毕业设计（论文）-肉类水分快速测定仪设计.doc

湖南大学本科毕业设计论文肉类水分快速测定仪设计1肉类水分快速测定仪设计摘要肉类水分快速检测具有积极的社会意义和巨大的经济价值,而市场上至今仍没有一种能够快速，简便测定肉类水分的适宜仪器。本文通过研究肉品的交流导电特性，设计了一种针状多电极肉类水分快速测定仪，给出了硬件电路与软件程序。仪器以单片机PIC16C71为信息处理核心，以10次随机采样的算术平均值为测量结果示值；通过设置不同的基准值，可以快速测定各种肉类的水分含量，且不损坏被测样品。仪器结构简单，操作方便，具有欠电提示、工作状态显示、采样次数显示和基准值自动计算等多种智能功能。测试结果显示，仪器具有较高的准确性和较好的重复性，应用前景广阔。关键词：肉类，水分，交流导电特性，针状电极TheDesignofaInstrumentforMeasuringMoistureContentinMeatRapidly(Abstract)Ithasgreatsignificanceandlargeeconomicsvaluetomeasurethemoisturecontentinmeatrapidly.Butuntilnow,thereisnosuitableapparatusinthemarket.ThispaperhasinvestigatedtheAC-conductivitynatureofmeatanddesignedaneedle-shapemulti-polemoisturesensorasmeasuringinstrument.Hardwarecircuitandsoftwareprogramarebothpresented.Themicrocontrolleristheinformation-processcore,andusethearithmeticaverageoftentimesrandomsampleastheresulttodisplay.Thisapparatuscanmeasurethemoisturecontentofallkindsofmeatsthroughoutsettingdifferentbenchmark.Inaddition,theoperationisveryeasily.Ithasmanyintelligentfunctionssuchaslack-of-powershow,work-stateshow,sample-timesshow,benchmarkcomputationandetc.Testingresultsshowthisapparatushasprettyhighveracityandamplitudeapplicationforeground.Keywords:meat,moisture,theAC-conductivitynature,needle-shapepole湖南大学本科毕业设计论文肉类水分快速测定仪设计2第1章引言水分含量是直接影响肉类加工、贮藏与食用的一项重要质量指标。肉类的水分不仅是其细胞的必要组成部分，还是维持肉类本身保持其色、鲜、味及食用品质所必须的基本条件。肉类中的水分含量过高，细菌、霉菌的繁殖加剧，容易引起肉的腐败变质。而脱水干缩不仅使肉品失重，造成直接经济损失，而且破坏有机质，影响肉的颜色、风味和组织状态，并引起脂肪氧化。近年来，随着人们生活水平的不断提高，各类鲜肉的食用量越来越大，人们对鲜肉的质量要求也越来越高。但某些不法商贩为谋取暴利，用注水肉充当正常鲜肉在市场上出售。不法商贩们对家禽兽注水，途经很多，一是在宰杀前通过食道灌水，二是宰杀后通过动脉管注水，有的甚至在销售前直接用针头对肌肉内注水。经过注水的肉，不仅风味尽失，而且易滋生病菌，经常食用极易导致身体疾病，但注水肉在外观上和正常鲜肉无明显区别，消费者在购买时，很难从感官上作出判断，大多数情况下，会把注水肉当作正常鲜肉食用。对于不法商贩，出售注水肉可以给他们带来巨大的利润。暴利的驱使下，注水肉在市场上泛滥成灾，已经成为严重威胁人们身体健康的一大公害，许多地方的市民“谈肉色变”。据中央电视台报道，过去仅天津蓟县每年就要向北京销售8000吨注水牛肉，这一数量占北京市牛肉年销售总量的20%。更有甚者，一些地方竟然出现屠宰、注水、出售一条龙的现象。在这种情况下，消费者往往把杜绝注水肉的希望寄托于工商执法部门。然而，由于缺乏合格的检测仪器，长期以来，工商执法人员在市场上检测肉类水分含量时大多采用土办法，即用卫生纸挤压肉根据纸的湿度判断水分含量，或仅从肉的色泽，粘度、气味、弹性度等方面凭感官判断，这种经验判断方法无法实现定量检测，容易引起矛盾纠纷，无法从根本上解决注水肉泛滥的问题。因此，有关部门和广大消费者一直迫切希望找到一种能够简便、快速并且准确地测定肉类水分含量的方法，彻底消灭注水肉。为此，我们研究了肉品的交流导电特性，设计了一种针状多电极水分快速检测传感器，研制了以单片机PIC16C71为信息处理核心的肉类水分快速测定仪。该仪器具有广阔的应用前景。湖南大学本科毕业设计论文肉类水分快速测定仪设计3第2章仪器的测量原理本章首先分析了肉类中的水分构成，然后对现有的几种水分检测的方法进行了详细介绍和分析，比较了各自的优缺点，探讨其测量肉类水分的可行性，得出结论：现有的水分检测方法均不能对肉类中的水分含量进行准确快速测定。最后，文章研究了肉制品的交流导电特性，发现肉制品的阻抗与水分含量存在对数关系，并以此作为仪器的测量原理进行设计。2.1肉类中的水分要对肉类中的水分含量进行准确的测量，首先应对肉类中的水分构成进行详细研究。水分是肉类的主要成分，肉可以看作是一个复杂的胶体分散体系，水为溶媒，其它成分为溶质，这些溶质以不同的形式分散在溶媒中。家畜禽肉体中的水分分布并不均匀，表1中列出了肉体主要部位的水分含量。表1肉体几种主要部位的水分含量（%）肉体中的水分大致以3种状态存在：（1）结合水结合水是指与蛋白质分子表面借助极性基因与水分子的静电引力而紧密结合的水分子层，约占正常肌肉总水分的5。结合水性质稳定，不易散失，在温度为40时也不结冰,不能做溶剂,不参与物质内部的生化反应,生理活性很弱,较为稳定。要排除这种水,需要消耗较多的能量。（2）不易流动水肌肉中的大部分水分（约占正常总水分的80%）以不易流动水状态存在于肌纤维、肌原纤维及膜之间，称为不易流动水，其量取决于肌原纤维蛋白质凝胶的网状结构变化。不易流动水可以溶解盐等物质，在0或以下温度时会结冰。（3）自由水自由水是指存在于细胞外间隙中能自由流动的水，这种水分占正常肌肉总水分15%。部位名称肌肉皮肤骨骼水分含量708060701215湖南大学本科毕业设计论文肉类水分快速测定仪设计42.2常用水分检测方法2.2.1烘干失重法肉类等固体物质水分含量检测的标准方法是烘干失重法，家畜禽肉类水分检测方法为GB9695.15-1988肉与肉制品水分含量测定。烘干失重法又称经典方法，即105恒重法和定温定时烘干法。烘干失重法需要使用分析天平和电烤箱，电烤箱用来加热试样，试样中的水分蒸发主要靠热传导。设待测试样的重量为W0，完全失水后的试样重量为W，则试样的水分百分比含量为%10000WWWM（2-1）烘干失重法的优点是测量准确、可靠，但操作复杂，费时费电，而且由于电烤箱的温度波动较大，容易损坏试样，所以，烘干失重法只宜于实验室使用，不能用于生产、加工、考察现场。2.2.2电测法20世纪80年代以来，电测法水分快速检测技术得到了迅速发展。电测法根据物质水分含量对其导电特性、介电特性、能量消耗等因素的影响，间接测量水分含量，测量速度快，测量信息的传输与处理方便，易于实现取样、测量、信息传输、显示和控制的计算机管理，是当今水分检测技术的发展热点。电测法可分为红外法、微波法、直流电阻法及交流电容法。红外吸收法这是一种光学式的测定方法。其原理是：水吸收照射物料的红外波长，光被吸收的数量就按水分含量的多少而发生变化。利用红外源投射到被测物，从反射或透射的能量变化换算出水分值，水的红外吸收峰有好几个，红外的水分测定仪通常是选择波长为1.64m或1.94m单色光作红外辐射源。根据比尔朗伯定理，红外线通过水分时被有选择地吸收，通过被测样品后的光强为ktmeII0（2-2）式（2-2）中，0I为投射出的光强，k为吸收系数，t为被测物厚度，m为被测样品水分含量，两边取对数，得到被测样品的水分含量为湖南大学本科毕业设计论文肉类水分快速测定仪设计5IIktM0ln1（2-3）从理论上讲，若k，t为定值，M与II0ln呈线性变化。但是由于红外线照射到被测样品是无规则散射，除水分外，被测物的杂质对红外也会吸收和散射，而且随被测样品成分的改变，光能的损失也不同。为减少误差影响因素，通常采用参比技术，即双波长法，其中，比较波长不是在水分吸收峰内，但又与测量波长非常接近，因此，误差因素对测量的影响可以通过比较波长的通道测得，由后续数据处理单元将比较通道与测量通道的信号对照后，抵消误差影响，保证测量准确性。红外测水分法具有快速、高精度、非接触式测量等优点。适用在连续、自动测量中。其缺点是只能测材料表面的水分，仪器的输出因不同物质而异，且造价高。微波法水的相对介电常数特别高（80）,在超高频范围内存在介电损耗的最大值，利用超高频能量通过含水物质产生能量损耗，相移或发射波参数的变化，可以换算出水分值。根据电磁能量关系，超高频能量在含水物质中的衰减量W（dB）为W8.686BtektMsas2cos2（2-4）式（2-4）中，M为相对水分含量，为密度因素，k为材质因素，为空气被测物之间反射系数的模，s为水的衰减系数，t为被测物厚度，B为含水物质的相数。当t足够大时，Btesa2cos2趋于0,由式（2-4）可得被测物质的相对水分含量ktWMS686.8（2-5）由式（2-5）可以看出，及k是与被测物质的材质有关的，因此，被测物质的种类和成分组成都将对测量产生影响。直流电阻法和交流电容法直流电阻法和交流电容法是较早被用来测量水分含量的两种方法。交流电容法是基于物质含水量不同时，其介电系数不同这一原理。因为水的介电常数是80，比许多动植物肌体材料的介电系数（约25）大得多，被测样品含水量的变化必将引起其介电常数的相应变化，含水量越高的样品，其相对介电常数也越大，所以，通过湖南大学本科毕业设计论文肉类水分快速测定仪设计6测定样品的电容即可间接测量出样品的含水量。以电容法测量水分含量的仪器通常称为电容式水分仪。电容式水分仪一般将取样传感器做成量筒或量杯式，这样就要求被测物为颗粒状或粉末状，不宜测量肉类等固体物质。而且，被测物质介电常数的变化随水分含量的变化并非线性，因此，电容量C的变化与水分含量M的关系为非线性关系。对于某种物质，其CM曲线很难用一个简单的函数来描述。另一方面，电容量受温度变化的影响较大，温度升高，电容量增大。因此，电容法水分检测的非线性补偿和温度补偿十分重要。直流电阻法也称电导法，根据被测物水分含量变化时，其直流电阻随之呈线性变化的原理来测量物质的含水量。因为动植物肌体的直流电阻较大，而水的电阻相对较小，被测样品的含水量变化，必将引起其导电能力的变化。含水量越高，电阻越小，通过测定样品的电阻即可间接测量出样品的含水量。分析以上几种测定水分的方法，不难发现微波法和射线法组成的水分仪体积较大、造价高、操作麻烦，不宜于现场携带。而电阻法与电容法测量的共同特点是较其它诸法硬件结构简单、成本低、操作简单、易行。因此便携式水分快速测定仪主要采用电容法和电阻法。但是，这两种方法都存在一定的问题：两者共同的缺点是测量精度不高，约在13%，且性能不够稳定。其中电容法测量取样不便，部分物质还存在S型非线性影响复杂的问题。电阻法水分检测的测量信号弱，受干扰影响大，且存在测量电极的极化问题，造成重复性误差大，准确度低,均不能另人满意的对肉类水分进行测定,因此，迄今为止，快速、准确的水分检测一直是一个难以攻克的技术难题。2.3仪器的测量原理本文介绍的肉类水分快速测定仪是采用了一种全新的电测法交流阻抗法，实现了对肉类水分含量的简便、准确、快速测量。通过对肉制品在无线电频率范围内导电特性的研究发现，肉制品的水分阻抗特性基本成对数关系：MbXaZlog（2-6）式（2-6）中，ZX为肉制品的阻抗，M为肉制品水分含量，a、b均为常数，取值与被测肉类的品种有关，且0b1。阻抗-水分含量关系曲线如图2-1所示。由式（2-6）有aZXbM（2-7）湖南大学本科毕业设计论文肉类水分快速测定仪设计7即被测肉类的水分含量M与肉类阻抗ZX呈指数关系，而在肉制品的主要水分含量范围内（68%78%），当施