李凱+張浩楠+葛延騰+崔璨

摘 要：文中設(shè)計(jì)的肉質(zhì)鮮度檢測儀基于ARM內(nèi)核的STM32微控制器，以H2S氣敏元件和AD5933阻抗測量芯片為核心，結(jié)構(gòu)簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)快速測量以及無損檢測。該產(chǎn)品具有小巧輕便，手持可用等特點(diǎn)，免去了檢測理化特性帶來的不便，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞：ARM；STM32；快速測量；無損檢測

1 作品簡介

你的專屬“氣味尚宮”是基于ARM內(nèi)核的STM32微控制器，以H2S氣敏元件和AD5933阻抗測量芯片為核心，以實(shí)際的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為依托，搭建只需10多秒即可快速判定肉質(zhì)的便攜肉質(zhì)鮮度檢測儀。

本產(chǎn)品利用肉質(zhì)腐敗時(shí)揮發(fā)出的H2S氣體來檢測肉質(zhì)鮮度。經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)得到其相關(guān)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)編程以實(shí)現(xiàn)其功能，功能可靠。

本產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)快速測量以及無損檢測。長度約15 cm，寬約5 cm，高約1.5 cm，重量約為80 g，便于攜帶。該產(chǎn)品利用H2S氣敏元件，搭乘STM32微控制器，可十多秒快速測量肉質(zhì)鮮度，并將所測內(nèi)容顯示在OLED屏幕上。同時(shí)在檢測肉質(zhì)鮮度時(shí)，由于利用氣體傳感器，故檢測時(shí)不與肉類發(fā)生接觸；在檢測肉質(zhì)注水度時(shí)，將探頭置于樣本兩端可很快完成測量，觀察液晶屏幕顯示的結(jié)果即可獲知含水量。此舉保證了肉質(zhì)的無損性。

專屬“氣味尚宮”實(shí)物圖如圖1所示。

2 工作原理

其工作原理如圖2所示。

2.1 肉質(zhì)新鮮度

2.1.1檢測原理

我國食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5009.44—2003《肉與肉制品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)分析方法》中以揮發(fā)性鹽基總氮（TVB-N）測定作為肉新鮮度指標(biāo)。然而，TVB-N的檢測較為復(fù)雜，在組成肉類的氨基酸中，有一些含有硫氫基的氨基酸，在肉品腐敗分解過程中，在細(xì)菌產(chǎn)生的脫硫基酶作用下發(fā)生分解能放H2S，以及其他揮發(fā)性氣體如NH3。因此可根據(jù)肉類在不同時(shí)期釋放氣體的程度來檢測肉質(zhì)的新鮮度。

我們在試驗(yàn)中對H2S/NH3兩種氣體均進(jìn)行了檢測，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，H2S氣體檢測靈敏度較高，因此我們選擇H2S氣體傳感器。

傳感器（測量范圍為1～100 ppm范圍）通過測量當(dāng)前環(huán)境中的H2S濃度，以一定時(shí)間間隔返回一個(gè)模擬電壓值，通過標(biāo)定可以得到實(shí)際濃度。由于濃度與空間體積有關(guān)，因此有效的是在一定溫度下，單位時(shí)間單位體積肉品釋放的速率。氣體傳感器如圖3所示。

2.1.2 使用方法

（1）首先將探測器置于空氣環(huán)境中5 s，STM32通過AD轉(zhuǎn)換每0.375 s讀取氣敏元件傳回的數(shù)值并存儲(chǔ)。排序后舍掉最低的30%數(shù)據(jù)（通過圖像分析發(fā)現(xiàn)傳感器數(shù)值在真值附近波動(dòng)，但有少部分分布在較低的水平），求平均數(shù)后測得環(huán)境溫度及空氣中傳感器讀值的平均數(shù)作為肉品釋放H2S氣體速率的零值標(biāo)準(zhǔn)。

（2）將探測器頭部置于裝有待測肉樣本的小塑料口袋中，測量十余秒。當(dāng)程序中檢測到電壓數(shù)值驟降時(shí)開始存數(shù)，存滿一定范圍對數(shù)據(jù)做最小二乘回歸處理，求得斜率k。

（3）與實(shí)驗(yàn)測得的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)做匹配，最終輸出肉質(zhì)等級。

15日，H2S，3號肉開口放置，環(huán)境溫度32°密閉測量值回歸分析如圖4所示。

2.2 注水肉

2.2.1 檢測原理

通過查閱文獻(xiàn)，我們了解到肉類水分含量與肉品阻抗特性存在明顯的對數(shù)關(guān)系：Zx=a+logb（M）

Zx為待測肉樣本的阻抗，M為肉制品水分含量，a，b均為常數(shù)，取值與被測肉類的品種有關(guān)。文中采用AD5933高精度阻抗測量芯片，不僅能測得阻抗，還可以測量環(huán)境溫度。

AD5933測量阻抗的原理類似運(yùn)算放大器，將測得的阻值和抗值分別存在實(shí)部、虛部寄存器中，通過I?C協(xié)議與STM32通信，由讀得的兩數(shù)據(jù)求模即可得到肉樣本的阻抗值。通過內(nèi)置到程序里的標(biāo)定表，輸出其測得的樣本含水百分?jǐn)?shù)。

2.2.2 使用方法

將探頭置于樣本兩端即可很快完成測量，觀察液晶屏幕顯示的結(jié)果可獲知含水量。

3 創(chuàng)新點(diǎn)

相比于傳統(tǒng)方法，該作品利用H2S氣體傳感器進(jìn)行肉質(zhì)鮮度檢測，將吸收到的氣體信號通過AD轉(zhuǎn)換以數(shù)字形式顯示在單片機(jī)中，檢測速度快，方式新穎，并且免于與肉體進(jìn)行接觸，保證肉質(zhì)檢測時(shí)的無損性。此外，該作品利用AD5933阻抗芯片無損檢測肉質(zhì)注水程度，符合當(dāng)前社會(huì)研究的主要方向。同時(shí)使用OLED屏幕顯示內(nèi)容，在減少該儀器總體質(zhì)量的同時(shí)，也保證了其顯示內(nèi)容的準(zhǔn)確性。采用轉(zhuǎn)電壓模塊，普通電池就能供電，使用便捷。

就作品本身而言，該肉質(zhì)鮮度檢測儀小巧輕便，手持可用，免去了檢測理化特性帶來的不便，減少了傳統(tǒng)方法的繁瑣程度。

4 市場前景

隨著肉類消費(fèi)量的增加，肉質(zhì)鮮度的檢測成為當(dāng)前的熱點(diǎn)問題。我們設(shè)計(jì)的這款肉質(zhì)鮮度檢測儀方便攜帶、簡便快速、操作可靠，是一款符合當(dāng)前社會(huì)潮流的技術(shù)作品。另外相對于國內(nèi)外針對該類產(chǎn)品的研究，大多處于實(shí)驗(yàn)室階段，需嚴(yán)格保證其無菌性、溫度等，而現(xiàn)行所有的電子技術(shù)也因其價(jià)格高昂，難以推廣。

希望未來的肉質(zhì)鮮度檢測儀可以小型集成化，進(jìn)一步集成與手機(jī)相接，通過手機(jī)供電，以手機(jī)平臺(tái)為依托進(jìn)行處理和顯示；探測多元精準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)與手機(jī)互聯(lián)計(jì)劃，加入視覺處理或其他檢測手段，組合達(dá)到最高的檢測精度；無損化，使用的檢測手段盡量無損化，便于消費(fèi)者在購買時(shí)鑒定使用；功能多樣化，除了檢測注水肉，肉品新鮮度，還試圖加入肉的種類測定及其他功能；成本最低化，做市場推廣時(shí)，必然要降低成本，使其性價(jià)比更高；實(shí)時(shí)化，可以置于冰箱中與肉品放在一起，實(shí)時(shí)檢測肉品的保存質(zhì)量；達(dá)到平臺(tái)系統(tǒng)化，建立一個(gè)高品質(zhì)肉類生產(chǎn)到銷售的完整平臺(tái)。該平臺(tái)具有如下特點(diǎn)：

（1）肉品宰割時(shí)由屠宰場將肉的品種、宰割時(shí)間等信息以二維碼（有加密措施）的形式噴在肉皮上，替代原始的噴標(biāo)。

（2）每經(jīng)過一層中間處理或銷售，就在該層將信息更新到二維碼中。

（3）到最終銷售商販時(shí)，消費(fèi)者可以通過手機(jī)掃描該二維碼獲取肉質(zhì)基本信息，然后無損檢測欲購肉品的狀況。