魏國豐，任忠先，董榮杰

（黑龍江工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150050）

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基于單片機(jī)的食用油摻假探測器的設(shè)計(jì)

魏國豐，任忠先，董榮杰

（黑龍江工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150050）

摘 要：食用油是人們?nèi)粘Ｉ钪械谋匦杵?。為了獲取更高利潤，不法分子所做的食用油摻假行為已經(jīng)嚴(yán)重侵害消費(fèi)者利益并損害其身體健康。因此，開展簡便、快速檢測食用油摻假情況儀器設(shè)計(jì)非常有現(xiàn)實(shí)意義?；陔妼?dǎo)率測量法原理，利用NE555定時(shí)器構(gòu)成檢測電路和STC12C5A60S2單片機(jī)構(gòu)成顯示電路，檢測食用油電導(dǎo)率變化情況，快速判斷食用油是否摻假以及摻假程度。結(jié)果表明該設(shè)計(jì)具有線路簡單、成本低、使用方便和工作穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，可用于食用油摻假的檢測初篩階段。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；食用油；摻假；電導(dǎo)率；頻率法

食用油是人們?nèi)粘Ｉ钪斜匦枭唐?。?dāng)前由于我國經(jīng)濟(jì)與社會的快速發(fā)展，人們生活水平也隨之不斷提高，對食用油的需求量也正在逐年增長。

在我國，由于食用油市場的監(jiān)督管理方面非常復(fù)雜和困難，總有一些不法商販見利忘義，利用監(jiān)管漏洞，避開國家的監(jiān)督，在食用油中摻假以獲取暴利［1-3］。一般食用油的摻假主要有3層含義：1）摻入非油脂物質(zhì)，如米湯、礦物油、水等；2）向質(zhì)量好的食用油摻入質(zhì)量差油脂；3）一種油脂摻入另一種油脂，包括食用油和非食用油，一般是價(jià)格低的油脂摻入價(jià)格高的食用油中［4］。這樣摻假的食用油營養(yǎng)價(jià)值低，損害消費(fèi)者的利益，更為重要的是嚴(yán)重影響和危害了消費(fèi)者的身體健康。因此，開展食用油安全檢測技術(shù)的研究和相應(yīng)檢測儀器的研發(fā)非常有現(xiàn)實(shí)意義。

我國近十幾年內(nèi)在食用油檢測方面開展了大量工作，涉及食用油檢測技術(shù)的國家科研計(jì)劃包括國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、教育部長江學(xué)者團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、科技部支撐項(xiàng)目、國家“863”項(xiàng)目等。許多高等院校、科研院所、疾控中心都積極參與，取得了豐碩的具有實(shí)用價(jià)值的成果。涉及的技術(shù)手段有：薄層色譜法、熒光光譜法、頂空氣相色譜聯(lián)用質(zhì)譜（GCMS）法、氣相色譜（GC）法、原子吸收光譜或等離子體耦聯(lián)質(zhì)譜（ICP-MS）法等等［5-7］。

目前，國際上食用油摻假主要檢測方法有光譜方法、比色法、色譜方法、同位素比質(zhì)譜方法、核磁共振方法、超聲衰減方法、蒸發(fā)光散射方法和電子鼻檢測方法等［8］。

1　系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

上述的技術(shù)雖然方法科學(xué)、結(jié)果準(zhǔn)確，但檢測儀器一般價(jià)格昂貴，多數(shù)用在食用油加工企業(yè)和質(zhì)量檢測以及監(jiān)管部門。在日常生活中人們更需要價(jià)格低廉、方法簡便的食用油檢測方法來初步判斷油品的摻假程度。因此，研究出快速有效的分析檢測儀器就具有非常重要的意義，從而杜絕摻假食用油對糧油市場的沖擊和飲食行業(yè)的侵蝕。

由于油脂屬于非導(dǎo)電物質(zhì)，電導(dǎo)率極低。如果油脂摻假后，混入一些水溶性物質(zhì)、離子化合物、低分子酸等，增加了油脂浸出液中離子的濃度，會大幅度升高油品的電導(dǎo)率。利用儀器檢測食用油的電導(dǎo)率的變化從而判斷油品的摻假程度的方法被稱為電導(dǎo)率測量法。電導(dǎo)率測量法操作具有快速、簡便的特性，不需要特別高檔、昂貴的儀器和設(shè)備，因而可作為快速檢測的初篩手段［9-13］。

基于上述分析，本文設(shè)計(jì)1臺小型簡便的食用油摻假探測器，其電路設(shè)計(jì)方案為：該裝置主要電路選用NE555定時(shí)器構(gòu)成檢測電路和SCT12C5A60S2單片機(jī)構(gòu)成顯示電路［14］，由兩者配合直流6V電源及其它元器件組成一個完整的食用油摻假探測器。

探測器的工作流程如圖1所示。

圖1　探測器工作流程

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1食用油摻假探測器硬件設(shè)計(jì)

本文采用的電導(dǎo)率測量方法為頻率法。頻率法的原理是將溶液電導(dǎo)作為振蕩電路的一部分，振蕩電路所產(chǎn)生的振蕩信號頻率隨溶液電導(dǎo)率的變化而變化（輸出頻率與電導(dǎo)成正比），通過將測量振蕩信號的頻率大小轉(zhuǎn)化為被測溶液電導(dǎo)的值。其轉(zhuǎn)換公式為

式中：f0為振蕩信號的頻率，K0為電導(dǎo)-頻率轉(zhuǎn)換系數(shù)，G為電導(dǎo)。

本文所設(shè)計(jì)的食用油摻假探測器的整體電路由三大電路構(gòu)成，分別是檢測電路、顯示電路和數(shù)據(jù)傳輸電路。檢測部分主要是由NE555定時(shí)器構(gòu)成，檢測電路原理如圖2所示。在電子設(shè)計(jì)中，NE555集成電路除了可作為定時(shí)延時(shí)控制外，還可用于調(diào)光、調(diào)溫、調(diào)壓、調(diào)速等多種控制及計(jì)量檢測等方面。

圖2　食用油摻假探測器的檢測電路原理

由于純凈食用油自身并不導(dǎo)電，電導(dǎo)率極小，其內(nèi)阻Rx=∞，不能使由NE555定時(shí)器構(gòu)成檢測電路中的無穩(wěn)態(tài)自激多諧振蕩電路產(chǎn)生振蕩信號，所以揚(yáng)聲器不能正常發(fā)出響聲。如果檢測的探針插入到含有摻假物質(zhì)的食用油中，油品的電導(dǎo)率增大，Rx的電阻值就會明顯減小，無穩(wěn)態(tài)的自激多諧振蕩電路就會產(chǎn)生振蕩信號來刺激揚(yáng)聲器，從而使揚(yáng)聲器發(fā)出響聲。研究表明，食用油離子濃度逐漸增加后，電阻的電阻性逐漸減小，導(dǎo)電性增強(qiáng)，由此產(chǎn)生的信號變化周期就會減小，產(chǎn)生的信號經(jīng)過電路中的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，輸出得到食用油摻假后的百分比（呈線性關(guān)系）［15］。

探測器顯示電路部分的工作原理是：檢測電路檢測到的信號經(jīng)過連接單片機(jī)P3.2Test引腳傳到單片機(jī)，由程序編寫后的單片機(jī)進(jìn)行處理，傳送到連接在單片機(jī)上的LED數(shù)碼管顯示出不同電導(dǎo)率所對應(yīng)的含油量的百分比數(shù)值，也就直觀判斷出油品中摻假程度。其原理如圖3所示。

圖3　食用油摻假探測器的顯示電路原理

探測器的數(shù)據(jù)傳輸電路工作原理是：在電腦上使用Keil軟件編寫程序后，用相應(yīng)的數(shù)據(jù)線將電腦的傳輸串口和九針傳輸串口連接在一起，然后由MAX232芯片的11/TXD、12/RXD引腳與STC12C5A60S2單片機(jī)的10/RXD、11/TXD引腳連接把程序燒寫進(jìn)STC12C5A60S2單片機(jī)里，其電路如圖4所示。

2.2元器件選擇

關(guān)鍵元器件型號確定和選擇：1）電源：DC 6V；2）檢測電路：NE555定時(shí)器；3）顯示電路：STC12C5A60S2單片機(jī)；4）數(shù)據(jù)傳輸電路：MXA232芯片；5）LED4位7段共陰極SM420564數(shù)碼管；6）YD57-2型8Ω動圈式揚(yáng)聲器；7）九針公頭串口；8）鉭電容、瓷片電容、電解電容；9）RTX-1/8W型碳膜電阻器；10）晶振11.059 2MHz；11）探針。

圖4　食用油摻假探測器的數(shù)據(jù)傳輸電路原理

3　結(jié)果與討論

探測器設(shè)計(jì)與制作完畢后，采用Keil軟件進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分別為主程序、顯示子程序、電導(dǎo)率采集子程序、報(bào)警子程序等。由于篇幅所限，程序清單略。

當(dāng)探針檢測到油品的不同電導(dǎo)率時(shí)，由NE555構(gòu)成檢測電路輸出頻率不同、占空比不同的方波。也就是說，不同的電阻，在單位時(shí)間內(nèi)輸出的方波個數(shù)不一樣。隨著油品中離子化合物等摻假物質(zhì)濃度的增加，液體的導(dǎo)電性越好，液體電阻減小，使得NE555輸出方波的頻率變大，單位時(shí)間內(nèi)檢測到的方波個數(shù)就增加。反之，當(dāng)離子化合物等摻假物質(zhì)濃度減小，單位時(shí)間內(nèi)檢測到的方波個數(shù)就減少。其測試結(jié)果如圖5、圖6、圖7所示。

當(dāng)盛油的容器為金屬材料時(shí)，如果探針碰到金屬部位，電阻為0，則出現(xiàn)如圖8所示波形。因此，使用時(shí)注意探針不要碰到容器壁，以免誤測。

由于食用油中摻有的離子化合物等并非完全、均勻地溶解于食用油中，而是呈團(tuán)狀懸浮在油中，或沉積在容器底部，故在檢測時(shí)探針一定要在容器內(nèi)移動，以便接觸到懸浮團(tuán)，真實(shí)地探測出摻假情況。

圖5　食用油摻假探測器檢測到電阻值20K時(shí)的波形

圖6　食用油摻假探測器檢測到電阻值10K時(shí)的波形

圖7　食用油摻假探測器檢測到電阻值2K時(shí)的波形

圖8　食用油摻假探測器檢測到電阻值0K時(shí)的波形　

4　結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)與探討的基于單片機(jī)的食用油摻假探測器的實(shí)用性高，在檢測食用油中是否添加使食用油電導(dǎo)率發(fā)生變化的離子化合物等摻假物質(zhì)這方面有很好的使用價(jià)值。由于所需元器件精度所限，本裝置的設(shè)計(jì)僅能檢測出食用油是否有摻假現(xiàn)象和摻假后的食用油濃度大小范圍變化情況，若想要檢測出摻假的成分，該裝置還需進(jìn)一步完善和研究。

參考文獻(xiàn)

［1］ 余擎宇，何若瀅.地溝油對人體健康的危害［J］.糧油食品科技，2011，19（4）：36-37.

［2］ 陳媛，陳智斌，張立偉.食用油脂安全性及對人體健康的影響［J］.西部糧油科技，2001，26（2）：42-45.

［3］ 徐大鱗.食用油脂的監(jiān)督亟需加強(qiáng)［J］.上海預(yù)防醫(yī)學(xué)雜志，2003，15（1）：35-37.

［4］ 朱銳，王督，楊小京，等.電導(dǎo)率測定在鑒別食用植物油摻偽應(yīng)用研究［J］.糧食與油脂，2008（11）：42-43.

［5］ 曹文明，薛斌，楊波濤，等.地溝油檢測技術(shù)的發(fā)展與研究［J］.糧食科技與經(jīng)濟(jì)，2011，36（1）：41-44.

［6］ 張強(qiáng)，陳秋生，劉燁潼.地溝油識別與檢測方法研究現(xiàn)狀［J］.糧食與油脂，2010（9）：39-40.

［7］ 段寶榮，譚樹志.分析地溝油檢測技術(shù)及應(yīng)用進(jìn)展［J］.西部皮革，2011，33（12）：51-54.

［8］ 宋玉峰，王微山，楊學(xué)軍，等.食用油摻假檢測方法研究進(jìn)展［J］.中國食物與營養(yǎng)，2012，18（3）：9-12.

［9］ 陳守江，張慶勇.泔水油的電導(dǎo)率與其品質(zhì)關(guān)系探討［J］.安徽技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，18（2）：31-33.

［10］胡小泓，劉志金，鄭雪玉，等.應(yīng)用電導(dǎo)率檢測潲水油方法的研究［J］.食品科學(xué)，2007，28（11）：482-484.

［11］吉禮，車振明，李明元.電導(dǎo)率法快速甄別泔水油的研究［J］.中國油脂，2009，34（3）：75-77.

［12］彭進(jìn)，黃道平，劉吉星，等.電導(dǎo)率的測定在鑒別潲水油中的應(yīng)用研究［J］.實(shí)用預(yù)防醫(yī)學(xué)，2007，14（3）：878-879.

［13］胡立志，朱秀清，馮曉，等.食用油和脂肪酸的介電特性［J］.食品工業(yè)科技，2010（12）：82-86.

［14］宋起超，邵國平，趙洪濤.基于AT89S52的溫度控制器的設(shè)計(jì)［J］.黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，21（1）：54-56.

［15］朱銳.食用油摻地溝油檢測方法及裝置研究［D］.昆明：昆明理工大學(xué)，2010（10）：40-49.

［責(zé)任編輯：郝麗英］

Design of edible oil adulterated detector based on MCU

WEI Guofeng，REN Zhongxian，DONG Rongjie
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Heilongjiang Institute of Technology，Harbin 150050，China）

Abstract：Edible oil is necessary in people's daily life.In order to obtain higher profits，the criminal actions of edible oil adulteration have harmed the benefits of consumers and damaged the health of their bodies seriously.Therefore，it has very practical significance to design the instrument for simple and rapid detection of edible oil adulterated.In this paper，based on the principle of electric conductivity measurement，a timer NE555of detection circuit and STC12C5A60S2micro control unit display circuit are used to detect the changes of edible oil electric conductivity and quickly determine the edible oil adulteration and degree of adulteration.Results show that the designed circuit is simple with low cost，easy to use，stable and reliable work，which can be used for edible oil adulteration detection in the initial screening stage.

Key words：MCU（Micro Control Unit）；edible oil；adulteration；electric conductivity；frequency method

中圖分類號：TP216+.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-4679（2016）02-0024-05

收稿日期：2016-01-30

基金項(xiàng)目：黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（12531560）

作者簡介：魏國豐（1970-），男，教授，研究方向：光機(jī)電一體化技術(shù)；數(shù)控技術(shù).