（测试计量技术及仪器专业论文）鱼鲜度检测仪的设计.pdf

摘要 本文设计了一种用于检测鱼类鲜度的鲜度检测仪。该检测仪由三甲胺传感器、 a t 8 9 c 2 0 5 1 、a t 8 9 c 4 0 5 1 单片机和e d m l 2 8 1 6 b 液晶显示模块构成。 在鱼死亡后，随着鲜度的下降，它的食用价值也随之降低。因此，鲜度成为了判断 鱼类可食用性的重要标志。研究表明，鱼类储藏期间在细菌的作用下会产生出三甲胺 ( t m a ) 气体，随着鲜度下降，三甲胺气体的浓度会越来越高。因此。可以通过测量三 甲胺气体的浓度来判断鲜度等级，从而可以实现鱼鲜度的无损测量。本文介绍的鲜度检 测仪利用本校自制的三甲胺( t 姒) 传感器作为探头，采用a t 8 9 c 2 0 5 1 单片和三甲胺传感 器构成的电路将三甲胺浓度信号转换为电信号输出，并利用a t 8 9 c 4 0 5 1 单片机测量数据、 判断鲜度级别，最后利用图形点阵式液晶显示最后的鲜度等级。 鲜度检测仪数据观察方便且易于操作，可测量的三甲胺体积分数范围在0 到0 2 问，可以做出两级鲜度的判断，能为用户提供可靠的鲜度信息。 关键词：鱼鲜度 三甲胺传感器；单片机：三甲胺 a b s t r a c t t h ea r t i c l ed e s c r i b e sam e t h o df o rd e t e r m i n i n gf i s hf r e s h n e s s t h ef r e s h n e s s d e t e c t o ri sc o m p o s e do ft r i m e t h y l a m i n e ( t m a ) s e n s o r ，a t 8 9 c 2 0 5 1 ，a t 8 9 c 4 0 5 1s i n g l e c h i pa n de d m l 2 8 1 6 bl c dm o d u l e t h ee d i b l e n e s sw i l ld e c r e a s ew i t ht h el o w i n go ft h ef i s hf r e s h n e s sa f t e r t h ed e a t ho ff i s h s o ，f r e s h n e s si sav e r yi m p o r t a n ti n d i c a t i o no ft h ef i s h e d i b e n e s s b yt h er e c e n tr e s e a r c h ，i t sf o u n dt h a tt m av a p o ri sp r o d u c e dw h e n t h ef i s hi sb e i n gs t o r e da n di t sc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e sw i t ht h el o w i n go ft h e f i s hf r e s h n e s s s o t m av a p o ri sv e r ys u i t a b l et om e a s u r ef i s hf r e s h n e s sw i t h n od a m a g ea n df i e l da p p l i c a t i o n s t h ed e t e c t o rd e s i g n e db yu sn s e st h et m as e n s o r m a d eb yo u ro w ns c h o o la n dt h ea t 8 9 c 2 0 5 1s i n g l ec h i pt od e s i g nt h ec i r c u i tt h a t c a nc o n v e r tt h ec o n c e n t r a t i o n s i g n a l i n t ot h ee l e c t r o n i cs i g n a l a n dt h e a t 8 9 c 4 0 5 1s i n g l ec h i pc a nm e a s u r et h ef r e q u e n c yo ft h ee l e c t r o n i cs i g n a la n d j u d g et h eg r a d e o ff i s hf r e s h n e s s a tl a s t t h ef r e s h n e s sr e s u l tw i l lb ed i s p l a y e d o nt h el c d t h eo p e r a t i o na n dr e s u l to b s e r v i n go ft h ef i s hf r e s h n e s sa r ev e r yc o n v e n i e n t t h ed e t e c t o rc a nm e a s u r et h ec o n c e n t r a t i o no ft h et m av a p o rb e t w e e n0a n d0 2 1 、h ed e t e c t o rc a np r o v i d et h ec o n s u m e r sc r e d i b l ef i s hf r e s h n e s si n f o r m a t i o n a n dt h er e s u l tt h ef i s hf r e s h n e s sc a nb ed i v i d e di n t ot w og r a d e s k e yw o r d s ：f i s hf r e s h n e s s ：i m as e n s o r ：s i n g i ec h i pp r o c e s s o r ：t r i m e t h y i a m in e 鱼鲜度检测仪的设计 0 前言 0 ，1课题背景 在鱼死亡后，随着鲜度的下降，它的食用价值也随之降低。因此，鲜度是判断鱼类 可食用性的重要指标。过去，由于缺乏简单易行的测量方法，人们对鱼鲜度的判断仅仅 局限于定性的描述，这种方法虽然方便，但由于主观因素等的影响，使其缺乏一定的准 确性。目前判断鱼鲜度的工业方法主要是细菌总数检验法和化学检验法。这些方法存在 设备复杂、检验速度慢、成本高，且操作人员需要具备相应的专业知识等缺点，不能在 日常生活中得到大面积的推广和使用。因此，在各种测量手段日渐发达和完善的今天， 人们希望在日常生活中以某种无损测量的方法方便快捷地获得关于鱼鲜度的信息。 近年来人们发现鱼类在存放的过程中会挥发出一种叫做三甲胺的气体，且该气体浓 度随着鱼鲜度的下降而增加，因此可以通过测量三甲胺的浓度得到鱼类的鲜度信息。应 用这种方法，可以实现鱼类鲜度的无损测量。 o 2课题来源 本课题来源于同大连理工大学化工学院合作的自筹经费应用开发课题。 0 3本文开展的主要实质性工作 ( i ) 三甲胺传感器特性测量 在此部分中的主要工作是利用自制的测试仪在不同条件下对三甲胺传感器的特性 进行测量。 ( 2 ) 鱼鲜度测试仪的总体硬件设计 根据三甲胺传感器的特性，硬件电路部分采用了两块单片机。其中，利用a t 8 9 c 2 0 5 1 单片机起振三甲胺传感器并输出分频后的电信号，利用a t 8 9 c 4 0 5 1 单片机测量电信号的 频率并将其转换为浓度值，判断出鲜度等级，最后利用点阵式图形液晶汉字显示模块显 示出最后的鲜度等级。 ( 3 ) 数据处理 根据测量得到的三甲胺传感器特性，拟合出在常温和几个特殊温度点上的三甲胺传 感器特性曲线公式，分析一种仅通过少数几条已知曲线就可以获得在工作范围内任意温 度下传感器输出值的方法，并根据这种方法的原理提出适合单片机处理的算法。 ( 4 ) 鱼鲜度测试仪的软件设计 由于三甲胺传感器输出受温度影响较大，在此利用软件方式对最后测量得到的浓度 值进行温度补偿。设计同硬件电路相配合的软件以实现三甲胺传感器输出信号的分频、 频率测量、浓度值计算以及汉字液晶显示。充分利用c 5 1 语言可直接控制硬件并且易于 阅读的特点。 ( 5 ) 鱼鲜度测试仪的数据分析 鱼鲜度检测仪的设计 1 绪论 国外从3 0 年代开始研究开发气体传感器，至今已经走过了半个多世纪，品种达到 了数百种。过去研究开发的气体传感器主要用于家庭中常用的煤气、液化石油气、天然 气以及矿井中的瓦斯气体的检测和报警，并取得了很大的成绩，基本上满足了市场的需 要。进入9 0 年代，随着科学技术的发展，人们生活水平的提高，对气体传感器的需求 已有所不同，给气体传感器提出了新的研究课题和增加了新的研究内容和难度。检测气 体的种类由原来的还原性气体( h 。、c 、c i 等) 扩展到毒性气体( c o 、n o z 、h e s 、n o 、 n i 。、p h 。等) 以及食品有关的气体( 1 砒等) 。 近些年在全球市场上鱼及其相关的产品的重要性正在快速的增长。美国的食品及农 产品组织曾经预测在1 9 9 8 年全世界的渔业市场将达到2 5 0 0 亿，并且预测这种需求将以 每年3 0 9 6 的速度递增，到2 0 1 0 年将达到1 2 亿吨。由于这种需求，要求对全球的渔业市 场进行更加完善的管理”1 。现在，对食品质量和鲜度的控制不仅对消费者而且对食品的 生产厂商有蕾很大的影响。特别是一些水产品，如鱼类等，其新鲜程度往往是评价其质 量好坏的重要指标。正是因为如此，鲜度检测和用于鲜度检测的传感器正在得到人们越 来越多的关注。 1 1 食品鲜度测量方法发展概述 我国国家标准总局发布的中华人民共和国国家标准将“鲜度”的级别作为水产 品的卫生标准。例如，有关青鱼、草鱼、鲢鱼、鲤鱼、鳙鱼等淡水鱼的卫生标准( g b 2 7 3 “- 8 1 1 可见表1 1 、表1 2 。 表1 1 感官指标 t a b l e1 1f e e l sp a r a m e t e r 表1 2 理化指标 项目一级鲜度二级鲜度 堡垄丝垫薹塞! 堡型! 垒堕!至! !至箜 丞! 坠型堑!至垒：! 盔盔盔! 型鲤!曼! 堕婆堂! 唑!三! 过去，人们对鱼鲜度的判断仅仅局限于定性的描述，即多半采用表1 1 中的感官指标。 鱼鲜度检测仪的设计 这种方法虽然方便，但由于主观因素的影响，使其缺乏一定的准确性。表1 2 中理化指 标的测定需要在实验室中由专业人员进行。在表1 _ 2 中的理化指标中，挥发性盐基氮的 ( t v b n ) 含量是非常重要的指标。根据所测食品中含有的挥发性盐基氮便可以对鲜度 做出判断。这种方法测量时间长、需要专业知识才能操作且操作复杂，因此这种方法只 能用于实验室中，不能在日常生活中得到大面积的普及和应用。 除了上述的方法外，通过将相应的催化剂固定在过氧化物电极上，在催化剂的催化 作用下食物中所含的组胺、丁二胺、亚精胺及精胺发生物理或化学的变化，检测这些变 化也可以得到鲜度的有关信息。1 。但是作为生物敏感元件的催化剂，其使用寿命一般 都很短，且稳定性较差，因此这类传感器难于推广和商品化。 今年来人们在研究中发现，鱼类及贝类死亡后，其腥臭味主要是氨、三甲胺( t m a ) 、 硫化氢、吲哚及粪臭素构成，其中三甲胺是最主要的成分。而且，三甲胺浓度随着鱼类 腐烂程度的加剧而增大，通过检测出三甲胺的浓度便可以得知鲜度信息嘲。 1 2 食品鲜度测量方法简介 正如在上面介绍的，食品尤其是鱼类食品其鲜度十分重要。鲜度检测方法多种多样， 始用于不同的场合，都各自有其优缺点。下面，将就几种常用的比较有代表性的方法加 以介绍。 1 2 1 感觉定性描述鲜度 鱼死后可分为三个时期，即僵直、自溶与腐败，习惯上叫做新鲜、次新鲜和变质。 凭个人感觉鉴别鱼的鲜度，主要看鱼的眼、鳃、表面、腹部及肉质。看鱼的表面时，表 面有光泽及清洁透明的粘液，鳞片完整不易脱落且具有海水鱼或淡水鱼固有气味的为新 鲜鱼。看鱼眼时，如果鱼眼眼球饱满、凸出角膜透明的是新鲜鱼。看鱼鳃时，鱼鳃颜色 鲜红、清晰一定是新鲜鱼。看鱼的腹部时，如果腹部坚实无涨气，无破裂现象，肛孔白 色凹陷，是新鲜鱼。看鱼肉质，如果鱼肉坚实有弹性，骨肉不分离是新鲜鱼n 3 。 从以上描述可以看出，这种方法不需要专用的检测设备，仅需要人的感觉便可以判 断鲜度。但是，由于这种方法需要人们积累长期的经验才可以，并且由于主观因素的影 响，往往的不出正确的结论，所以这种方法的使用达不到很高的准确性。 1 2 2t v b n 法 鱼类新鲜度的检测一般是从感官形状、腐败分解产物的特性和数量以及细菌的污染 程度等3 个方面来进行的。鱼肉的腐败交质是一个渐进过程，变化非常复杂，同时还受 多种因素的影响。因此要正确判定鱼类的新鲜度，需要准确、快速、灵敏的方法。 为了实现拥有快速的反应时间且可以进行连续检测的目的，人们分析总结了几类与 鱼类鲜度有关的挥发性化合物。挥发性盐基氮( t v b n ) 是最早被发现并被应用的指示 物之一，并且现在仍在被广泛的使用。挥发性盐基氮是指动物性食品由于酶和细菌的作 用，在腐败过程中，蛋白质分解而产生的氨以及胺类等碱性含氮物质。通过检测挥发性 鱼鲜度检测仪的设计 盐基氮获得鲜度信息的方法被称为t v b - n 法“1 。t v b - n 法是目前在鱼鲜度测量的领域中 应用的最为广泛的一种方法。这种方法主要由对氨、三甲氨、二甲氨的测量构成。这种 方法在应用时需要采用蒸馏或滴定氨等费时费力的操作，一般需要相对很长的时间、熟 练的个人经验和昂贵的仪器。随着技术的发展现在也出现了应用反射光谱法”1 等其他方 法来得到挥发性盐基氮的手段，但仍然不能脱离专用化学物理设备的使用，因此t v b n 法 多用于实验室中，而不能得到大面积的推广和使用。 1 2 3 利用生物传惑器测量鲜度 生物传感器可被用来测量鱼的鲜度，其主要是通过对三磷酸腺苷( a t p ) 的降解物 和这些降解物的分解物的测量来实现。鱼死后，鱼肉中的a t p 按以下顺序分解： a t p 一 a d p - a m p 一 i 肝一 d ( 卜 腿一 尿酸“1 。其中，a d p 是二磷酸腺苷a m p 为一磷酸腺督， i m p 为肌苷酸，h x p 为肌苷，h ) ( 为次黄嘌呤。在上面几种物质的降解反应中，由肌苷到 次黄嘌呤或由次黄嘌呤到尿酸的反应决定了整个反应的速率。由于和a t p 有关的化合物 总量是一定的，因此将肌苷及次黄嘌呤之和与总量的比例定义为k 值”3 ： k 值( ) = ( h x r + 联) ( a t p + a d p + a m p 十i 肝+ h x r + h x ) 1 0 0 a t p 和a d p 迅速降解，一般鱼死后2 4 小时消失，a m p 也很快降解。另一方面，鱼死后5 - - 2 4 小时，i m p 急剧增加，然后缓慢减少。随着i m p 开始减少，肌苷和次黄嘌呤增加， 因此鲜度指标k 值可以简化为k 。值。1 ，如下： k 。( ) = ( h x r + h ) 【) ( i 艘+ h x r + h x ) i 0 0 据已经使用这种指标的日本标准为例，k o 2 时，鱼肉质极好；k 值在o 2 一o 4 之 间时，鱼肉质较好：k 值增长速率和鱼品种有关，因为k 值变化和鱼中的酶反应有关。 除上述的检测k 或k l 的方法外，通过酶来检测蛋白质降解产物和检测细菌含量也属 于生物传感器的范围。 根据检测手段的不同现在已经出现的生物传感器主要分为以下几种： ( 1 ) 胺类传感器 这类传感器，主要通过测量鱼死后蛋白质降解产生的胺类化合物，主要是腐胺和尸 胺来得到鱼的鲜度信息。将二胺氧化酶固定在炭糊电极、微孔玻璃电极、铂电极、氧电 极上，可以制作出二胺氧化酶传感器；将来自玫瑰色微球菌的腐胺氧化酶，固定在氧电 极、薄膜铂电极上，可以制作出腐胺氧化酶电极。应用上面制作好的电极，将其放入具 有恒温水浴的的胺溶液中，检测输出电流的变化便可以得到鲜度信息“。 ( 2 ) 细菌传感器 这类传感器分为破坏性检测传感器和非破坏性检测传感器两种。 a ) 破坏性细菌检测传感器 将腐败细菌培养好后，将这种细菌的悬浮液通过过滤膜( 硝酸纤维膜) ，细菌便留 在膜上，将过滤膜固定在氧电极端部，覆盖透析膜，便可组成用于鱼肉鲜度测定的细菌 传感器。使用时，首先记录流过培养基时的电流，在将鱼肉提取物注射到流动系统中， 记录电流下降值。用起始电流和最小电流间的差衡量鱼鲜度。 b ) 破坏性细菌检测传感器 随着研究的深入，人们开发了一种不破坏样品即可进行鱼鲜度测定的微生物传感器 鱼鲜度检测仪的设计 系统，非破坏性检测传感器的流动池基部是开放的，仅覆盖一层透析膜。当鱼肌表面和 池体基部接触时，鱼肌肉中的分子化合物就透过透析膜进入池体，在池体内和细菌固定 膜反应。这种方法，可以不用破坏鱼机体便可以取得鲜度信息，但是它的缺点在于透析 膜每透吸2 0 次左右就要更换，否则便会因为膜孔堵塞使传感器输出信号不稳。 ( 3 ) 测定k 。值的传感器 用于测定x 。值的传感器有很多，一般以以下两种系统为代表： a ) 多电极传感器系统 这种系统中一般利用多个氧电极，其中利用一个作为对照，而另外三个分别固定x o 膜，n p x 0 膜，n t - n p x o 膜。在这里其中，n t 指n u c l e o t i d a s e 即核苷酸酶，n p 指 1 2 u c l e o s i d ep h o s p h o r y l a s e 即磷酸化酶，而x 0 指x a n t h i n eo x i d a s e 即黄嘌呤氧化酶。“。 x 0 膜电极信号对应h x 的浓度，n p x 0 膜电极对应h x r 和1 1 ) 【浓度，n t n p x o 膜电极对应 i m p 、h x r 和默浓度，经过计算便可以取得k 。值。 b ) 多酶电极传感器系统 这种系统中n t 、n p 和x 0 通过膜固定在一根氧电极上，组成了多酶电极传感器，同 时传感器系统还包括一根阴离子柱，使i m p 、h x 和b x r 分开。该系统利用电极在不同的 磷酸缓冲液的作用下，分别测量出i 归、h x 和h x r 的浓度从而得到k 。值。 ( 4 ) i m p 传感器 将n t 、n p 和x o 固定在三醋酸纤维膜上，将n p 和x o 固定在另一个三醋酸纤维膜上， 将酶膜固定在氧电极上，n p - n p x o 电极的输出信号和i m p 、h x r 和 i ) 【的浓度有关，n p x o 电极输出信号和h x r 、h x 的浓度有关，从而可以从两电极差值可以得到i m p 的信息，进 而取得鲜度信息。 ( 5 ) h x 传感器m 1 这种传感器一般通过将黄嘌呤氧化酶固定在不同的膜上，并将膜固定在氧电极上， 通过反应过程中消耗氧引起电位值的变化来测定次黄嘌呤的含量，其反应原理为次黄嘌 呤同氧气在黄嘌呤氧化酶的催化作用下方应生成黄嘌呤，而黄嘌呤继续在黄嘌呤氧化酶 的催化作用下同氧气方应，最终生成尿酸n ”。 生物传感器具有很多的优点，例如：省时，前处理简单、检测结果简单以及费用低。 但是这种传感器的测定一般还属于有损测量，需要在测量前作前处理，即制备用于测量 的鱼肉提取液，一般适合对样品进行抽检而不适合一般用户的使用。 1 2 4 利用三甲胺( t m a ) 传感器测量鲜度 近年来人们在研究中发现，鱼类及贝类死亡后，其腥臭味的主要成分为三甲胺。而 且，三甲胺浓度随着鱼类腐烂程度的加剧而增大，是一种适用于大面积应用的、理想的 指示参数“。目前，关于t m a 传感器的研制种类较多，比较成熟的有半导体金属氧化物 传感器“”和热电传感器等。前国内外的研究普遍采用在t i o 。半导体材料内掺入增感剂， 采用旁热式气敏元件结构制备硼传感器“，这种传感器的灵敏度和选择性欠佳，且工 作温度高，实际应用的难度很大。另外还有采用数种商品气体传感器，经加热催化和数 据处理检测水产品鲜度，因其成本高且操作复杂，所以也难以应用于实际n “。 随着研究的深入，现在不依靠加热也能测量鲜度的三甲胺传感器也被研制出来。这 4 鱼鲜度检测仪的设计 种传感器的特点是，一般以石英晶体作为传感器的基体，利用石英晶体具有的高质量敏 感性来测量三甲胺气体“。所谓的高质量敏感性就是指当石英晶体的质量发生十分微小 的变化时。晶体本身的振荡频率就会产生很大的变化。石英振子由于具有稳定的基频和 对质量的高灵敏度而引起人们的重视，最初只是用其来制作湿度传感器“”。随着生化和 制膜技术的发展，目前，利用石英振子开发的气敏元件也相继出现。压电石英振子用于 气体成分分析的关键在于选择合适的涂层材料和涂层技术”7 。高分子聚合生成的聚合物 在结构上与普通的化学聚合所得到的聚合物有着显著不同。高分子聚合膜最大的特征是 能形成有活性基团的高度交联的网络结构，它特有的键合作用使薄膜不易脱落，从而使 其具有良好的均匀性及对基质的附着性。将该技术用于制各气敏传感器的高分子覆盖 膜，不仅可简化制膜的过程，还可使许多用常规方法难以聚合的物质实现聚合，拓宽可 用作涂层物质的范围。”。这种采用高分子覆膜技术传感器，选择性地吸附气体，具有工 作稳定、灵敏度高、选择性好、成本低的特点。 本文设计中所应用的传感器就是这样一种以石英晶体为基体，用高分子聚合物包埋 有机酸在其表面制备敏感膜的三甲胺传感器。工作时，传感器表面的敏感膜吸附三甲胺 气体，导致石英晶体的质量发生变化，相应改变晶体的振荡频率。检测振荡频率的变化， 便可以得到三甲胺浓度的变化，进而得到鱼的鲜度信息”1 。 应用上述技术制备雨成的三甲胺传感器测量技术，是一种无损测量技术，它具有生 物传感器测量时间短、造价低且测量结果简单的特点，又克服了生物传感器需要前处理 的缺点，并且可以在测量时避免伤害鱼体，是一种很有前途的无损测量技术。 鱼鲜度检测仪的设计 2 石英谐振式三甲胺( t m a ) 传感器 石英谐振式t m a 传感器是一种用于检测三甲胺气体浓度的传感器。该传感器通过检 测三甲胺气体的浓度，能够将非电量的浓度信号转换成电信号输出，从而通过输出电信 号频率的变化反映出三甲胺气体浓度的变化。 2 1 石英谐振式t m a 传感器的结构 石英谐振式1 m a 传感器其结构图如图2 1 所示。 图2 1t 凇传感器结构图 ( 石英基片镀银电极引线基座) f i g 2 1c o n s t r u c t i o no fm as e n s o r ( q u a r t zb a s es i i v e rc o a t e d e l e c t r o d ef o o tp i n p e d e s t a l ) 该传感器的基体为压电石英晶体，石英晶体的切割方式为a t 切割，直径为9 衄。 石英晶体两面都带有直径为5 m m 的镀银电极，基频为6 1 0 m h z 。在本设计中所采用的 t m h 传感器的基频经测定为8 0 0 m h z 。 2 2 石英谐振式t m a 传感器原理 谐振式传感器是直接将被测量转换为谐振频率的装置。因为谐振式传感器输出为频 率信号故具有高精度、高分辨率、高抗干扰能力并能直接同数字设备相连接的优点。石 英谐振式t m a 传感器本身基体部分为a t 切割的石英晶体，表面涂有高分子涂膜。该高 分子涂膜可以吸附三甲胺气体，从而导致整个传感器基体质量的变化，且振荡质量的增 加量m ( g ) 将导致谐振频率的改变。设频率增量为f ( h z ) ，则关系式为： f = 一( c ，f 0 2 a m ) a( 2 一1 ) a 为表面面积( c m - 2 ) ，c 。是质量敏感常数( 2 2 6 x 1 0 6 c m 2 s g - t ) ，f 。为晶振的基频 ( 删z ) 。研究中发现，对于我们已经研制出来的三甲胺传感器，频率增量直接地表现为 电极上的敏感膜的质量的增加，即： a f ( h z ) = 一0 1 1 6 m ( c m 2 n 9 1 ) ( 2 2 ) 本设计所采用的石英谐振式t m a 传感器，由于表面高分子敏感膜对t t 4 a 气体的吸附 6 鱼鲜度检测仪的设计 会导致石英振子的质量随气体浓度的变化而变化，进而导致三甲胺传感器本身谐振频率 的变化。因此，通过测得频率的变化值，就能检测出三甲胺气体的浓度。 2 3 石英谐振式t m a 传感器的特性 2 3 1 石英谐振式t m a 传感器的响应特性曲线 石英谐振式t y d i 传感器的响应特性曲线如图2 2 所示。由图2 2 可以看出t m a 传感 器随着t 姒气体浓度的变化，谐振频率变化较大。在2 分钟内将会达到一个相对稳定的 值。当气体传感器停止与t 姒气体接触后，其频率将在1 分钟内迅速返回到初始值。这 意味着气体传感器的响应是完全可逆的。 对问( 丹钟) 图2 2 传感器对t l l a 气体的典型响应随时闻的变化 f i g 2 2f r e q u e n c yc h a n g eo f 喇ap r o b ea saf u n c t i o no ft i m et od i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n s o ft m a 2 3 2 石英谐振式t m a 传感器的灵敏度特性曲线 石英谐振式t 姒传感器的灵敏度特性曲线如图2 3 所示。从灵敏度特性曲线可以看 c 州c n f m f i o p p , n ， 图2 3 传感器对t n a 气体的灵敏度特性曲线 f i g 2 3e q u i l i b r i u mv a l u e so ft h ef r e q u e n c ya fv s t m ac o n c e n t r a t i o n 鱼鲜度检测仪的设计 出气体的响应并非线性，在l o 到1 0 0 p p m 这一范围线性较好。与其它传感器相类似，适 于在低浓度情况下测量。 2 3 3 石英谐振式i t l a 传感器的温度特性 由于石英晶体的切割方式为a t 切割，其温度系数为0 ，所以振荡频率并不受温度 湿度) 图2 4 温度对传感器频率变化值的影响 ( ：在5 0 p p m 的t m a 中：在空气中) f i g 2 4f r e q u e n c yc h a n g e sa saf u n c t i o no ft e m p e r a t u r ef o rt h ep r o b e ( ：i nt h ep r e s e n c eo f5 0 p p mt m a ：i nt h ea i r ) 的影响。但温度对敏感膜有定的影响。研究中监测了传感器在不同的温度下对体积分 数为o 0 5 三甲胺的响应情况。在图2 4 中可以看到，在纯净的空气中，三甲胺传感器 的响应基本不变，在存在三甲胺气体的情况下，传感器的响应随着温度的上升而减少， 较高的温度对传感器的测量是非常不利的。 2 3 4 石英谐振式t m a 传感器的选择性 应用三甲胺传感器对c 如、s 吼、c o 、n o 。、h 2 s 和n h 。进行了实验。结果表明，数量相 当的体积分数为1 的c o 。，s 吼和c o ，5 0 0 p p m 的地s 及0 3 的n q 对t m a 的检测均不产 生影响，但传感器会对n 凡及其它类胺类气体产生响应。不过对鱼鲜度的测量来说，由 于在腐烂的最初阶段。只有非常少量的n l ，和其它类胺类气体会产生，因此它们的影响 基本可忽略。所以传感器的选择性得到了保证。 2 3 5 石英谐振式i m a 传感器的稳定性及重复性 为了满足实际应用的要求，三甲胺传感器必须具有一定的稳定性及重复性。表2 i 显示了三甲胺传感器的长期稳定性。在6 个月内的不同时间里测出了传感器对体积分数 为0 0 5 的三甲胺气体的响应情况，可见，f 稳定在3 1 0 h z 左右。在每一次检测的五 次重复测量中，相对标准偏差( r s d ) 都小于5 o 。 鱼鲜度检测仪的设计 表2 1t m a 传感器的稳定性 t a b l e2 1s t a b i l i z e do f1 砒s e n s o r 2 3 6 实测对比分析 图2 5 是应用本传感器对一条鲤鱼的鲜度进行监测所取得的曲线，其中本传感器测 试曲线如图中( ) 所示，( ) 为传统的t v b - n 测定法，( ) 为气相色谱法。从该图 可以看出，在较低浓度下，本传感器同其它的两种方法的测量数据基本一致，此时鱼类 是新鲜并可以被放心食用，但在高浓度下三种曲线的数据开始出现差异，随着鱼腐烂的 加剧，这种差异也随之增加，但三种曲线在测量过程中总体的数据变化趋势还是一样的， 且此时鱼的鲜度已经不能够在保证食用，因此在高浓度时曲线的差异并不影响我们对鱼 鲜度做出判断。因此，应用此传感器可以得到较为准确的鲜度信息数据。 i t l 研1 1 n f i e s hf l a ti u c c is b k t v , m i d 图2 5 储存过程中三甲胺浓度和鲜度变化曲线 f i g 2 5r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt m ac o n c e n t r a t i o na n dt h et i m ea f t e rd e a t ho ft h ef i s h ，a s w e l la sf i s hf r e s h n e s s 9 鱼鲜度检测仪的设计 3 鱼鲜度检测仪的硬件设计 本设计的目的是实现鱼鲜度的无损测量。设计中采用了石英谐振式三甲胺( t m a ) 传 感器( 以下简称为三甲胺传感器) 逼过检测三甲胺传感器输出的电信号，便可以得到鱼的 鲜度信息。设计中，应用a t 8 9 c 2 0 5 1 单片机完成三甲胺传感器的振荡和分频，应用 a t 8 9 c 4 0 5 l 单片机来测量经过分频后输出的传感器电信号的频率，并利用d s l 8 8 2 0 进 行温度测量为后面软件编程中的温度补偿提供数据，最后利用e d m l 2 8 1 6 b 驱动液晶汉 字显示鱼鲜度的等级。 本设计的鱼鲜度检测仪器硬件结构原理框图如图3 1 所示( 电路图如附录圈1 ) 。 图3 1 硬件结构原理框图 f i g3 1 h a r d w a r ec i r c u i ts k e t c h 3 1 三甲胺传感器振荡和分频电路 在本设计中，频率测量部分采用5 l 系列单片机来完成。由于单片机可直接测量的 信号频率值小于其外接晶体振荡器振荡频率的1 2 4 ，而三甲胺传感器输出的基本频率值 为8 m h z ，远大于普通的5 1 单片机可以直接测量的频率值，所以必须将传感器信号经多 次分频后才能实现测量。该系统工作电压为5 伏，在此电压下应用普通数字电路分立元 件难以实现对t m a 传感器的振荡和分频操作。考虑到单片机价格低、内部集成有优良的 振荡电路、工作电压低且可以通过软件编程来完成分频的特点，本设计中应用a t 8 9 c 2 0 5 1 单片机来实现传感器的振荡和分频。该部分电路如图3 2 所示。 图3 2 三甲胺传感器起振、分频电路 f i g 3 2t m as e n s o rf r e q u e n td i v i d e dc i r c u i t 1 0 鱼鲜度检测仪的设计 a t 8 9 c 2 0 5 1 单片机是美国a 1 赴l 公司生产的与m c s - 5 1 系列完全兼容且内含闪存存储 器的单片机。它采用a 祧l 的高密非易失存储技术制造，和工业标准m c s 一5 1 指令集和 引脚结构兼容。a t 8 9 c 2 0 5 1 内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，引脚) 【t a l l 和x t a l 2 分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体或 陶瓷谐振器一起构成一个自激振荡器，结构如图3 3 所示。应用单片机的此部分电路， 将三甲胺传感器基体的两个电极分别连接x t a l l 和x t a l 2 ，并连接电容c l 和c 2 构成 并联谐振电路，接在放大器的反馈网路中，便可以构成三甲胺传感器的起振电路。此电 路对外接电容虽然没有严格要求，但电容的大小会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳 定性、起振的快速性和温度的稳定性，典型值通常选择为3 0 p f 左右。 v 8 8 图3 3 片内振荡电路 f i g 3 3 i n t e r n a lc l o c kd r i v e rc o n f i g u r a t i o n 由于进行频率测量，必须先将三甲胺传感器输出的信号进行分频才能进行，在此利 用a t 8 9 c 2 0 5 1 单片机内部集成的定时肼数器来实现。a t 8 9 c 2 0 5 l 单片机内有两个可编 程的1 6 位定时器计数器，结构如图3 4 所示，定时器计数器t o 由特殊功能寄存器 t h 0 、t l o 构成，定时器计数器t 1 由特殊功能寄存器t h i 、t l l 构成”“。 图3 4 定时器计数器结构框图 f i g 3 4c o n s t r u c t i o no ft h et i m e r 鱼鲜度检测仪的设计 特殊功能寄存器t m o d 用于控制确定定时器计数器t 0 、t i 的启动和停止计数，同 时包含了t o 、t 1 的状态。t m o d 、t c o n 这两个寄存器的内容由软件设置。定时计数器工 作在定时方式下时，计数脉冲来自单片机的内部，即每个机器周期产生一个计数脉冲。 也就是每个机器周期计数器加l 。由于一个机器周期等于1 2 个振荡脉冲周期，因此计数 频率为振荡频率的1 1 2 。本电路中将三甲胺传感器连接到单片机的x t a l i 和x t a l 2 上， 将三甲胺传感器同单片机内部的高增益反向放大器构成的振荡器输出的频率信号作为 单片机工作的振荡频率。因此，计数器每计数一次相当于经过了1 2 个三甲胺传感器的 振荡周期。通过软件编程，设置计数器的计数初值，并利用中断，便可以实现分频操作 了( 软件部分见软件编程一章) 。在此选择1 4 4 倍分频，分频后信号频率值小于5 6 k i z ， 通过引脚p 1 7 输出，可以直接输出供另一片单片机测量。 3 2 频率测量电路 在上一节中提到过，单片机内部集成有两个1 6 位的定时计数器t o 和t l 。当定时 计数器工作在计数器方式下时，计数器的计数脉冲来自于外部。通过联合应用两个计数 器t 0 、t l 可以实现对外部信号的频率测量3 。 由于a t 8 9 c 2 0 5 1 单片机的程序存储器仅有2 k ，因此在这部分设计中选用了 a t 8 9 c 4 0 5 l 。a t 8 9 c 4 0 5 1 单片机同a t 8 9 c 2 0 5 i 都是美国a t 娅l 公司生产的与m c s - 5 1 系列 完全兼容的内含闪存存储器型单片机。两者内部的硬件结构完全一样，不同仅在于 a t 8 9 c 4 0 5 1 的程序存储器为4 k 。 在此电路中，将三甲胺传感器起振分频电路输出端p 1 7 直接连接到负责频率测量的 a t 8 9 c 4 0 5 1 的p 3 5 引脚。p 3 5 是a t 8 9 c 4 0 5 1 中1 6 位定时计数器t l 的外部信号输入端。 利用t o 工作在定时器状态下，用于产生ls 定时，雨t l 工作在计数器方式下负责信号 的频率测量。定时器t o 定时结束时，停止t 1 工作，此时t l 的寄存器中的数据便是测 量到的频率值。 3 3 温度测量电路 本设计采用单片机和d s l 8 8 2 0 来实现温度的测量，由d s i s b 2 0 将温度信号转换为数 字信号并将其发送给单片机，再由单片机处理数据，其电路如图3 5 。 v c c 图3 5 测温电路 f i g 3 5t e m p e r a t u r em e a s u r i n gc i r c u i t 2 鱼鲜度检测仪的设计 传统的温度测量电路，例如采用温敏电阻或者a d 5 9 0 测量温度，其输出信号都为模 拟信号，如果需要将数据输入单片机处理需要另外外加一片a d 才能实现模拟信号到数 字信号的转换。由于本设计软件部分拟采用软件方式来对最后的三甲胺测量值进行温度 补偿，需要将温度信号数字化才能为单片机所利用。集成式温度传感器d s l 8 8 2 0 温度测 量精度高并给用户提供了几种转换方式供给用户选择。由该传感器构成的电路需要外接 元件少，测量电路简单，易于应用。d s l 8 8 2 0 能够在内部将测量到的温度值转换为数字 信号输出，且接口同单片机可以直接连接，同上面提到过的传统测量方式相比，少接了 一个a d 相应节省了系统的总体费用，因此在本电路中采用了d s l 8 8 2 0 测量温度。 3 3 1 d s l 8 8 2 0 器件简介 d s l 8 8 2 0 是美国d a l l a s 公司生产的一线式数字式温度计芯片。它结构简单，不需要 外接元件，采用一根i o 数据线就可以实现供电和传输数据，在传输中应用d a l l a s 的 单线总线协议。d s l 8 8 2 0 可以将温度信号转换为数字信号输出，其分辨率为9 一1 2 位( 包 括一位符号位) ，可由编程决定具体位数，在一i o o c 至+ 8 5 0 c 间其准确度为0 5 。c 。d s l 8 8 2 0 的转换时间与设定的分辨率有关，当设定位9 位时，最大转换时间为9 3 。7 5 m s ；1 0 位 时的转换时间为1 8 7 5 m s ；1 1 位时为3 7 5 m s ：1 2 位时为7 5 0 m s 。由于器件是通过漏极开 路( d s l 8 8 2 0 的d 0 引脚) 连接到总线上的，控制线需要通过一个上拉电阻连接到电源上。 图3 6 为d s l 8 8 2 0 的结构框图，其中6 4 位r o m 中储存了该装置唯一的序列号。寄 存器中则包括存储温度传感器输出的2 字节数字的输出寄存器。此外，寄存器还提供1 字节的上限和下限( 温度) 报警触发寄存器( t h 和t l ) ，及一个字节的结构寄存器，结 构寄存器允许用户设置9 、1 0 、1 1 或1 2 位的温度一数字转换结果。t h 和t l 寄存器是 非易失性寄存器，因此当装置断电后它依然能保存数据。 。享l “m r yc o n “i d s l 8 8 2 0 d q 幸t e m p e r a t u r e s e * o r l ii n t e r h l 啦m g n d 孑 姒 r i “a 。r m 。搽i 嚣；器l 一“器嚣娶瑶戮器：t i il v d o 产i 舅辫! i- 。“”u r a t ”n r ，“6 ”i 幽 + 一i i - b i t c r c 。e n e r a t o ri 图3 6d s l 8 8 2 0 结构框图 f i g 3 6t h ec o n s t r u c t i o no fd s l 8 8 2 0 d s l 8 8 2 0 的存储器结构如图3 7 所示。如果d s l 8 8 2 0 的报警功能没有启用，t h 和 t l 寄存器可以作为通用目的存储器。暂存器字节0 和字节l 包括温度寄存器的l s b 和 m s b ，这些字节为只读方式。字节2 和字节3 提供与t h 和t l 寄存器的接口。字节4 含 有结构寄存器数据。字节5 、6 、7 为器件内部保存，不可以被写入覆盖。寄存器字节8 鱼鲜度检测仪的设计 为只读并含有循环冗余校验码。应用写暂存器命令可将数据写入字节2 、3 和4 。数据必 须从字节2 最低位写入d s l 8 8 2 0 。当读暂存器时，数据从字节0 的最低位开始通过单总 线传送。如果要将n 和t l 和结构寄存器数据从暂存器送入e 2 p r o m ，必须应用复制暂存 器命令( 4 8 h ) 。 器件掉电后e 2 p r o m 寄存器的数据依然保存；上电后e 2 p r o m 数据被再装载暂存器的 位置。也可以在任意时间应用取回e 2 命令( b s h ) 从e 2 p r o m 装载至暂存器。可以在取回 e 2 命令后读时隙，这样d s l 8 8 2 0 将反馈信息以表示工作是否完成，当取回在运行中时， 传送0 ；完成时，传送l 。 b y t e o b y t e l b y t e 2 b y t e 3 b y t e 4 b y t e 5 b y t e 6 b y t e 7 b y t e 8 图3 7d s l 8 8 2 0 存储器结构图 f i g 3 7r o mc o n s t r u c t i o no fd s l 8 8 2 0 暂存器的字节4 为结构存储器，其构造如表3 1 所示，用r 0 和r 1 设定d s l 8 8 2 0 的转换 结果。上电默认值为r o = l 和r i = i ( 1 2 位结果) 。字节7 和字节卜4 是器件内应用的存 储部分，不能写入覆盖。 表3 1 结构存储器 t a b l e3 1c o n s t r u c t i o n sr o m d s l 8 8 2 0 的核心是其数字温度传感器。温度传感器的测量结果被用户定义为9 、l o 、 1 1 、1 2 位，其各自的准确度为o 5 。c 、0 2 5 0 c 、0 1 2 5 。c 、0 0 6 2 5 0 c ；其默认值为1 2 位。 d s l 8 8 2 0 在低压空载状态上电。温度测量结束后，温度数据被存在寄存存储器中的2 字 节温厦奇存器中，并且d s i s b 2 0 回到空载状态。 表3 2 温度表 t a b l e3 2 t h ed