毕业论文——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，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，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。（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，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指令集计算机RISC(Reduced Instruction Set Computer)、哈佛双总线和两级指令流水线结构的高性价比8位嵌入式控制器。其高速度(每条指令最快可达到160ns)、低工作电压(最低工作电压为3V)、低功耗、较大的LED驱动能力(灌电流可以达到25mA)、一次性编程OTP(One Time Programmable)芯片的低价位(最低的不到8元人民币)、小体积(8引脚)、指令简单、易用易学等，都体现微控制器工业发展的新趋势。PIC系列微控制器在世界微控制器的市场份额排名中逐年上升，已经成为一种新的8位微控制器的世界标准和最有影响力的主流嵌入式控制器。较之于常用的其他类型的微控制器，PIC系列微控制器具有明显的优越性。3.2PIC系列微控制器的优点2425PIC系列微控制器的突出特点是体积小，功耗低，精简指令集，抗干扰性好，有较强的模拟接口，代码保密性好。在一些小型的应用中，比传统的51单片机更加灵活，外围电路更少，因而得到了广泛的应用。另外其较少的指令及较强的实用功能更为许多微控制器初学者之首选品牌，以下分几方面介绍它的优越之处：（1） 哈佛总线结构。PIC系列微控制器不仅采用了哈佛体系结构，而且还采用了哈佛总线结构。在PIC系列微控制器中采用的这种哈佛总线结构，就是在芯片内部将数据总线与指令总线分开，并且采用不同的宽度。而在一般的微控制器中，指令总线和数据总线是共用的。（2） 精简指令集（RISC）技术。PIC系列微控制器的指令系统只有35条指今，这给指令的学习、记忆、理解带来很大的好处，也给程序的编写、阅读、调试、修改、交流带来极大的便利。（3） 寻址方式简单26。PIC系列微控制器只有4种寻址方式，即寄存器间接寻址、立即数寻址、直接寻址和位寻址，而MCS-51单片机为7种寻址方式，68HC05微控制器为6种。（4） 功耗低。PIC系列微控制器的功率消耗极低，是目前世界上功耗最低的微控制器品种之一。其中有些型号，在4MHz时钟下工作耗电不超过2mA，在睡眠模式下耗电可以低到luA以下。（5） 驱动能力强。1/0 端口驱动负载的能力较强，每个I/O引脚输入和输出电流的最大值可分别达到25mA和20mA，能够直接驱动发光二极管、光电耦合器或者微型继电器等。3.3食用油检测装置的MCU芯片选型由于微控制器要对AD7746发送过来的数据进行采集、分析和处理，并完成多种操作功能，所以其I/O端口的驱动能力要足够强，对事件的反应速度要足够快，且由于电容传感器对外部干扰极为敏感，因此还要求微控制器具有良好的抗干扰能力。PIC16F877是Microchip公司推出的一款特色鲜明的产品，它最重要的优点是可以实现在线调试和在线编程。在PIC16F87X系列中，PIC16F877囊括了其他类型微控制器的功能，其他各款微控制器都是在它的功能的基础上通过部分精简而得来的。所以本系统采用高效可靠的PIC16F877微控制器，它是美国Microchip公司生产的中档微控制器，采用全新的流水线结构、单字节指令体系，嵌入Flash以及看门狗定时器，指令精减(只有35条指令)，ICSP(在线编程)方便可调。PIC16F877的封装图见图3.1。图3.1 PIC16F877的封装图另外，PIC16F877微控制器同时具有I2C串行通信模块，因此，微控制器无需扩展外部电路就可以直接与电容检测芯片AD7746进行通信。所以，食用油检测装置选用PIC16F877微控制器作为系统的主芯片，这样将使检测装置的硬件电路简单可靠，软件编制方便，系统整体性能得以提高。3.4PIC16F877的I2C总线I2C27总线是由菲利浦半导体公司在八十年代初设计出来的，主要是用来连接整体电路(ICS)。I2C是一种多向控制总线，也就是说多个芯片可以连接到同一总线结构下，同时每个芯片都可以作为实施数据传输的控制源。I2C串行总线一般有两根信号线，一根是双向的数据线SDA，另一根是时钟线SCL。所有接到I2C总线设备上的串行数据线SDA都接到总线的SDA上，各设备的时钟线SCL接到总线的SCL上。目前，51、96系列的微控制器应用很广，但是由于它们都没有I2C总线接口，从而限制了在这些系统中使用具有I2C总线接口的器件。而PIC16F877在芯片内部集成了I2C模块，这也是本设计选用PIC16F877作为主芯片的原因之一。Microchip公司按I2C总线规范开发的内部配置了I2C总线接口的PIC16F877系列微控制器，其I2C总线接口的主要技术性能如下：工作速率可以兼容100Kb/s和400Kb/s两种标准；既支持主控器工作模式，也支持被控器工作模式；支持多机通信方式以及时钟仲裁和总线仲裁功能；既可用7位寻址方式，也可用10位寻址方式；支持广播式寻址(或称为通用呼叫地址寻址)方式；信号线电平可以兼容I2C和SMBus两种总线规范；硬件上可以自动检测总线冲突、启动信号和停止信号，并且产生中断标志。鉴于以上特点，选用PIC16F877微控制器的I2C总线方式与电容检测芯片AD7746进行通信。4电容检测芯片AD77464.1AD7746概述AD77462829是由美国ADI公司最新推出的一款24位电容式带有片上温度传感器的数字转换器(CDC)，片内自带电压参考和时钟发生器，并内置可编程补偿电路，其原理框图如图4.1所示。AD7746具有较高的分辨率、准确度和线性度等内在特性，采用了ADI公司CDC专业的高精度-技术，具有5 AF/Hz的低噪性能以及不大于1mA的低功耗。AD7746应用广泛，适合于工业、汽车以及消费类、检测应用等。标准的-ADC通过在芯片内的固定电容器和外界输入电压之间切换实现转换，而AD7746的-电路做了改进，即用固定输入电压和可变电容器之间切换实现转换。这里，固定输入电压为片内电压激励(250kHz的方波信号)，可变电容器即为待测电容。图4.1 AD7746的原理框图AD7746可直接连待测电容器，测得电容值转换成数字量后存放于片内3个连续的寄存器内。测量可变电容的范围为4pF，可通过在片可编程补偿设置017 pF的偏置。其2组电容测量输入通道均可接成单端浮地或差分浮地形式。AD7746采用I2C串行接口，可以方便地利用微控制器进行控制和修正。片内共有19个寄存器，其中，与电容测量有关的主要有电容值寄存器、激励模式寄存器、测量通道寄存器、测量模式寄存器、片内补偿设置寄存器、偏置设置寄存器等。4.2AD7746的引脚AD7746采用小型16引脚TSSOP封装，其封装图如图4.2所示。该器件采用单电源供电，供电范围为2.7 V5.25 V。图4.2 AD7746的封装图在本设计中，通过PIC16F877微控制器对AD7746进行编程控制，读写器件内部各寄存器的数值，然后通过微控制器进行处理，最终将计算结果送至显示器进行显示。各引脚功能描述如表4.1所示。表4.1 AD7746的引脚功能描述引脚号引脚名功 能1SCL时钟输入。需要外加上拉电阻2逻辑输出。低电平表示使能引脚转换完成，新的数据可以利用。该引脚不用时应该悬空3，4EXCA，EXCBCDC激励输出。被测电容应接于EXC和CIN之间。如果不用，需悬空5，6REFIN(+)，REFIN(-)差分电压参考输入。如果不用，需悬空或者与地连接7CIN1(-)差分模式下负端电容输入。如果不用，需悬空或者与地连接8CIN1(+)差分模式下正端电容输入或者单相模式下电容输入。如果不用，需悬空或者与地连接9CIN2(+)差分模式下第二个正端电容输入或者单相模式下电容输入。如果不用，需悬空或者与地连接10CIN2(-)差分模式下第二个负端电容输入。如果不用，需悬空或者与地连接11，12VIN(+)，VIN(-)差分电压输入。如果不用，需悬空或者与地连接13GND地14VDD电源15NC空脚16SDA双向数据传输。与主机数据线相连，需上拉电阻4.3AD7746寄存器的设置AD7746内部共有19个8位寄存器，前7个为只读型：第1个为转换状态寄存器，后面6个用于存放电容和温度/电压的转换值。其他11个寄存器的功能依次是：电容设置，温度/电压设置，激励源EXC设置，转换/更新速率配置，电容偏移量设置，电容偏置校准以及电容/电压增益校准。每一个寄存器都有自己特定的地址，如果想对某可写寄存器进行参数修改，只需根据它的地址进行写操作，将待修改的数值写进去即可。通过对电容设置寄存器进行配置，可以有效确定电容的工作通道和工作模式，如表4.2所示。电容设置寄存器默认值为0x00，将CIN1置1，可以启动电容第2通道，为0时，只能使用第1通道。如果外接电容工作于差分模式，CAPDIFF必须置为1。单相模式下工作，CAPDIFF=0。如果CAPCHOP=1，可以使电容通道的转换时间变为原来的两倍，通道噪音也会提高。表4.2 AD7746的电容设置寄存器AD7746内部具有可编程的偏移量设置寄存器，偏移量为0pF17pF。通过软件编程，可改变此转换器的输入量程范围。一般情况下，芯片电容输入量程为4pF，通过设置偏移量后，量程最大可达到21pF。电容偏移量设置寄存器(CAPDAC)如表4.3所示。表4.3 AD7746的偏移量设置寄存器从电容、温度/电压寄存器读出的数字代码与电容、温度/电压都具有一定的关系，二者可进行换算。其他寄存器的配置情况与以上设置寄存器类似。4.4AD7746寄存器的读写寄存器的读写应严格按照器件的读写时序进行。读写时序如图4.3所示。在数据传送中，SDA携带数据，SCL与之同步。不管是读还是写，发送到SDA线上的每个字节必须为8位，每个字节后必须跟一个应答位。但每次传输可以发送的字节数量不受限制。被传送的数据主要由启动信号、地址码、若干数据字节、应答位以及停止信号等组成。在数据传送过程中，当SCL线是高电平时，必须保证SDA线上的数据稳定。传送一个字节的数据，必须由接收机发出一个应答信号。另外，对于数据线SDA和时钟线SCL的高低电平、上升沿、下降沿以及数据建立和保持时间也有一定的限制，在编程时需要按器件说明书进行。图4.3 AD7746的数据传送时序图器件的读写应按图4.4进行操作。读操作包含写的过程，下面只对读操作进行说明。在进行读时，微控制器首先应发出启动信号S，然后向AD7746写入写地址SLAVEADDR，微控制器收到应答信号A(S)后，就可写入内部所需寄存器的地址SUBADDR。当微控制器再次收到应答A(S)后，再发起一次启动信号S，然后即可写器件读地址SLAVEADDR。微控制器第三次收到应答信号A(S)以后，主机、从机之间的握手信号就完成了，之后从机就会源源不断地将器件内部的数据传送出来。在传送数据的过程中，无须再写内部寄存器地址。如果不是专门需要某个寄存器的值，那么内部寄存器的数值就会被依次输出，因为内部寄存器的地址指针具有自动加1功能。图4.4 AD7746的读写顺序逻辑操作图5食用油检测装置的硬件电路设计5.1食用油检测装置的硬件设计原则为了提高食用油检测装置测量的精确度和稳定性，食用油检测装置在设计硬件电路时主要从以下原则出发3031：（1） 硬件电路设计与软件设计相结合以优化硬件电路。一些由硬件实现的功能可用软件来实现，反过来一些由软件实现的功能也可用硬件来完成。用软件来实现硬件的功能时，其响应时间比用硬件实现长，但是用软件实现硬件的功能可以简化硬件结构，提高硬件电路的可靠性，还可降低成本。因此在本系统的设计过程中，在满足可行性和实时性的前提下尽可能地将硬件功能用软件来实现。（2） 可靠性及抗干扰设计。根据可靠性设计理论，系统所用芯片数量越少，系统的平均无故障时间就越长，地址总线、数据总线在电路板上受干扰的可能性就越少。因此微控制器基本系统的设计思想是在满足功能的情况下尽量使用较少数量的芯片。（3） 灵活的功能扩展。一次设计往往不能完全考虑到系统的各个方面，系统需要不断完善，需要进行功能升级。功能扩展时系统应该在原有设计不需要很大改变的情况下，修改软件和少量硬件甚至不修改硬件就能完成。功能扩展是否灵活是衡量一个系统优劣的重要指标。5.2食用油检测装置的硬件设计框图根据设计要求及硬件电路设计原则，食用油检测装置以微控制器PIC16F877为中央处理单元，由电容传感器、微控制器工作电路、电源电路、AD7746与微控制器接口电路、人机接口电路等部分组成。食用油检测装置的硬件框图如图5.1所示。食用油样品电容检测芯片（AD7746）微控制器（PIC16F877）LCD显示（LCD1602C）电 源平行板电容器功能键(三个独立按键)复位键图5.1 食用油检测装置的硬件框图本设计选用AD7746电容数字转换器（CDC）芯片作为传感器信号调理电路，它在一个芯片上集成电容到数字转换需要的所有电路，几乎不需要外部元件便可实现分辨率达到aF量级的电容数字转换，大大降低了设计难度和成本。主控制器选择带有I2C串行接口的PIC16F877微控制器，对AD7746内部寄存器进行设置和电容值的读取。显示模块采用LCD1602C液晶显示，并采用独立按键作为整个系统的输入模块。5.3电容式传感器的设计在本设计中使用了平行板电容式传感器，并用电容检测芯片AD7746对电容量进行测量，从而通过计算可以得到食用油的介电常数。如图5.2所示，两平行极板选用面积为5cm4cm的金属板，极板间距为2cm，即S=5cm4cm=20c=0.002，d=2cm=0.02m，0=8.854210-12F/m。新鲜的各种食用油的相对介电常数大约在2.9-3.0之间，取r=3.0。将以上数据代入式(2.1)中，得到电容值C=2.656pF。而AD7746测量可变电容的范围为4 pF，因此，选用平行板电容器作为食用油检测装置的电容式传感器是合理的。S=5cm4cmd=2cm极板A极板B+ + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _图5.2 食用油检测装置的平行板电容器在本设计中，AD7746按单相模式工作，即AD7746的电容器输入“CIN”和激励“EXC”分别接待测电容器的两极板，设置测量通道寄存器为单端测量；设置测量模式寄存器为连续模式；设置片内补偿寄存器为4pF，使测量电容范围为08pF。另外，如图5.3所示，AD7746测得电容值包含了待测极板电容和附加电容，即 C极板=C测量-C附加 (5.1)式中：C极板平行板电容器两极板间的电容值，pF； C测量微控制器实际测量到的电容值，pF； C附加平行板电容器放在空气中的电容值，pF。其中，附加电容可以通过在极板连接处断开待测电容进行测量所得，也可采用比较电容法进行更精确的测量。虽然AD7746具有可编程补偿能力，但为了保证系统可靠运行和高精度测量，还要解决好外围电路的抗干扰和屏蔽等问题。图5.3 AD7746与平行板电容器的接口示意图5.4微控制器的工作电路食用油检测装置的MCU工作电路主要由时钟电路、复位电路两部分组成，如图5.4所示。发光二极管D0用于指示食用油检测装置是否已经正常通电。图5.4 微控制器的工作电路图5.4.1时钟电路时钟电路也叫振荡电路。微控制器本身是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，必须有唯一一个时钟信号，作为时基发生器的时钟振荡电路，为整个微控制器芯片内部各部分电路的工作提供系统时钟信号，也为微控制器与其它外接芯片之间的通信以及与其它数字系统之间的通信，提供可靠的同步时钟信号。所以可以说，时钟电路是维持微控制器正常运转的一种片内必不可少的关键功能部件。PIC微控制器的时钟电路设计了4种工作模式：标准XT、高速HS、低频LP和阻容RC。在PIC微控制器内有一个高增益方向放大器，其输入端为芯片引脚OSC1，输出端为引脚OSC2，在芯片外部通过这两个引脚跨接4MHz的石英晶振和微调电容，形成反馈电路，构成一个稳定的自激振荡器。微控制器的工作频率取决于晶振的固有频率，晶振的频率越高，则系统的时钟频率也越高，微控制器运行速度也就越快。为了获取相对比较稳定的振荡时序信号，本设计的时钟电路采用XT方式，选用4MHZ晶体振荡器，两个电容选为15pF，电容稍有变化，对微控制器的工作频率影响不大。将晶体振荡器和两个电容连到OSC1和OSC2引脚上，结合PIC16F877微控制器内部的振荡电路构成完整振荡电路。5.4.2复位电路复位电路是微控制器的一个重要电路，复位电路的功能就是使微控制器重新从头开始执行程序，其目标是确保微控制器运行过程有一个良好的开端。在PIC16F877微控制器中，复位方式有：上电复位、人工复位、看门狗复位和电源欠压复位。依据 PIC16F877微控制器低电平复位和复位时间为5ms的要求，本系统采用上电复位和人工复位相结合的方式。上电复位是在微控制器加电，VDD上升到1.6-1.8V时，上电复位电路提供一个复位脉冲直接复位。设计上电延时复位电路时应考虑的是电源电压VDD的上升时间，与供电电源及电源所负担的整个微控制器应用系统内各部分电路以及其它因素有关。按键复位是通过按键产生的负脉冲进行复位。在PIC16F877微控制器中，引脚是复位信号的输入端，复位信号是低电平有效。在复位前，引脚应处于高电平，这样只要按键按下就可以实现微控制器的复位。5.5食用油检测装置的电源模块设计一个系统要想工作最起码要有供电电源，食用油检测装置中的PIC16F877微控制器、AD7746、LCD1602C均采用5V直流供电，因此需要设计5V直流电源。在本论文中设计的电源是由变压器、整流桥、三端稳压块LM7805、两个滤波电容及LED显示器组成的。C3、C4分别为输入端和输出端滤波电容。整流桥是由4个二极管IN4001组成，电阻R3和发光二极管D1组成电源指示灯，当接通电源，指示灯会被点亮，断开或市电供电停止时，指示灯就会熄灭。变压器用的输入电压为AC220V，频率为50Hz，输出电压为AC8V。电源模块的输出电压为DC5V，输出电流最大可达1A。食用油检测装置的电源模块原理图如图5.5所示。图5.5 食用油检测装置的电源模块原理图5.6AD7746与微控制器接口电路设计AD7746有两个外接电容通道，即第一通道和第二通道。AD7746直接将所测电容值转换成数字量，通过I2C总线与PIC16F877微控制器通信。I2C总线只要求两条总线线路，一条串行数据线（SDA）和一条串行时钟线（SCL）。SDA 和SCL 都是双向线路，在本设计中通过一个10K的上拉电阻连接到正的电源电压。只需将PIC16F877微控制器RC端口的任意两位与SCL或SDA相连，然后进行相应的串口模拟编程即可。引脚的状态变化标志着电容转换完成的情况，属于状态位，脚置低时，代表电容转换完成，数据可用。AD7746和PIC16F877微控制器都采用5V电源供电，但对AD7746来说，需要使用外接低阻抗电容的办法来减少电源对地的耦合作用。在本设计中，采用并联C1和C2(C1=0.1uF，C2=10uF)的方法来解决此问题。AD7746与微控制器的接口电路如图5.6所示，Cx为外接的平行板电容传感器。图5.6 AD7746与微控制器接口电路图5.7食用油检测装置的人机接口电路设计食用油检测装置的人机接口主要由LCD显示和键盘输入两部分组成，如图5.7所示。图5.7 食用油检测装置的人机接口电路图5.7.1LCD显示由于液晶显示器具有功耗低、体积小、质量轻、超薄等诸多其它显示器无法比拟的优点，广泛用于各种智能型仪器和低功耗电子产品中。本系统采用的液晶显示器是LCD1602C，采用标准的16脚接口。其引脚功能描述见表5.1。表5.1 LCD1602C的引脚功能描述引脚号引脚名功 能1VSS地电源2VDD接5V正电源3VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度4RS寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器5R/W读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据6E使能端，当E端由低电平跳变成高电平时，液晶模块执行命令714D0D78位双向数据线15BLA背光源正极16BLK背光源负极LCD1602C液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等。每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。LCD1602C能显示2行16列西方字符。5.7.2键盘输入键盘是由若干按钮组成的开关矩阵，它是微控制器系统中最常用的输入设备，用户能通过键盘向计算机输入指令、地址和数据。一般微控制器系统中采用非编码键盘，非编码键盘是由软件来识别键盘上的闭合键，它具有结构简单，使用灵活等特点，因此被广泛应用于微控制器系统。本设计的功能要求比较单一，没有必要象通用微型计算机一样设计功能全面的键盘。因此本设计的键盘只有三个功能键。当按下键SW1时，在液晶显示器上将显示平行板电容器的电容值；当按下键SW2时，显示食用油的介电常数；当按下键SW3时，将显示食用油质量的检测结果。6食用油检测装置的软件设计对于一个完善的检测系统，软件和硬件是密不可分的。一套好的软件不仅可以弥补硬件的某些缺陷，使系统更为灵活，而且可以充分发挥现有硬件的功能，在不增加硬件开销的基础上大大增强系统的功能。6.1食用油检测装置的软件设计框图食用油检测装置软件设计的主导思想是利用软件代替和简化硬件，利用基本的硬件电路和软件技术达到系统多功能集成、容易修改的要求。在成功地搭建了一个相对比较简单的硬件电路后，食用油检测装置功能的主要实现是依靠软件设计来完成的。根据食用油检测装置的工作原理及硬件电路，又考虑系统工作的安全性，软件采用模块化设计。将系统分成若干个模块，分别实现各项功能，这样在系统软件的调试过程中，各个模块的独立调试有助于问题的发现和解决，在一定程度上节约了程序的调试时间。食用油检测装置的软件设计框图如图6.1所示。图6.1 食用油检测装置的软件设计框图6.2食用油检测装置的软件设计工具6.2.1集成开发环境MPLAB-IDEMicrochip公司为其PIC系列微控制器专门配备了功能强大的MPLAB集成开发环境(Integrated Development Environment，IDE)软件包，可以通过网站下载和光盘发行方式两种方式为用户免费提供。本系统的软件设计是用PIC系列微控制器的C语言在MPLAB集成开发环境下运行调试完成的。本设计采用的软件版本是MPLAB IDE 5.70.40。MPLAB-IDE是一套以项目为导向的，或者说是面向项目的综合模拟调试环境软件。它把文本编辑器、汇编器、连接器、项目管理器和调试器等一些在编程和调试过程中必不可少的软件工具，全部集成到了一个模拟开发环境之下，从而形成了一套不仅功能丰富而且使用方便的软件包。借助于MPLAB-IDE，微控制器应用项目开发者可以在一台微机上，对PIC系列微控制器进行源程序的创建、编辑和汇编，甚至还能实现目标程序的模拟运行和动态调试等虚拟实战演练，并且调试方式还可以采用连续运行、单步运行、自动单步运行、设置断点运行等多种运行方式。6.2.2MPLAB-ICD套件为了更好的实现程序的编译和调试，本课题中采用了Microchip公司针对其PIC系列PIC16F87X子系列微控制器而研制的一套经济实用的开发工具套件MPLAB-ICD。PC机的串口通过RS232电缆与ICD模块相连，ICD模块的下游通过6芯电缆连接到ICD的目标板上。依照要求对MPLAB-ICD系统进行正确的硬件安装、软件安装。这样一个完整的仿真系统就可以工作了，接着进行以后的相关步骤，对目标程序进行在线仿真与调试过程。借助于 MPLAB-ICD工具套件，本课题可以实现的具体操作如下：（1） 软件调试：在自己设计的PIC16F877的应用电路中实时运行和调试源程序；（2） 硬件调试：用自己编制的程序来调试和检验自制目标板上的电路；（3） 程序固化：利用在线串行编制技术将设计的目标程序烧写到插在目标板上的PIC16F877微控制器中。6.2.3嵌入式C语言及PICC编译器嵌入式系统编程语言常用的有二种，一种是汇编语言，另一种是C语言32。传统的编程方式是汇编语言，它的好处是对硬件的直接操作，所以执行速度非常快，但是同时它也存在缺点，如可移植性差，可读性差。C语言的可读性和可移植性却远远超过汇编语言，使产品的升级更迅速，易于在不同的开发者之间进行交流，促进了嵌入式系统开发的产业化。而且C语言还可以嵌入汇编来解决高实时性的代码编写问题。采用C语言编程可缩短开发周期，大幅度提高嵌入式系统工程的工作效率，充分发挥出嵌入式处理器日益提高的性能，缩短产品进入市场的时间。Microchip公司自己没有针对中低档PIC系列微控制器的C语言编译器，但很多专业的第三方公司却提供众多支持PIC系列微控制器的C语言编译器，常见的有Hi-Tech，CCS，IAR等公司。其中Hi-Tech公司的PICC编译器稳定可靠，编译生成的代码效率高，支持的PIC系列微控制器最全，在用PIC系列微控制器进行系统设计和开发的工程师群体中得到广泛认可。因此本设计选用Hi-Tech的PICC编译器。6.3食用油检测装置的程序设计在本设计中完成了全部的软件设计工作，包括源程序的编辑、修改、调试。但是，由于系统软件设计的源程序较多，为了节省篇幅，本文列出了整个软件设计的总程序流程图和部分源程序，见附录C和附录D。6.3.1主程序流程图在食用油检测装置主程序模块中，实现对系统的初始化。通过初始化为系统的正常运行建立运行环境，包括硬件环境和软件环境。系统初始化主要由两个部分组成：控制端口的初始化，A/D转换的初始化。（1） 控制端口的初始化：PIC16F877的数字或模拟输入输出模块大多数是实现基本功能和一般I/O口复用。初始化的主要目的是划分基本的功能口和I/O口，基本功能口包括D/A转换必须的串行口，其余的作为一般的I/O口用，一般的I/O口包括开关量的输入和输出口。（2） A/D转换的初始化：通过赋值07H给A/D控制寄存器ADCON1，设置RA和RE工作于普通数字I/O方式。主程序流程图如图6.2所示。系统开机进入程序，首先对液晶显示器LCD1602C进行初始化和清显示处理，表明系统正常，系统进入等待按键按下状态，只要有键按下便转入相应的处理程序。图6.2 食用油检测装置的主程序流程图6.3.2电容检测模块流程图图6.3给出了电容检测子程序的流程图。AD7746每次电容的数字转换完成，脚置低，微控制器进入外部中断子程序，进行转化数据读取。微控制器获得数据后即可对其进行运算并应用，例如进行显示等。需要注意的是，AD7746具有24bit分辨率，即每次转换得到三字节数字量。在连续转换模式下，对数据进行读取时，必须使用一个一次读取三字节数据的I2C读命令，而不可以使用三次独立的单字节数据读取命令，否则会造成读取数据混乱，出现错误。电容检测模块还包括中断子程序（流程图见图6.4）、写CDC寄存器子程序（流程图见图6.5）、读CDC寄存器子程序（流程图见图6.6）、读CDC电容子程序（流程图见图6.7）。 图6.3 食用油检测装置的电容检测流程图 图6.4 电容检测子程序的中断流程图 图6.5 AD7746的写CDC寄存器流程图 图6.6 AD7746的读CDC寄存器流程图 图6.7 AD7746的读CDC电容流程图 图6.8 延时子程序流程图6.3.3延时子程序流程图有时为了等待转换步骤的完成，整个系统中需要多次调用延时子程序，用来在程序的执行过程中插入一段延迟时间。对此有两种方案可供选择，一是利用PIC系列微控制器内的硬件资源可编程定时器，二是采用软件手段，即插入一段延时程序。本系统中采用多重循环结构的软件延时方法，如图6.8所示。6.3.4键盘扫描子程序流程图由于键盘按键采用触点式按键开关，当按键被按下或释放时，按键触点的弹性会产生一抖动现象。即当按键按下时，触点不会迅速可靠地接通；当按键释放时，触点也不会立即断开，而是要经过一段时间的抖动才能稳定下来。抖动时间视按键材料的不同一般在5ms-l0ms之间。这种抖动对于人来说是感觉不到的，但对计算机来说，则是完全能感应到的，因为计算机处理的速度是在微秒级，而机械抖动的时间至少是毫秒级，对计算机而言，这已是一个“漫长”的时间了。因此必须对键盘做去抖动处理。本设计采用软件延时法去抖动，这样可以简化硬件电路设计。当判定按键按下时，用软件延时10ms，待前沿抖动消失后再检测键的状态，如果仍保持闭合状态则确认为真正有键按下。当检测到按键释放后，也要执行一个延时程序，以避开按键的后延抖动，从而使一次按键只被响应一次，避免连击现象。键盘扫描子程序是对键盘的操作做出识别并调用相应的功能模块完成相应的任务。本设计的键盘工作方式为循环扫描方式，进入键扫描状态后扫描键盘，当识别到键盘被按下时，转消抖动处理。否则，退出键扫描状态。消抖延时结束后，再扫描键盘，识别有无