食用油檢測畢設論文

1、桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第4頁 共3頁摘 要隨著我國改革開發(fā)以來，由于我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展以及人們物質精神生活水平的不斷提高，健康合格的食品安全問題成為人們飯桌上常常談論的一個話題，同時也是食品監(jiān)督部門的一個硬性標準。在人們的平常生活中，食品的質量安全問題已然成為一個不能忽視的熱點話題，能夠直接影響我們國家人民生活的水平質量，同時也會對國家的經(jīng)濟及發(fā)展也產(chǎn)生及其重大影響。所以，食品質量安全問題是一個重要的國家重大公共衛(wèi)生和經(jīng)濟和政治問題，其中涉及到的身心健康，影響社會穩(wěn)定的周期。食用油在食品中占有一定的比例，是人們一天三餐中的必備品，食用油質量的好與壞和人們的健康息息相關，對食

2、品行業(yè)的的發(fā)展也有著極為重要的影響。因此，為了保證食用油的質量安全問題得到有效解決，一套有效適用于食用油質量簡單快速檢測技術需要盡快建立并逐步完善，食用油質量快速檢測技術的研制極為迫切。本篇論文基于食品安全問題日益嚴峻，食用油的安全問題被人們逐步重視，設計了一款傳感器系統(tǒng)，通過設計一款平行板電容傳感器，基本原理是不同食用油的介電常數(shù)的是不同的，這樣會導致平行板電容器的電容值發(fā)生變化。具體實現(xiàn)方法是以每種物體的介電常數(shù)值不同作為研究點，利用可編程電容數(shù)字轉換器 AD7746和嵌入式微控制器STM32作為核心控制模塊組成的檢測系統(tǒng)完成對油樣品對應產(chǎn)生電容值的檢測，結果由液晶顯示。之后利用這套傳感器

3、系統(tǒng)，用制作好傳感器對自制油，煎炸老油，符合國家標準的食用油在不同條件下進行多次電容值測量，之后用公式計算出各種對應的介電常數(shù)；最后比較自制油，煎炸老油，符合國家標準的食用油的介電常數(shù)的差異，找出一個區(qū)分煎炸老油和符合國家標準的食用油的介電常數(shù)大致分布區(qū)間。關鍵詞：stm32；ad7746；油質檢測；介電常數(shù)；平行板電容傳感器AbstractSince China's reform and development, due to the continuous development of China's economy and the continuous improvemen

4、t of people's material and spiritual life, qualified health food safety issues become a table of people often talk about the topic, also is food and supervision departments of a rigid standards. In people's daily life, the issue of food quality and safety has already become a can not ignore

5、the hot topic, can directly affects the quality of life of people of our country level, but also on the country's economic development and also produced and the major impact. Therefore, food quality and safety issues are an important national major public health and economic and political issues

6、, which relate to the physical and mental health, the impact of social stability cycle.Edible oil in food occupies certain proportion is necessary people three meals a day, edible oil quality good and bad and people's health is closely related to the development of food industry also has a very

7、important influence. Therefore, in order to ensure food quality and safety problems of the oil has been effectively resolved, a set of effective application in edible oil quality rapid and simple detection technology need as soon as possible to establish and gradually improve, edible oil quality fas

8、t detection technology development is extremely urgent.This paper based on the food safety problem is becoming more and more serious, edible oil security issues by people gradually pay more attention to design a sensor system, through the design of a parallel plate capacitance sensor, the basic prin

9、ciple is the dielectric constant of different edible oil is different, this will lead to parallel plate capacitor capacitance change. Specific method is to each object of the dielectric constant values different as the research point, the use of programming capacitance to digital converter ad7746 an

10、d embedded microcontroller STM32 as the core control module consisting of a detection system of oil samples corresponding to produce capacitance detection. The results by the liquid crystal display. After using this sensor system, sensor of self-made oil, frying oil, in line with national standards

11、for edible oil under different conditions were repeatedly capacitance value measuring, after using the formula calculated the dielectric constant of the corresponding; the self-made oil, frying oil, in line with the difference of the dielectric constant of the national standard of edible oil, find a

12、 distinguished old frying oil and broadly distributed interval accords with the dielectric constant of the national standard of edible oil.Key words: stm32; ad7746; Oil testing; Dielectric constant; Parallel plate capacitance sensor目 錄引言11緒論11.1 研究背景與研究意義11.2 食用油檢測技術研究進展21.3 主要內容32 食用油檢測原理52.1 介電常數(shù)5

13、2.2 食用油傳感器組成62.3 檢測目標及主要參數(shù)72.4 傳感器設計方案73 硬件設計與實現(xiàn)93.1 電容檢測電路93.2 基于AD7746的電容檢測方案設計113.3 基于STM32的信息處理模塊設計153.4 數(shù)據(jù)顯示模塊153.5 抗干擾措施164 軟件程序設計方案174.1 總體設計思路以及采用開發(fā)環(huán)境174.2 AD7746電容數(shù)據(jù)采集以及處理程序184.3 LCD1602顯示程序設計215 食用油檢測實驗以及數(shù)據(jù)分析225.1 食用油檢測實驗225.2 檢測數(shù)據(jù)分析226 總結236.1 存在問題236.2 改進方法23謝 辭24參考文獻25附 錄26桂林電子科技大學畢業(yè)設計（

14、論文）報告用紙 第31頁 共26頁引言作為信息技術的三大基礎之一的傳感器技術，是現(xiàn)在各大發(fā)達國家競相發(fā)展的高新技學技術，是進入21世紀以來優(yōu)先發(fā)展的十大尖端技術之一。傳感器在科學技術領域、工農業(yè)生產(chǎn)以及日常生活中發(fā)揮著越來越重要的作用。人類社會對傳感器提出了越來越高的要求是傳感器技術發(fā)展的強大動力，而現(xiàn)代科學技術突飛猛進則提供了堅強的后盾。傳感器是信息系統(tǒng)的源頭，在某種程度上是決定系統(tǒng)特性和性能指標的關鍵部件。而當前地溝油的現(xiàn)象越來越嚴重，給消費者的身體健康帶來了嚴重的傷害，給有關執(zhí)法部門制造了難題。主要是因為沒有一種高效可靠的地溝油檢測傳感儀器，無法為執(zhí)法部門提供強有力的測量依據(jù)，從而造成不

15、法商人可以肆意妄為的局面。1 緒論1.1 研究的背景以及意義隨著我國改革開發(fā)以來，由于我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展以及人們物質精神生活水平的不斷提高，健康合格的食品安全問題成為人們飯桌上常常談論的一個話題，同時也是食品監(jiān)督部門的一個硬性標準。在人們的平常生活中，食品的質量安全問題已然成為一個不能忽視的熱點話題，能夠直接影響我們國家人民生活的水平質量，同時也會對國家的經(jīng)濟及發(fā)展也產(chǎn)生及其重大影響。所以，食品質量安全問題是一個重要的國家重大公共衛(wèi)生和經(jīng)濟和政治問題，其中涉及到的身心健康，影響社會穩(wěn)定的周期。健康衛(wèi)生的食用油不僅使食物美味可口、增進食欲，還是人體生活健康所必不可少的營養(yǎng)物質，同時還可以作為原料

16、加工各種食品。然而近些年來，地溝油事件不斷被曝光，使人們對食用油安全衛(wèi)生產(chǎn)生了極大的恐懼。地溝油是人們對廢棄各類劣質油脂的統(tǒng)稱，主要可分為三類:一是從餐飲業(yè)油水分離系統(tǒng)或下水道中撈取的油膩漂浮物，經(jīng)過加熱等多道工序加工而成的地溝油;二是劣質家禽肉(包括豬、雞、鴨)及其內臟經(jīng)過加熱后產(chǎn)出的油;三是反復利用煎炸食品的煎炸老油。地溝油絕大部分指標都嚴重不符合國家規(guī)定的食用油衛(wèi)生標準，其危害極大，一旦直接被人們食用后，則可能會引起食物中毒。更為嚴重的是地溝油中含有酸敗的指標含量遠遠超出國家規(guī)定的標準，如果長期攝入，將會影響人們的體重和發(fā)育，易患腹瀉和腸炎，并有肝、心和腎腫大以及脂肪肝等一系列疾病。此外

17、，地溝油中的黃曲霉毒性不僅易使人發(fā)生肝癌，在其他部位也可以發(fā)生腫瘤，如胃腺癌、腎癌、直腸癌及乳癌、卵巢、小腸等部位癌變。這些危害極大地威脅了人們的身體健康，可見地溝油就像是一個無形的殺手。當前地溝油回流到飲食行業(yè)的現(xiàn)象十分嚴重，為了防止地溝油回流入飲食行業(yè)，保護人民群眾的身體健康和生命安全，必須規(guī)范管理、嚴格管理、加大執(zhí)法力度，查處非法經(jīng)營者，讓造假者血本無歸，遏制住地溝油市場。與此同時，地溝油快速檢測設備也應該應運而生，讓不法分子無機可乘，執(zhí)法部門有據(jù)可依。然而，目前對地溝油的檢測主要依賴于實驗室的分析設備，這些設備檢測過程復雜且價格昂貴，難以滿足廣泛應用的需求。因此，探討研究出一種低成本、

18、快速有效、結構簡易的地溝油檢測傳感器設備，將會給地溝油檢測帶來極大的便利，就能為執(zhí)法部門提強有力的執(zhí)法依據(jù)，從嚴從重處理違規(guī)餐飲店、打擊地溝油生產(chǎn)小作坊，杜絕地溝油對糧油市場及飲食行業(yè)的侵蝕。因此本文提出了基于嵌入式系統(tǒng)的液體電介質檢測系統(tǒng)，用于地溝油檢測，與傳統(tǒng)的測量方法相比，此檢測系統(tǒng)具有直接對地溝油進行判斷、制作簡單、便于攜帶和成本低等優(yōu)點。1.2 現(xiàn)有食用油檢測技術的優(yōu)缺點油脂在熔點、相對密度、茹度、表面張力、溶解性、熱性質折射率、介電常數(shù)等物理性質方面的差異，使得食用油品質檢測上的檢測手段各有不同?，F(xiàn)今國內外相關研究部門在食用油品質檢測方面，均未形成統(tǒng)一的檢測方法以及規(guī)定一整套配套完

19、善的檢查儀器，對于食用油的摻偽鑒別方面的研究也不系統(tǒng)全面?，F(xiàn)今食用油質量檢測方法主要包含:氣相色譜法、高效液相色譜法、電導率測定法、GC-MS脂肪酸組成測定法、外源性污染物殘留測定法等。此外，基于核磁技術的指紋圖譜結合多變量分析檢測方法也運用到了食用油檢測，該法具有這樣的特點破壞性小、靈敏度好、圖譜信息豐富。與此同時，傳統(tǒng)儀器分析方法樣品前處理復雜，無法滿足現(xiàn)場快速檢測的需要，高精度儀器設備購置價格較高，難于滿足日常檢測的需求。近年來，各種檢測技術逐漸開始研究和食用油行業(yè)，應用更高效，方便，準確，完整，逐步取代傳統(tǒng)的檢測方法，有以下特點:1)操作簡單易行先進的檢測方法。諸如此類比較先進的檢測方

20、法一般具備能夠在短時間完成在線檢測;2)結果重復性好，精度高;3)減少有機試劑用量，降低對人體及環(huán)境的危害等。多種傳統(tǒng)方法可以用于出食用油質量安全的檢測。見圖1.1圖1.1 常用食用油檢測方法優(yōu)缺點相比之下，傳統(tǒng)的檢測方法費時費力，存在很多不方便之處，需要進行更新及改進。目前，在眾多快速檢測方法當中比較常用的是測量油脂煎炸或者摻假當中樣品介電性質的變化。因此，可以確定油中的偏振分量的變化間接地通過測試樣品的介電常數(shù)測定的變化，反映了油樣的重復使用或混合其他劣質油。該方法簡單、方便、可靠，檢測操作，省時，成本低，可以在現(xiàn)場使用，用于測量，以了解食用油的質量狀況。在測量介電性質的眾多方法中，最常用

21、的是電容測量法，即將電容改裝成為一種檢測感應探頭，通過電路連接及信號放大等處理過程，將檢測樣品的介電性質快速簡單的反映出來。1.3 論文主要內容本文主要利用原有電容傳感器原理，對電容器結構進行更深一步的探索研究，并通過信號轉換電路及軟件模塊設計，實現(xiàn)新型食用油品質檢測手段的開發(fā)及完善。電容檢測法主要是利用電容傳感器進行被測物電容值的測定，然后通過合適的信號調理電路進行信號轉換，最終實現(xiàn)樣品介電性質的在線檢測分析。運算放大器式電路、調頻式電路、充放電式電路是常用的測量電路的代表。以上檢測方法中，為了達到檢測靈敏度和精確度，研究者一般會對調理電路進行優(yōu)化改進，從而提高寄生電容對系統(tǒng)的影響。本研究中

22、為了克服上述缺點，利用集成元件替代相應的調理電路，以期設計出一種新型檢測技術。本課題設計的電容傳感器對不同的油樣本進行了檢測，得到了油質的好壞與輸出電容量的大小對應關系，與已有研究進行對比分析，發(fā)現(xiàn)本課題對油樣品測量的結果與已有結論接近，證明了油的極化成分與其對應的介電常數(shù)是有關聯(lián)的。課題重點研究了該檢測技術原理及設計過程，包括檢測系統(tǒng)硬件與軟件設計，并開發(fā)出這種檢測技術的便攜式原理樣機。本文主要研究內容如下:第一章，簡單介紹了現(xiàn)在食品安全問題的嚴峻性，由此提出食用油油品質量檢測的必要性以及重要性，同時介紹了一些常用的油質檢測設備的優(yōu)缺點；介紹了食用油檢測的研究背景、研究意義以及研究現(xiàn)狀。第二

23、章，介紹了食用油檢測系統(tǒng)采用的傳感器設計原理以及設計思路，介紹介電常數(shù)，由一般傳感器組成與分類，傳感器通常有敏感元件和轉換元件及其輔助環(huán)節(jié)組成，到一般傳感器的基本特性。第三章，介紹分析一些常用的電容測量電路，通過對比這些電路的性能以及特點，最后提出了以AD7746芯片作為核心的微小電容的檢測方案，介紹了AD7746的結構以及機理，設計了AD7746電容測量電路。利用STM32微處理器對AD7746檢測電容電路進行控制以及數(shù)據(jù)的讀取，以及LCD1602顯示電路的實際以及相應的介紹。第四章，對檢測系統(tǒng)的軟件設計模塊化進行了總體概括，詳細地介紹了各個功能模塊的應用及步驟。第五章，用制作好的食用油檢測

24、系統(tǒng)對自制食用油，國標食用油，多次煎炸老油進行電容值測量，得出數(shù)據(jù)轉換為相應的介電常數(shù)，之后對這三種油進行加溫處理，。加熱溫度越高，介電常數(shù)增加越快，說明在高溫下，油分子的化學反應更加劇烈，生成較多的極化成分。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，煎炸時間長極化分子增多，當超出一定范圍時對健康構成潛在威脅，因此食用油煎炸時間、次數(shù)應盡量減少，食用油加工的炸油應定期更換，不要長期煎炸。第六章，總結了所做工作與以及取得的相應成果。對測量結果進行了分析以及總結，對存在的問題以及進一步研究方向提出建議。2 傳感器的相關原理以及設計2.1 介電常數(shù)原理介紹介質在外加電場時

25、會產(chǎn)生感應電荷而削弱電場，原外加電場（真空中）與介質中電場的比值即為相對介電常數(shù)(relative permittivity或dielectric constant)，又稱誘電率，與頻率相關。介電常數(shù)是相對介電常數(shù)與真空中絕對介電常數(shù)乘積。如果有高介電常數(shù)的材料放在電場中，電場的強度會在電介質內有可觀的下降。理想導體的相對介電常數(shù)雖然為1，但是由于無窮大的電導率導致趨膚深度為零，所以內部場強總為零形成電磁屏蔽。介電常數(shù)（又稱電容率），以表示，=r*0，0為真空絕對介電常數(shù)，0=8.85*10(-12)F/m。需要強調的是，一種材料的介電常數(shù)值與測試的頻率密切相關。一個電容板中充入介電常數(shù)為的物

26、質后電容變大r倍。電介質有使空間比起實際尺寸變得更大或更小的屬性。例如，當一個電介質材料放在兩個電荷之間，它會減少作用在它們之間的力，就像它們被移遠了一樣。當電磁波穿過電介質，波的速度被減小，有更短的波長。根據(jù)物質的介電常數(shù)可以判別高分子材料的極性大小。通常，相對介電常數(shù)大于3.6的物質為極性物質；相對介電常數(shù)在2.83.6范圍內的物質為弱極性物質；相對介電常數(shù)小于2.8為非極性物質。物質的介電常數(shù)是不同的，是有物質本身的特性所決定的，根據(jù)這個特點，食用油和地溝油的介電常數(shù)也是有所區(qū)別的，根據(jù)這個用來區(qū)分標準油以及地溝油的依據(jù)。電介質與電導體不同，電導體中存在著大量可自由移動的帶電粒子(如電子

27、等)，在外加電場的作用下，帶電粒子的定向移動即形成電流。理想的電介質中不存在可自由移動的帶電粒子，在外加電場的作用下，電介質的表面會形成一些束縛電荷，束縛電荷構建起的內建電場具有抵抗外加電場的作用。從物質材料的導電性來說，有導體、半導體和絕緣體3類劃分，但從嚴格的意義上來說，并沒有哪一種物體是絕對不導電的，只是3類材料的導電機理與導電性有比較大的差異而已。理想的電介質是不導電的，因而電介質也是電絕緣的。組成電介質的原子或分子中的正負電荷束縛得很緊，在一般條件下不能相互分離，因此在電介質內部能作自由運動的電荷(電子)極少。一般情況下，電介質的存在方式主要有有固態(tài)、氣態(tài)和液態(tài)這三種情況。例如，空氣

28、即是一種常態(tài)為氣態(tài)的電介質;潤滑油是一種常態(tài)為液態(tài)的電介質;大量的絕緣材料(印刷電路板基材等)是常態(tài)為固態(tài)的電介質。真空是沒有原子和分子的，也是不導電的，因而真空也具有理想電介質的許多特性。在有關電介質的應用及研究中常將真空選作一個標準的參照。空氣的電介質特性與真空的情況相近似，實際中也常將空氣中的情況等同于真空來處理。我們通常所說的介電常數(shù)，就是指介質相對于真空中介電常數(shù)的倍數(shù)，即相對介電常數(shù)?？諝獾慕殡姵?shù)為1.0005，就表是空氣中這個常量是真空中的1.0005倍。2.2 一般傳感器的組成以及分類傳感器是將被檢測物體的不是電信號量轉換成電信號的設備或者部件，常常按照某一規(guī)律按照某一精確度

29、把被測量轉換為和自身有一定對應關系的、方便運用的某一檢測輸出信號的設備，通常情況下有敏感元器件、換元器件及其輔助環(huán)節(jié)組成。在檢測系統(tǒng)中有著一定的重要作用，決定著檢測電路的特性優(yōu)良。傳感器通常有敏感元件、轉換元件、所對應輔助環(huán)節(jié)構成。(1)敏感元件指能夠敏銳地感受被測變化量并做出特定回應的元件。能夠感受到直接的傳感器測量的部分。不同的傳感器，它的敏感元件是不同的。傳感器的輸出與被測物理量來確定總的物理關系仍然是非電量。(2)轉換元件一般指的是傳感器的電氣信號的測量，為方便運輸或可測量將敏銳地感覺或反應的組成部分。如果轉換組件是可變的電位器，通過移動刷，這將改變位移輸入電阻。輔助電源是一般傳感器轉

30、化元件所必備的配件。(3)輔助環(huán)節(jié)一般是指支持測得的部分轉換成電能的一部分。如轉換元件的電路參數(shù)，輔助鏈路參數(shù)可以被轉換成電壓，頻率和其他形式的能源。到目前為止，傳感器原理，不同種類，根據(jù)不同的標準，可以有多種劃分。目前，常用有以下兩種劃分。按工作性質分，如圖2.l ；按照工作原理劃分，如圖2.2所示。圖2.1 傳感器按照性質劃分圖2.2 傳感器按照工作原理劃分2.3 一般傳感器的基本特性在現(xiàn)代的實驗和生產(chǎn)，參數(shù)應控制和檢測的不同，它要求傳感器可以檢測從測量的變化，并將其轉換為可用的信號和測量的某種確定的函數(shù)關系，傳感器的基本特性決定了傳感器相關的和準確的完成檢測任務傳感器的靜態(tài)性能的靈敏度，

31、線性度，精確程度。(1)靈敏度:輸出與輸入特性曲線的斜率。(2)線性度:又稱非線性誤差。(3)精確度:精度反映傳感器測量結果與真值得接近程度。傳感器的動態(tài)性能，傳感器的動態(tài)特性測量傳感器的輸出信號的動態(tài)響應特性的傳感器，用于時變輸入，體現(xiàn)傳感器在測量動態(tài)信號時的一種能力。對于數(shù)字傳感器，主要的問題是在工作上，不要失去數(shù)。因此，變化的速度輸入量是一個關鍵因素。所以，數(shù)字式傳感器動態(tài)特性指標是:輸入量的臨界速度。2.4 平行板電容傳感器的設計電容傳感器通常可以分為變化間隙式、變化介電常數(shù)式、變化相對面積式。本章主要通過分析傳統(tǒng)結構的電容傳感器在食用油品質測量使用中的情況，得到新型的叉指電容傳感器結

32、構。在食用油品質測量的研究當中，主要是變介電常數(shù)式。電介質有著極其廣泛的應用，但最基本的應用還是用來制作電容器。通過電介質的束縛電荷效應可以有效地增大電容器的電容量，具體推理如下所示圖2.3平行板電容器原理模型圖2.3為填充有電介質的平板電容器在外加電場情況下的示意圖。電容器的電容量與極板尺寸大小以及其電介質的性質有關。對于圖2.1所示的平行極板電容器來說，其電容量可表示為: 其中，C為極板間電容;d為極板間距離;r:為極板間介質的相對介電常數(shù);0為真空中的介電常數(shù)，值為8.8542×10-12 F/m; A為極板間有效面積。如圖2.3所示為平板電容式傳感器的傳統(tǒng)結構，電容器的兩相對

33、極板的面積S、極板間距離d和介質間的相對介電常數(shù)與電容量C有關。當保持兩極板面積S不變，間距d保持不變時，電容量C與兩極板間介質的相對介電常數(shù)線性相關。這種電容量的變化可通過與之相對應的外接的檢測電路將電容的變化量轉換成頻率、電流、電壓等電信號的變化，根據(jù)輸出信號的變化可以從測量的電容變化信息的獲取。經(jīng)過對平行板進行多次試驗，最后確定了電容傳感器的極板為正方形S(邊長為2cm)和板間距離d為3cm。當平行板電容傳感器處于空氣中時，可以檢查到一個微弱的電容值，當平行板電容傳感器中間填充了各種油質之后，整個平行板電容傳感器的介電常數(shù)發(fā)生變化，于是平行板電容傳感器的電容值也發(fā)生了相應的變化，通過不同

34、油在相同的平行板電容傳感器中，最后平行板電容傳感器的電容值的不同，可以用公式求出各種油的相對介電常數(shù)。3 檢測系統(tǒng)的硬件設計以及實現(xiàn)3.1 幾種常用的電容檢測電路對于由于電容無法直接測量，目前用于電容測量電路主要有充放電法和交流法，其基本原理是被測電容由外加電場連續(xù)進行充放電，通過測讀取電容兩端的電流或電壓信號，計算出所測電容值。目前主要有四種類型:振蕩器式、諧振式、充/放電、AC橋式。1.振蕩法電容測量電路振蕩法又稱調頻法，其測量原理如圖2-2所示，將待測電容作為振蕩電路的一部分，由電容的變化轉化為振蕩電路的頻率的變化，該頻率信號經(jīng)過限幅、鑒頻、放大處理后可由微控制器采樣處理，以反算出電容值

35、。圖3.1 調頻法電容測量電路由上可得:式中:L一振蕩電感，C一振蕩總電容C一般由待測電容Cx,電感分布電容C0組成。2.諧振法電容測量電路諧振法電容測量電路原理如圖2-3所示，電容傳感器的電容Cx、C1、L2、C2及與組成諧振回路，通過電感藕合從穩(wěn)定的高頻振蕩器中取得回路振蕩電壓，當傳感器工作時，由Cx發(fā)生變化，得到諧振回路的阻抗隨之發(fā)生變化，經(jīng)過信號處理后，得到相應的電壓變化。圖3.2 諧振法電容檢測電路原理圖3.充/放電式電容測量電路充/放電式電容測量電路有多種形式，包括二極管雙T型交流電路和脈沖調寬電路。圖2-4為雙T二極管交流電橋法電容測量原理圖，圖2-5為交流信號Usc為正半周及負

36、半周時的雙T二極管交流電橋等效電路。由圖2-5可看出創(chuàng)衍為正是電容乙放電，6充電，電源電壓為負時，反之?？捎嬎愠鲚敵鲭妷篣o:當電阻R1=R2=R，參考電阻Rf已知時，且令:則式中f為電源頻率。當電源Usc已知，該測量電路輸出電壓Uo只與電容C1、C2有關，若C1=C2，則在一個周期內流經(jīng)Rf的電流為0。圖3.3 雙T二極管交流電橋原理圖4. AC橋式電容測量電路AC橋式又分為運算放大式電路和電橋電路，這里以運算放大式電路為例，介紹電橋法電容測量電路原理，圖3.4所示為運算放大式電路原理圖。圖3.4 運算放大器電容檢測電路原理圖圖中Cx為待測電容，其一極板接激勵電源Usc，另一極板作為檢測電極

37、，有運算放大器的虛短與虛斷原理，則放大器的輸出電壓為:可見輸出電壓與待測電容為正相關。3.2 基于AD7746的電容檢測方案設計由于被測量的變化數(shù)值被電容傳感器檢測到很小，因此需要進行放大處理，這樣才能進一步進行分析處理。在信號傳輸?shù)倪^程當中，可能混入許許多多的干擾信號，所以就需要把這些干擾信號濾除掉。在濾除干擾，提高測量精度和靈敏度得情況下，模擬電路就會適當?shù)脑黾?，硬件電路的復雜程度也會增加，這樣導致結果是大量的分立元件的使用大大增加了系統(tǒng)的寄生電容。在上一章節(jié)常用的測量方法中，對它們的一些優(yōu)缺點進行了說明，然而復雜的電路設計、冗長的原型評估流程和要求很高的系統(tǒng)測試通常會使設計工程師轉而尋求

38、不同的傳感器。他們常常選擇較昂貴或者精度稍低的傳感器。ADI公司最近發(fā)布了一系列電容測量芯片，它們以單芯片實現(xiàn)了以前需要大量分立元件支持的，傳統(tǒng)模擬電壓數(shù)字轉換器才能達到的精度水平，并且相比傳統(tǒng)的多芯片解決方案，大大降低了成本，解決了從電容到數(shù)字直接轉換的復雜而困難的信號處理難題。正確有效地應用它們，就能夠迅速建立起電容測量系統(tǒng)，提高精度，加快整個系統(tǒng)的研制速度。AD7746是一款高分辨率、電容數(shù)字轉換器(CDC)芯片，支持7位尋址模式，可直接與電容傳感器的電容連接進行測量;該芯片還具有高分辨率(24位無失碼、最高21位有效分辨率)、高線性度(±0.01 %)和高精度(±4

39、fF廠商校準)等固有特性;AD7746的輸入可變電容范圍是±4pF，同時可測量最大固定值為17pF的共模電容，可通過一個可編程片內數(shù)字電容轉換器(CAPDAC)來平衡;AD7746擁有兩個電容測量通道，每個通道均可配置為單端輸入或差分輸入方式;AD7746針對浮動式電容傳感器而設計;這些器件內置一個片內溫度傳感器，其分辨率為0.1oC，精度為±2oC;還集成片內基準電壓源和片內時鐘發(fā)生器，因此AD7746在電容傳感器應用中無需任何額外外部元器件;AD7746有一個雙線式IZC兼容串行接口，可采用2.6V至5.25V單電源供電，可工作在-40o C至+125o C溫度范圍。A

40、D7746的核是一個高精度的轉換器包括一個二階調制器(或充電平衡型)和一個三階數(shù)字濾波器，用作電容量到數(shù)字信號的轉換以及輸入電壓或溫度傳感器電壓信號的AD轉換，其內部結構圖如圖3.5所示。圖3.5 AD7746內部結構框圖圖3.6 AD7746芯片引腳功能圖本設計采用單相模式電容輸入，即把AD7746的激勵端EXC'和電容器輸入端CIN分別接至電容傳感器的兩電極，其原理框圖如圖4所示。其中，電容測量通道的激勵端EXC'和電容器輸入端CIN必須遠離電壓快速變化的走線。圖3.7 AD7746與平行班電容器鏈接原理雖然該系列測試芯片可以達到很高的分辨率和精度，但由于環(huán)境對電容傳感器的

41、影響較大，在測量過程中不可避免的要引入測量誤差。誤差來源主要有寄生電容的干擾，溫度變化導致的電解質介電常數(shù)的變化。除了考慮合理的電路布局要達到理想的測試精度，必須屏蔽或消除干擾，至少降低到可以接受的范圍，補償溫度變化?？刂破骱碗娙轀y量芯片AD7746采用3.3V電源均供，使用外接低阻抗電容的辦法來減少電源對地的禍合作用，在圖3.10中，采用并聯(lián)C1和C2 (C1=0.1pF, C2=10pF)的方法來解決此問題。AD7746提供了32kHz激勵頻率，保證傳感器系統(tǒng)有足夠的帶寬，可避免與電源電壓中的雜波發(fā)生禍合，被測電容與芯片之間采用固定的連接模式，以消除或減少可變寄生電容。穩(wěn)定寄生電容可以通過

42、電容偏移標定消除，我們只需寫CAPOFFSET寄存器即可完成。大多數(shù)情況下都需要溫度補償。溫度的變化可以用溫度傳感器測量，通過軟件進行補償。微控制器STM32F103內部集成了I2C接口，I2C(內部集成電路)總線接口掌控了微控制器與串行I2C總線之間的通信，可以在多主或從模式運作，并控制I2C總線特定時序、協(xié)議、仲裁和時間。它支持標準的速度模式和快速模式，支持7位和10位尋址模式，多個7位從地址，同樣也兼容SMBus(系統(tǒng)管理總線)和PMBus(電源管理總線)。I2C除了接收和發(fā)送數(shù)據(jù)外，該接口可將它從串行轉換到并口模式，反之亦然。I2C總線是由數(shù)據(jù)引腳SDA和時鐘引腳SCL連接的，還包括可

43、編程的模擬和數(shù)字噪聲濾波器。要控制I2C總線上的AD7746芯片，必須遵循以下協(xié)議。首先，微控制器通過建立開始條件發(fā)起數(shù)據(jù)傳送，起始條件定義為SCL為高時，SDA由高向低的跳變。這表明后面跟的是開始字節(jié)。8位開始字節(jié)由7位地址和一個讀/寫標識位組成。芯片讀寫時序圖如圖3.14所示。讀/寫(R/W)位決定了數(shù)據(jù)的傳輸方向。開始字節(jié)的最低位為邏輯0表示向指定地址的外設寫信息。這種情況下AD7746就是從收者，開始字節(jié)的最低位為邏輯1表示微控制器從指定地址的外設讀信息。這種情況下，AD7746變成了從發(fā)送者。在所有情況下，AD7746在總線上都是作為從器件。AD7746的開始字節(jié)地址，寫時是0x90

44、，讀時是0x91。芯片讀寫操作圖按圖3.15所示進行。讀操作和寫操作類似，下面只介紹讀寄存器的操作。圖3.8 AD7746芯片讀寫時序圖圖3.9 AD7746讀寫操作圖當在開始字節(jié)里選擇讀操作時，地址指針尋址的寄存器內容就AD7746傳輸?shù)絊DA線上了。單片機進行時鐘輸出，AD7746就等待單片機的確認。如果它接收到單片機的確認，地址自動增量寄存器就自動地增加地址指針的值，輸出下一個指定地址的寄存器內容到SDA線上，傳輸?shù)轿⒖刂破?。如果沒有收到確認位，AD7746就返回到空閑狀態(tài)，地址指針就不再增加。地址指針自動增量寄存器允許數(shù)據(jù)塊從開始地址進行讀寫。在連續(xù)轉換模式下，地址指針的自動增量寄存器

45、需要在讀轉換結果時用。這就意味著，這三個字節(jié)需要用一條多字節(jié)來讀取指令，而不是用三條獨立的單字節(jié)指令。單字節(jié)指令可能導致兩個不同結果混淆起來。同樣如果電容通道或者電壓通道都使能的話，就要使用多字節(jié)來讀指令讀取六個字節(jié)。用戶也可以對任意唯一的寄存器(地址)進行一對一訪問，而不管其它寄存器。地址指針寄存器內容不能讀取。如果地址指針字節(jié)后是重復開始條件，則總線上所有的器件就如開始條件時那樣進行響應，重新開始條件與開始條件是一樣的。當單片機發(fā)出停止條件時，它就放棄了對總線的控制，允許其它的主器件接管總線。因此微控制器可以通過發(fā)出重復開始條件實現(xiàn)對總線的連續(xù)控制。AD7746系列芯片內部均有19個寄存器

46、，可以分為三類:狀態(tài)寄存器、數(shù)據(jù)存儲寄存器和設置寄存器。狀態(tài)寄存器地址指針0x00，只讀，默認值0x07。該寄存器指示轉換器的狀態(tài)。管腳反映在狀態(tài)寄存器的RDY。因此，RDY腳由高向低的跳變也可以用來作為轉換完成的指示。RDYVT和RDYCAP位為0分別表示溫度通道和電容通道的轉換完成可以度數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)寄存器主要用來存儲轉換結果。CAP DATA H, CAP DATA M和CAP DATA L分別存放電容轉換完成后數(shù)值的高、中和低位。VT DATA H, VT DATA M和VTDATAL分別存放溫度轉換完成后數(shù)值的高、中和低位。設置寄存器的功能主要是設置芯片的功能。通過設置CAP SETUP

47、寄存器使能電容通道，(AD7746選擇電容通道)，選擇電容通道工作模式。VTSETUP寄存器使能和配置溫度轉換通道。EXC SETUP配置激勵信號CONFIGURATION設置芯片數(shù)據(jù)轉換頻率和工作狀態(tài)。CAP DAC和CAP OFFSET寄存器分別設定DAC ,電容偏移值。3.3 基于STM32的信息處理模塊設計由于高精度電容檢測芯片AD7746是通過I2C串行接口對寄存器進行數(shù)據(jù)讀取，所以本設計的信號處理模塊采用帶有IZC串口的微控制STM32F103進行信號處理與控制，與單片機相比，它減少了軟件開銷，可以直接利用其函數(shù)庫就可以進行調試，它可對AD7746內部寄存器進行設置和測量數(shù)據(jù)的讀取

48、，利用在線編程軟件對測量數(shù)據(jù)進行分析與處理，再把測量到的結果通過LCD1602進行顯示。STM32F103系列芯片編程手冊提供了應用程序和系統(tǒng)級軟件開發(fā)人員的信息。它給出了關于STM32 CortexTM-M3處理器編程模式、指令集和核心設備的完整信息。它采用高性能的ARM CortexTM-M3的32位RISC內核，因此與所有的ARM工具和軟件兼容。最大工作頻率可達48MHz, 16K到64K字節(jié)的閃存，帶有硬件奇偶校驗的8K字節(jié)SRAM，并廣泛集成增強型外設和I/O口;提供了多達兩個I2C、兩個USART、兩個SPI和一個I2S等標準的通信接口;一個12位ADC(多達16個通道)，一個12

49、位DAC，多達11個定時器和一個高級控制PWM定時器;工作環(huán)境溫度在一40至+105 0C溫度范圍，工作電源電壓可使用2.0至3.6V之間;具有從32個引腳到64個引腳不等的三種不同的封裝，各自的外設各不相同;具有一套全面的為低功耗應用設計準備的省電模式的性能。這些功能特點使得STM32F103系列微控制器系列在控制和用戶界面，手持設備，A/V接收機和數(shù)字電視，PC外設，游戲和GPS平臺，工業(yè)應用，可編程控制器，逆變器，打印機，掃描儀，報警系統(tǒng)，視頻對講，HVACs等領域得到了廣泛的應用。3.4 數(shù)據(jù)顯示模塊設計本設計顯示模塊采用LCD 1602，主要負責顯示測量到的電容值數(shù)據(jù)及測量結果和預警

50、信息，符合測量結果的要求，因此就選擇它作為顯示模塊。LCD 1602是常用的液晶顯示屏，它顯示的內容為16*2，即可以顯示兩行，每行16個字符，目前絕大多數(shù)字符液晶基于HD44780液晶芯片的，因此對LCD 1602的編程可以參考HD44780的控制程序來編寫。LCD1602一般分為5V和3. 3V兩種，而此次選用STM32F103微控制器芯片其電壓類型為3.3V，因此選取LCD 1602應使用3.3 V類型的，如果選用5V類型的則需額外增加電平轉換電路。LCD 1602液晶模塊內部的控制器具有11條控制指令，如圖3.10所示。圖3.10 LCD1602引腳功能圖3.5 硬件電路抗干擾設計電路

51、設計中重要一環(huán)就是印制電路板抗干擾技術的設計。本設計的硬件電路抗干擾技術有:首先要在各個關鍵部位加上去藕電容，在電源輸入端接上一個10-100F電解電容和在每個集成芯片的電源端加上一個0.01F的陶瓷電容確保電源電壓保持穩(wěn)定;其次，在進行PCB布線時，元器件面和焊接面的各印刷引線盡量相互垂直，以減小寄生電容，盡可能不在集成芯片引腳之間走線。4 檢測系統(tǒng)軟件程序設計方案4.1 軟件系統(tǒng)總體設計思路以及采用開發(fā)環(huán)境系統(tǒng)程序設計、調試過程及其難易程度與開發(fā)環(huán)境密切相關，尤其是在面向MCU的程序設計當中顯得十分重要。一個完善的應用程序開發(fā)環(huán)境可使程序設計簡單化、程序開發(fā)周期更短。開發(fā)環(huán)境具有編輯器、編

52、譯器、調試器，源程序編輯、編譯、下載、調試全部可以在一個環(huán)境下完成的功能特點，并可以進行軟件仿真(不用仿真器也能模擬用戶程序)和硬件仿真。應用程序開發(fā)環(huán)境，首先能夠實現(xiàn)程序與MCU的快速通信，方便應用程序讀取數(shù)據(jù)，其次要有方便的程序調試工具，如單步、連續(xù)、設斷點運行等，能修改程序指令及查詢程序運行狀態(tài)。本課題采用Keil Vision4版本開發(fā)環(huán)境進行程序設計，如圖4.1所示，它是由ARM公司發(fā)布的，可支持基于ARM的STM32F103系列微控器。Keil Vision4擁有一流的C語言編程環(huán)境以及一些高級功能，如語法高亮顯示、代碼折迭和展開、快速點擊導航變量和函數(shù)定義及聲明等。Keil Vi

53、sion4窗口管理系統(tǒng)非常靈活，使開發(fā)人員能夠使用多臺監(jiān)視器，并提供了視覺上的表面對窗口位置的完全控制的任何地方。新的用戶界面可以更好地利用屏幕空間和更有效地組織多個窗口，為開發(fā)應用程序提供一個整潔，高效的環(huán)境; Keil Vision4不僅支持C語言，還支持匯編語言，同時也允許在同一個項目中自由地進行匯編語言和C語言的混合編程;對外部內存的讀/寫訪問是透明的;KeilVision4還擁有廣泛的庫支持，包括PWM,SPI, I2C, DART、字符串操作和數(shù)學函數(shù)庫;數(shù)據(jù)和代碼的存儲空間分配能夠被用戶完全控制。其編譯器、調試工具能夠與ARM器件實現(xiàn)最完美的匹配。圖4.1 KeilVision4

54、開發(fā)環(huán)境4.2 AD7746電容數(shù)據(jù)采集以及處理程序電容芯片AD7746的數(shù)據(jù)采集是通過編寫I2C驅動模塊實現(xiàn)對電容芯片AD7746的命令控制和電容值數(shù)據(jù)的采集，其中子功能主要有:系統(tǒng)程序初始化(主要包括I2C總線通信協(xié)議的實現(xiàn)和電容采集芯片AD7746寄存器的初始化設置)，電容芯片AD7746的數(shù)據(jù)采集處理程序設計。I2C串行總線只有數(shù)據(jù)線引腳SDA和時鐘線引腳SCL兩種信號線。I2C總線進行數(shù)據(jù)傳送時，時鐘信號為高電平期間，數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定，只有在時鐘線上的信號為低電平期間，數(shù)據(jù)線上的高電平或低電平狀態(tài)才允許變化;當SCL線為高電平時，SDA線由高電平向低電平的變化表示起始信號;當SCL線為高電平時，SDA線由低電平向高電平的變化表示終止信號，其讀寫時序如圖4.2所示。圖4.2 I2C總線時序圖I2C協(xié)議總線在傳送數(shù)據(jù)過程中共有三種類型信號:開始信號、停止信號和應答信號。(l)開始信號:SCL保持高電平的狀態(tài)下，SDA出現(xiàn)下降沿。出現(xiàn)開始信號以后，總線被認為“忙”，其信號時序如圖4.3所示。圖4.3 I2C起始信號時序圖(2)停止信號:SCL保持高電平的狀態(tài)下，SDA出現(xiàn)上升沿。停止信號過后，總線被認為“空閑”，其信號時序如圖4.4所示。圖4.4 I2C停止信號時序圖(3)應答信號:接收數(shù)據(jù)的器件在接收到8位數(shù)據(jù)后，向發(fā)送數(shù)據(jù)的器件發(fā)出特定的低