低功耗_生物燃油与地沟油快速检测仪

摘要随着生物燃油替代石油步伐的加快和公众食品安全意识的提高，对生物燃油与地沟油快速检测的需求极为迫切。利用不同油相对介电常数的差异并考虑到温度是影响油特性的重要因素，设计了直筒一体化传感器和 MSP430 最小系统，开发了一种能够快速检测生物燃油混合比和鉴别出地沟油的仪器。该仪器具有低功耗、检测结果可靠、便携式和显示直观等优点。关键词：MSP430 ；生物燃油 ；地沟油；介电常数；传感器 ABSTRACTWith the rapid development of substituting biofuel for petroleum and the enhancement of publics consciousness of food safety, it is necessary for the detection of biofuel and hogwash oil. Using the relative dielectric constant difference among various oils and considering the important effect of temperature on oil property, an instrument for rapidly detecting mixed ratio of biofuel and identifying hogwash oil has been developed with the straightly-integrative-canister sensor and the minimum system of MSP430. The instrument has the advantages of low-power, high reliability, portable and intuitive demonstration.Key words: MSP430; biofuel; hogwash oil; dielectric constant; sensor11 引言生物燃油可由餐饮垃圾 1、地沟油 2、大豆 3、橡胶籽 4、麻疯树 5、桐油 6、海藻 78以及秸秆、木屑与甘蔗渣 9等原料通过高压液化、溶剂分解、快速热裂解、发酵等 10方法制备，是一种清洁的可再生能源，也称之为“再生燃油” 。 生物燃油及其混合物（与柴油按一定比例混合再经过乳化处理）与石油相比，具有如下的优点：供应不受资源储藏量制约，价格便宜且性能稳定；排放废气中有害物含量少，废气中硫、苯、微粒物、CO 、HC 含量低；生物分解率高；具有较好的润滑性能和低温发动机启动性能。近些年，生物燃油生产工艺的提高降低了其制备成本，而传统的石油由于资源日益枯竭、国际地区形势的不稳定以及石油输出国组织的控制，使得国际原油价格节节攀升，这些都促使了生物燃油替代石油步伐的加快和其应用范围的日趋广泛，如使用生物燃油的汽车 11、飞机 12-13、游艇 14和工业锅炉 15已见于国内外报端。据从事生物燃油生产的美国 UOP 公司预测，到 2020 年，全世界将有 40%生物燃油代替传统燃油 16。生物燃油有利于降低对外的石油依存度、调整能源供应结构、推动农业经济发展和促进就业，生物燃油即将步入蓬勃发展的黄金时期。采用不同原料、不同工艺制备的生物燃油以及不同混合比混合物的特性直接决定了燃油的热值性能和可应用的范围，若能实现对生物燃油种类与混合比的快速测定，则能够指导生物燃油的合理使用，提升生物燃油的使用效能，为未来的生物燃油科学分类和质量监督提供技术保障。因此，开发生物燃油及其混合物的快速检测仪具有十分重要的意义。目前，对于生物燃油的检测，主要方法是色谱法和光谱法等，通过昂贵的仪器能够检测出生物燃油的成分，测量精度高，但存在成本高且费时的缺点。文献17提出一种基于频率响应特性的生物燃油混合比检测方法，传感器采用 6 块平行黄铜板，信号发生器发射多频点信号，振幅与相位差检测器测量出油的频响，应用 PLS 和 Stepwise 回归拟合法识别生物燃油的混合比，仪器设计复杂且传感器存在板间平行不宜控制的问题；文献18 采用 MAX038 产生高频脉冲，再用 74HC393 进行分频，但未给出传感器设计和检测效果。上述方法都未考虑温度和液位对检测结果的影响，而油温是决定油物理特性的关键因素，液位高度是影响电容大小的重要因素。地沟油，泛指生活中的各类劣质油，如从下水道中的油腻漂浮物或餐饮行业的泔水、从劣质猪肉、内脏或猪皮和反复使用的炸油中提炼加工出的油，经过不法者的勾兑，摇身变成餐桌上的“食用油” 。由于地沟油中含有细菌、真菌、霉素、苯并芘以及超标的铅、砷，长期食用会引发癌症，对人体的危害极大 19。由于存在很大的经济诱惑，仍有人铤而走险销售地沟油。2011 年全国公安机关2破获一批跨省特大地沟油案件，打掉了非法利用地沟油炼制食用油的犯罪链条，揭开了不法分子（包括一些正规的粮油生产企业）利欲熏心、丧尽天良，制造有毒有害食用油的犯罪黑幕，反映出的问题令人触目惊心。快速准确检测出地沟油是其流向管理的前提。因此，开发出能够快速准确鉴别出地沟油和食用油的仪器对于保障食品安全，保护人民身体健康具有重要的意义。采用对于地沟油的检测，由于其特异性不强再加上造假技术的提高，按照目前现行的国家强制性标准食用植物油卫生标准 （27162005） 检测地沟油也可能合格 20。目前网络上流传的三种地沟油鉴别方法，一是通过看、闻、尝、听、问，二是通过降温至 05看油是否凝固 21，三是通过大蒜油炸辨别 22。 第一种主要凭借个人经验，第二种并不科学，因为有的植物油如椰子油、花生油和棕榈油凝固点也较高并且市场上有降低油凝固点的化学药剂(抗结剂)，第三种方法经试验并不靠谱。综上所述，采用化学方法检测生物燃油和地沟油成本高昂、周期较长，传统经验方法检测结果不可靠，而已有的物理方法传感器设计复杂且未对影响油介电常数的因素作全面分析。项目组针对生物燃油和地沟油实时检测的迫切需求，在充分考虑温度与液位对油特性影响的基础上，开展了利用不同油相对介电常数差异检测生物燃油和地沟油的研究，自主研发了直筒式温度与电容一体化传感器和低功耗 MSP430 最小化系统，通过样本液位控制和不同温度下油特性建表与存储，实现了生物燃油混合比的可靠检测和地沟油与食用油的准确鉴别。2 系统方案 2.1 系统设计2.1.1 整体思路本项目针对生物燃油和地沟油检测的迫切需求，借鉴和分析国内外已有方法的优缺点，利用不同油相对介电常数的差异并考虑到温度和液位是影响油特性的重要因素，优化设计传感器和充分发掘 MSP430 开发板资源，遵循自顶向下、逐层分解、软件模块化原则，通过计算机仿真与验证、面包板搭建与测试、系统设计与联调三个步骤，开发了生物燃油和地沟油的快速检测仪，实现了生物燃油混合比检测和地沟油与食用油的鉴别。32.1.2 开发流程设计需求分析计算机仿真仿真结果完成功能 ？面包板电路搭建电路测试测试结果满足要求 ？系统设计系统联调联调结果达到指标 ？项目开始项目结束否是否否是是图 2.1 系统开发流程图 2.1 给出了系统开发流程，主要包含三个步骤：计算机仿真与验证、面包板搭建与测试和系统设计与联调。下面依次予以介绍：首先，项目组在明晰需要解决的问题后，对设计需求进行认真分析，如项目背景调研、已有方法及应用的优缺点分析、拟采用技术路线的初步确定、关键电路参数的计算等；其次，项目进入计算机仿真与验证阶段，对关键模块如电容传感器中的振荡电路、MSP430 最小系统中的电压跟随器进行计算机仿真，以验证关键参数和为下一步的芯片选型提供指导，若仿真结果能完成功能则进入下一步，否则需要对设计进行修正并返回至计算机仿真开始处；然后，项目进入面包板搭建与验证阶段，采购面包板、电子元器件后按照计算机仿真搭建实验电路，加电进行电路测试，重点验证振荡电路的输出能否被 MSP430 定时器捕获、温度传感器的输出能否有效采样和液晶能否正常显示，若测试结果能满足要求则进入下一步，否则返回至计算机仿真开始处；最后，项目进入系统设计与联调阶段，系统设计主要包括直筒式温度与电容传感器一体化设计、低功耗 MSP430 最小系统的设计等，系统联调主要包括不同油随温度变化的特性建表与存储，生物燃油混合比的测试和地沟油与食用4油的鉴别实验。2.1.3 系统框图传 感 器 模 块低功耗单片机开发板待 检 测 油存 储模 块显 示模 块控 制模 块检 测结 果电源模块反 映 油 介 电 常 数 的振 荡 频 率 ； 反 映 油温 度 的 电 压 信 号功 能选 择油 编 号温 度 值脉 冲 数M S P 4 3 0 最 小 系 统图 2.2 生物燃油与地沟油快速检测仪系统框图图 2.2 给出了本项目的系统框图，系统主要由传感器模块与 MSP430 最小系统两部分组成。传感器模块是自主研发的直筒式一体化传感器，可输出反映油温度的电压信号与反映油介电常数的振荡信号。MSP430 最小系统包括单片机开发板、液晶显示模块、控制模块、存储模块和电源模块，单片机开发板完成温度电压信号的采样、振荡信号的脉冲捕获与计数、待检测油的识别和检测；存储模块负责存储不同油随温度变化的脉冲数；控制模块负责生物燃油与地沟油两种功能的切换，通过短按进入前者，长按进入后者；显示模块输出检测结果，包括温度、脉冲数和识别出的油品种。2.2 模块简介2.2.1 传感器模块传感器的性能直接决定系统检测油的可靠性，因此传感器的设计是整个系统设计的关键。项目组在设计传感器时主要考虑了如下三个方面：（1）由于不同油的相对介电常数存在差异，不同种类的油填充到电容器的两极间时，电容器的电容值将会不同，利用 NE555RC 振荡电路起振快的优势，将相对介电常数的差异转换为输出信号频率的差异；（2）为降低分布参数对传感器输出信号的影响，设计出直筒式一体化传感器，将传感器分为上下两部分，上部嵌入传感器电路，下部由双金属筒构成电容器；双金属筒设计有如下优点，即使内金属筒被固定时有偏心现象，两筒间的体积始终保持不变； （3）考虑到液位和温度是影响输出信号频率的重要因素，采用油浸没至排气槽保证液位一致，采用温度传感器实时监测油温，内金属筒用绝缘胶固定温5度三极管 AD590，保证三极管能完全浸没至油中，通过精密的可调电阻和五位半表在冰水混合物和沸水环境下校准温度传感器。2.2.2 MSP430 最小系统MSP430 最小系统是整个系统的核心，设计应充分发挥单片机msp430g2231 的性能。为此，项目组在设计最小系统时做了如下考虑：（1）单片机待机时进入低功耗模式；（2）采用内部定时器 A 同步捕获振荡信号，利用被测信号与定时时钟的频率差异保证计数脉冲的准确； （3）使用电压跟随器降低最小系统输入阻抗对温度传感器输出电压的影响；（4）合理分配 MSP430 管脚资源：选用串行数据线的外设，如存储芯片AT24C02、液晶 LCD12864；输入按键仅 1 个，通过短按与长按区分检测生物燃油与地沟油的两种功能；（5）采用 9V 电源供电以便携，选稳压芯片 LM7805 将电压降至 5v，用5v 电压为系统供电，5v 电压经 3 个二极管降压后给单片机供电，保证单片机为模数转换 ADC（Analog-to-Digital Converter）提供参考的内部电压的稳定。3 硬件设计3.1 传感器设计3.1.1 传感器结构1 m m9.5cm29cm电 路 板排 气 孔温 度 传 感 器连 接 处填 充 油 介 质硅 胶 封 堵排 气 孔 上 部 硅胶 封 堵图 3.1 传感器结构图6图 3.1 结出了传感器的结构示意图，传感器由两个金属圆筒组成，内外两个圆筒构成电容器的两个极板，极板间距 1mm，其间填充所要测的油；内圆筒底部嵌入一温度传感器，用于实时测量油温度；传感器上开一排气槽，排气槽以上用硅胶封堵，当油超过排气槽时，将从排气孔流出，使两极板间油的体积不再增加，从而保证每次进入两极板间的油等量；传感器上部嵌入传感器电路，油经传感器输出反映其介电常数的振荡信号及反映温度的电压信号。3.1.2 传感器原理及仿真（1）电容传感器电容传感器原理充填待测油的电容值可表示为：(1)0rCSb其中 为真空中的介电常数； 为待测油的相对介电常数；1208.540FmrS 为电容器的面积； b 为电容器两极间的距离。从中可以看出，由于不同油的相对介电常数有差异，这种差异可以表征为电容值的变化。电容值可以由其构成的 RC 振荡电路的振荡频率计算出来，振荡频率 与电f容 的关系为：C(2)12()CRf其中 为充电时的电阻， 为放电时的电阻。从式(2)可以看出，输出振荡信号1R2的频率变化可以反映电容值的变化；联立式(1)和(2)，可以看出 越大，输出振r荡信号的频率越小，即输出振荡信号的频率能够表示不同油的特性。对式(2)求偏导有：(3)21()dCdfR从式(3)可以看出，输出信号频率越大，对不同油相对介电常数差异导致的电容变化越敏感，但是后续用单片机测频受限于定时时钟频率，如果定时时钟频率不远大于输出信号频率，则测频有可能不准，另外输出信号频率也不能太低，如果 和 选取过大，一是会导致振荡器停振，二是大电阻将提高对电1R2阻精度的要求，增加成本。经权衡考虑，传感器在空气中时的振荡频率选取15KHz 左右较合适。振荡电路方案与仿真根据以上分析，我们考虑了两种振荡电路方案，一种是由比较器 LM311 构成的弛张振荡器；另一种是由 NE555 构成的振荡器，并通过计算机仿真比较。7方案一：比较器 LM311 构成的弛张振荡器比较器构成的 RC 振荡电路如图 3.2 中左子图所示。图 3.2 LM311 弛张振荡器及仿真结果由 Workbench 仿真得到的结果如图 3.2 右子图所示，可见形成稳定的振荡信号需要一定的起振时间，这是由于这种振荡器是反馈式振荡电路导致的。若采用这种振荡电路方案，则实际测量时可能因振荡未达到稳定而导致误测，不能达到快速检测的要求。方案二：NE555 构成的振荡器比较器构成的 RC 振荡电路如图 3.3 中左子图所示。图 3.3 NE555 振荡电路及仿真结果NE555 工作于多谐振荡时，其频率可表示为：(4)1.4(2)ABfRC其中 为 VCC 与 DIS 管脚间的电阻， 为 DIS 与 TRI 管脚间的电阻，C 为ARTRI 与地间的电容。对应仿真 RC 振荡电路图中， ， 251ARK8, ,代入式（4）计算可得：3510BRK270TCpF(5)3121.5.9(5)f KHz振荡信号低电平与高电平的比例为(6)03214LBHAtRrNE555 工作于多谐振荡时，其频率可表示为：(7)1.4(2)ABfRC其中 为 VCC 与 DIS 管脚间的电阻， 为 DIS 与 TRI 管脚间的电阻，C 为ARTRI 与地间的电容。对应仿真中， ， , 251AK3510BRK，代入式（7）计算可得：20TCpF(8)3121.4.9(520)70f Hz振荡信号低电平与高电平持续时间的比例为(9)53214LBHAtRr由 MultiSim 仿真得到的结果如图 3.3 右子图所示，由仿真结果可以看出，NE555 构成的振荡电路加电立即起振，可以满足快速检测的需求。由仿真示波器观察可得：输出信号频率为 15.1KHZ，低电平持续时间为 66.4us，高电平持续时间为 37.6us，低电平与高电平的持续时间比例约为 28.8us，与理论计算吻合。实际设计时，考虑到电阻有一定误差，我们采用固定电阻与可调电阻搭配的方式，通过调整使得实际输出信号频率达到设计要求。（2）温度传感器温度传感器原理选用恒流