4 所示給出溫度傳感器的電路框圖,其工作原理如下:溫度傳感器將溫度轉換成電流信號后,電流通過電阻轉換成電壓信號;電阻由一高精度的黑棒電阻和一可調電阻構成(組成 5K 電阻) ,可調電阻用于校準溫度,高精度電阻阻值較大,溫度校準后其具有良好的穩(wěn)定性。為了消除輸出負載的分流作用,電壓輸出端加一電壓跟隨器,跟隨器由運算放大器構成,利用放大器的輸入負載大來隔離外

26、部電路的影響。對于電壓跟隨器,我們考慮了以下兩種方案:方案一:采用高精度的運算放大器 OP27 構成電壓跟隨器;方案二:用單電源供電的運算放大器 LM311 構成電壓跟隨器。圖圖 3.5 電壓跟隨器的仿真與比較電壓跟隨器的仿真與比較如圖 3.5 所示分別給出使用 OPT27 單極性供電、雙極性供電搭建電壓跟隨器的仿真結果。可以看出,右子圖輸出 1.365V 能夠跟隨輸入電壓,而中子圖輸出3.071V 不能跟隨輸入電壓,因此 OPT27 搭建的跟隨器需要雙電源供電,增加了電路的復雜度和成本。如圖 3.5 所示給出 LM311 搭建跟隨器的仿真結果??梢钥闯?,LM311 搭建跟隨器只需單極性電壓就

27、能夠實現(xiàn)輸出電壓跟隨輸入電壓的功能,且 LM311 的成本也低于 OPT27,因此選用方案二。武漢工程大學郵電與信息工程學院畢業(yè)設計(論文) (1)電容傳感器調試按圖 3.3 所示搭建電容傳感器電路,通過示波器觀察輸出振蕩信號頻率約為15KHz,調節(jié)電位器,使振蕩頻率穩(wěn)定在 15KHz。(2)溫度傳感器調試按圖 3.4 所示搭建溫度傳感器電路,將溫度傳感器放入冰水混合物中,在跟隨器輸出端接 5 位半表 UNI-T-UT508 觀察輸出電壓,調節(jié)電位器,使輸出電壓為1365mV;再將傳感器放入 100沸水中,調節(jié)電位器,使輸出電壓為 1865mV;再次放入冰水混合物中調節(jié)電位器使輸出 1365m

28、V 電壓,如此反復幾次,使輸出電壓穩(wěn)定。3.4 MSP430MSP430 最小系統(tǒng)最小系統(tǒng)MSP430 最小系統(tǒng)由控制模塊、液晶模塊、記憶模塊、電源模塊構成。下面一節(jié)主要介紹最小系統(tǒng)的結構。3.4.1 最小系統(tǒng)結構最小系統(tǒng)結構MSP430G2231 單片機與外部模塊的連接如圖 3.6 所示,本系統(tǒng)需要單片機完成測振蕩頻率、測溫度、查表及顯示結果等功能。P1.0 連接按鍵,用于功能選擇;P1.1 為定時器 A 捕獲信號輸入端,連接傳感器輸出的振蕩信號;P1.2 作為 AD 采樣通道,連接溫度傳感器輸出電壓信號;P1.3 到 P1.5 與液晶 12864 連接,用于驅動液晶顯示,以顯示檢測結果;P

29、1.6、P1.7 與外接存儲器 24C02 連接,用于存儲數(shù)據(jù)及查表;外接一低頻晶振,作為定時器 A 的時鐘。武漢工程大學郵電與信息工程學院畢業(yè)設計(論文) 按按鍵鍵振振蕩蕩信信號號電電壓壓信信號號K K晶晶振振V VC CC CG GN ND DS SP P單單片片機機X XI IN NX XO OU UT T液液晶晶顯顯示示器器數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)使使能能時時鐘鐘時時鐘鐘數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)圖圖 3.6 單片機系統(tǒng)結構圖單片機系統(tǒng)結構圖下面具體介紹 MSP430 最小系統(tǒng)各模塊:(1)控制模塊:通過一個按鍵實現(xiàn)功能的選擇,按住則鑒別食用油與地溝油。(2)液晶模塊:液晶顯示采用串行傳輸模式,只用三個 IO 管腳作為

30、使能、數(shù)據(jù)及時鐘輸出端口,以驅動液晶顯示。(3)記憶模塊:選用串行2I C協(xié)議的存儲芯片 24C02 存儲不同油隨溫度變化的脈沖數(shù)據(jù),該芯片有掉電保護功能保證數(shù)據(jù)不易失;加電可寫入使系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)擴展與更新功能,兩個管腳節(jié)省 MSP430 的寶貴資源。(4)電源模塊:電源模塊供電示意如圖 3.7 所示。9V 電池穩(wěn)壓芯片LM7805存儲器 24C02傳感器3 個二極管串聯(lián)顯示屏 12864放大器 LM358單片機武漢工程大學郵電與信息工程學院畢業(yè)設計(論文) 圖圖 3.7 電源模塊電源模塊 由于電池損耗導致的電壓下降會對傳感器的輸出信號有一定影響,故選用穩(wěn)壓芯片 LM7805 將電壓穩(wěn)定到 5V

31、,5V 電壓為系統(tǒng)供電;單片機供電電壓不能超過 3.6V,為了簡化電路,用三個二極管降壓,降壓后電壓約為 3.2V。3.4.2 最小系統(tǒng)測頻原理最小系統(tǒng)測頻原理最小系統(tǒng)測頻具體實現(xiàn)方法如圖 3.7 所示:啟動 MSP430 的定時器 A 捕獲功能;當捕獲振蕩信號第一個脈沖時計下計數(shù)器的計數(shù)值 C1,當捕獲振蕩信號第N+1 個脈沖時計下計數(shù)器的計數(shù)值 C2;通過下式可以計算振蕩信號的頻率:21clkfNfCC (3.7)其中單片機定時時鐘頻率為clkf。由于本系統(tǒng)檢測結果只需輸出油的種類,無需換算成頻率,因此只需記錄觀察時間窗內的脈沖數(shù)21CC即可。計計數(shù)數(shù)值值C C1 1計計數(shù)數(shù)值值C C2

32、2被被測測信信號號周周期期被被測測信信號號定定時時器器時時鐘鐘1N+1圖圖 3.7 測頻原理示意測頻原理示意3.4.3 最小系統(tǒng)調試最小系統(tǒng)調試定時器時鐘:單片機內部 DCO 頻率 800KHz,遠大于被測信號頻率,適合測頻率要求,但我們采用單片機內部 DCO 作為定時器時鐘時,重復捕獲得到的脈數(shù)值有很大偏差,說明內部 DCO 不穩(wěn)定;選用高頻晶振 8MHz、2MHz 經測試均不能起振,說明上述高頻晶振不適用該單片機,使用 32768HZ 低頻晶振可使單片機起振,但作為定時器時鐘與被測振蕩信號頻率相當,若只觀察被測振蕩信號一武漢工程大學郵電與信息工程學院畢業(yè)設計(論文) 個周期將導致記錄的脈沖

33、數(shù)誤差大,因此采用觀察 N=10000 個振蕩信號周期的方法記錄脈沖數(shù)。第第 4 章章 系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)軟件設計 系統(tǒng)軟件部分是整個系統(tǒng)的核心部分,測試比對的主要數(shù)據(jù)主要通過系統(tǒng)已有數(shù)據(jù)比對來完成。4.1 主程序流程圖主程序流程圖單片機上電后先進行程序初始化,顯示操作提示,然后進入休眠;按下按鍵后開始工作鑒別地溝油。 是 否 開 始 初始化低功耗等待中斷測頻子程序測溫度子程序 按鍵中斷按鍵時間是否大于 1 秒?標志位 Flag=1武漢工程大學郵電與信息工程學院畢業(yè)設計(論文) 圖圖 4.1 主程序流程主程序流程4.2 測頻率子程序測頻率子程序采用單片機定時器 A 的捕獲比較功能,定時器 A 使

34、用頻率穩(wěn)定的 32768HZ外部晶振,因與被測信號頻率相當,故測量 10000 個外部信號的周期。第一次捕獲到被測信號上升沿時記錄定時器 A 的計數(shù)值 C1,第 10001 次捕獲信號上升沿時記錄定時器 B 的計數(shù)值 C2,則計數(shù)值為 C2- C1。 是 否 是 是 查表子程序 顯示結果 Flag=0退出低功耗模式清除端口中斷 標志位 返 回 開始初始化,捕獲上升沿次數(shù) N=0N10000? 中斷N=0,記數(shù)值 C=C1-C2Timer-A 中斷 N=0?定時器賦值 C1關閉中斷定時器記數(shù)值賦給 C2 N 自增 1 N10000?武漢工程大學郵電與信息工程學院畢業(yè)設計(論文) 圖圖 4.2 測

35、頻率程序流程測頻率程序流程4.3 測溫度子程序測溫度子程序溫度傳感器將溫度轉化成電壓值后,再利用單片機的 AD 轉換功能將電壓值量化采樣。使用單片機內部的 2.5V 電壓作為參考電壓,采樣值與電壓關系為2.51024xU (4.1)其中 x 為采樣寄存器的值。為避免浮點數(shù)運算,關系簡化為:2.539(328 1)( )()()10241616xxxUVmvmv (4.2)即對采樣寄存器的值分別左移 3 位(對應乘以 8) 、5 位(乘以 32) ,相加后再減去采樣寄存器原值,最后再右移 4 位(對應除以 16) 。電壓與攝氏溫度轉換關系為:13655UT (4.3)其中 U 單位為 mV。為了

36、使 AD 采樣更精確,采樣 32 次,再取平均值。開始初始化采樣次數(shù) n=0采樣值 sum=0N32 ADC 中斷N32關閉中斷停止采樣 是否返回記數(shù)值 返回武漢工程大學郵電與信息工程學院畢業(yè)設計(論文) 圖圖 4.3 測溫度子程序流程圖測溫度子程序流程圖4.4 軟件調試軟件調試信號采樣:連續(xù)多次采樣溫度電壓信號后,系統(tǒng)可能運行錯誤,經調試發(fā)現(xiàn)是達到采樣次數(shù)后未關閉采樣功能造成的,修改后系統(tǒng)運行正常。按鍵中斷:進入 IO 中斷后一直停留在中斷子程序中,原因是 IO 中斷結束后不能自動復位,需要軟件復位。sum=sum32采樣轉換成溫度值 n 清零 sum 清零 返回溫度值n=n+1sum=su

37、m+采樣值返回否是武漢工程大學郵電與信息工程學院畢業(yè)設計(論文) 第第 5 章章 總結與總結與展望展望本論文圍繞地溝油快速可靠檢測的迫切需求,在充分考慮溫度與液位對油特性影響的基礎上,自主研制地溝油快速檢測儀。該設計有以下 3 個優(yōu)點:(1)低功耗與便攜式設計使用 9V 電池供電與小型化設計滿足便攜式需求,待機自動進入低功耗模式,延長電池使用時間。(2)直筒式溫度與電容一體化將傳感器分為上下兩部分:上部分嵌入傳感器電路,下部分由雙金屬筒構成武漢工程大學郵電與信息工程學院畢業(yè)設計(論文) 電容器,內金屬筒固定溫度傳感器,能夠降低分布參數(shù)對傳感器輸出信號的影響,提高傳感器輸出性能。雙金屬筒設計,使

38、得即便內金屬筒有偏心現(xiàn)象也能夠保證兩筒間的體積不變;排氣槽設計,保證浸入電容傳感器油的液位恒定。(3)快速可靠的油特性檢測方法考慮油溫和液位對油特性的重要影響,通過油樣品隨溫度變化特性表的存儲和液位控制,采用溫度區(qū)間最大最小值法進行快速查表,能夠實現(xiàn)地溝油的快速可靠檢測。同時也有很多不足之處:(1)以上內容都是在理論基礎上可行,沒有實際去論證;(2)各種油特性的數(shù)據(jù)還不完整;(3)傳感器的不穩(wěn)定帶來的負影響。建立一種簡便、快速的地溝油檢測方法。為普通消費者購買安全食用油提供技術幫助,讓地溝油無法進入到我們的食品領域。合理利用地溝油大力發(fā)展生物柴油,利用先進技術,降低地溝油制取生物柴油的成本,這是地溝油資源合理利用的重點。利用地溝油做皮革加脂劑合理利用地溝油做皮革加脂劑、洗衣粉、金屬皂、生物柴油、甘油、選礦劑等生物科技領域。提高資源的有

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