食用油检测毕设论文

摘要随着我国改革开发以来，由于我国经济的不断开展以及人们物质精神生活水平的不断提高，安康合格的食品平安问题成为人们饭桌上常常谈论的一个话题，同时也是食品监视部门的一个硬性标准。在人们的平常生活中，食品的质量平安问题已然成为一个不能无视的热点话题，能够直接影响我们国家人民生活的水平质量，同时也会对国家的经济及开展也产生及其重大影响。所以，食品质量平安问题是一个重要的国家重大公共卫生和经济和政治问题，其中涉及到的身心安康，影响社会稳定的周期。食用油在食品中占有一定的比例，是人们一天三餐中的必备品，食用油质量的好与坏和人们的安康息息相关，对食品行业的的开展也有着极为重要的影响。因此，为了保证食用油的质量平安问题得到有效解决，一套有效适用于食用油质量简单快速检测技术需要尽快建立并逐步完善，食用油质量快速检测技术的研制极为迫切。本篇论文基于食品平安问题日益严峻，食用油的平安问题被人们逐步重视，设计了一款传感器系统，通过设计一款平行板电容传感器，根本原理是不同食用油的介电常数的是不同的，这样会导致平行板电容器的电容值发生变化。具体实现方法是以每种物体的介电常数值不同作为研究点，利用可编程电容－数字转换器AD7746和嵌入式微控制器STM32作为核心控制模块组成的检测系统完成对油样品对应产生电容值的检测，结果由液晶显示。之后利用这套传感器系统，用制作好传感器对自制油，煎炸老油，符合国家标准的食用油在不同条件下进展屡次电容值测量，之后用公式计算出各种对应的介电常数；最后比拟自制油，煎炸老油，符合国家标准的食用油的介电常数的差异，找出一个区分煎炸老油和符合国家标准的食用油的介电常数大致分布区间。关键词：stm32；ad7746；油质检测；介电常数；平行板电容传感器AbstractSinceChina'sreformanddevelopment,duetothecontinuousdevelopmentofChina'seconomyandthecontinuousimprovementofpeople'smaterialandspirituallife,qualifiedhealthfoodsafetyissuesbeeatableofpeopleoftentalkaboutthetopic,alsoisfoodandsupervisiondepartmentsofarigidstandards.Inpeople'sdailylife,theissueoffoodqualityandsafetyhasalreadybeeacannotignorethehottopic,candirectlyaffectsthequalityoflifeofpeopleofourcountrylevel,butalsoonthecountry'seconomicdevelopmentandalsoproducedandthemajorimpact.Therefore,foodqualityandsafetyissuesareanimportantnationalmajorpublichealthandeconomicandpoliticalissues,whichrelatetothephysicalandmentalhealth,theimpactofsocialstabilitycycle.Edibleoilinfoodoccupiescertainproportionisnecessarypeoplethreemealsaday,edibleoilqualitygoodandbadandpeople'shealthiscloselyrelatedtothedevelopmentoffoodindustryalsohasaveryimportantinfluence.Therefore,inordertoensurefoodqualityandsafetyproblemsoftheoilhasbeeneffectivelyresolved,asetofeffectiveapplicationinedibleoilqualityrapidandsimpledetectiontechnologyneedassoonaspossibletoestablishandgraduallyimprove,edibleoilqualityfastdetectiontechnologydevelopmentise*tremelyurgent.Thispaperbasedonthefoodsafetyproblemisbeingmoreandmoreserious,edibleoilsecurityissuesbypeoplegraduallypaymoreattentiontodesignasensorsystem,throughthedesignofaparallelplatecapacitancesensor,thebasicprincipleisthedielectricconstantofdifferentedibleoilisdifferent,thiswillleadtoparallelplatecapacitorcapacitancechange.Specificmethodistoeachobjectofthedielectricconstantvaluesdifferentastheresearchpoint,theuseofprogrammingcapacitancetodigitalconverterad7746andembeddedmicrocontrollerSTM32asthecorecontrolmoduleconsistingofadetectionsystemofoilsamplescorrespondingtoproducecapacitancedetection.Theresultsbytheliquidcrystaldisplay.Afterusingthissensorsystem,sensorofself-madeoil,fryingoil,inlinewithnationalstandardsforedibleoilunderdifferentconditionswererepeatedlycapacitancevaluemeasuring,afterusingtheformulacalculatedthedielectricconstantofthecorresponding;theself-madeoil,fryingoil,inlinewiththedifferenceofthedielectricconstantofthenationalstandardofedibleoil,findadistinguishedoldfryingoilandbroadlydistributedintervalaccordswiththedielectricconstantofthenationalstandardofedibleoil.Keywords:stm32;ad7746;Oiltesting;Dielectricconstant;Parallelplatecapacitancesensor目录引言21绪论21.1研究背景与研究意义21.2食用油检测技术研究进展21.3主要内容22食用油检测原理22.1介电常数22.2食用油传感器组成22.3检测目标及主要参数22.4传感器设计方案23硬件设计与实现23.1电容检测电路23.2基于AD7746的电容检测方案设计23.3基于STM32的信息处理模块设计23.4数据显示模块23.5抗干扰措施24软件程序设计方案24.1总体设计思路以及采用开发环境24.2AD7746电容数据采集以及处理程序24.3LCD1602显示程序设计25食用油检测实验以及数据分析25.1食用油检测实验25.2检测数据分析26总结26.1存在问题26.2改良方法2谢辞2参考文献2附录2引言作为信息技术的三大根底之一的传感器技术，是现在各大兴旺国家竞相开展的高新技学技术，是进入21世纪以来优先开展的十大尖端技术之一。传感器在科学技术领域、工农业生产以及日常生活中发挥着越来越重要的作用。人类社会对传感器提出了越来越高的要求是传感器技术开展的强大动力，而现代科学技术突飞猛进则提供了坚强的后盾。传感器是信息系统的源头，在*种程度上是决定系统特性和性能指标的关键部件。而当前地沟油的现象越来越严重，给消费者的身体安康带来了严重的伤害，给有关执法部门制造了难题。主要是因为没有一种高效可靠的地沟油检测传感仪器，无法为执法部门提供强有力的测量依据，从而造成不法商人可以肆意妄为的局面。绪论研究的背景以及意义随着我国改革开发以来，由于我国经济的不断开展以及人们物质精神生活水平的不断提高，安康合格的食品平安问题成为人们饭桌上常常谈论的一个话题，同时也是食品监视部门的一个硬性标准。在人们的平常生活中，食品的质量平安问题已然成为一个不能无视的热点话题，能够直接影响我们国家人民生活的水平质量，同时也会对国家的经济及开展也产生及其重大影响。所以，食品质量平安问题是一个重要的国家重大公共卫生和经济和政治问题，其中涉及到的身心安康，影响社会稳定的周期。安康卫生的食用油不仅使食物美味可口、增进食欲，还是人体生活安康所必不可少的营养物质，同时还可以作为原料加工各种食品。然而近些年来，地沟油事件不断被曝光，使人们对食用油平安卫生产生了极大的恐惧。地沟油是人们对废弃各类劣质油脂的统称，主要可分为三类:一是从餐饮业油水别离系统或下水道中捞取的油腻漂浮物，经过加热等多道工序加工而成的地沟油;二是劣质家禽肉(包括猪、鸡、鸭)及其内脏经过加热后产出的油;三是反复利用煎炸食品的煎炸老油。地沟油绝大局部指标都严重不符合国家规定的食用油卫生标准，其危害极大，一旦直接被人们食用后，则可能会引起食物中毒。更为严重的是地沟油中含有酸败的指标含量远远超出国家规定的标准，如果长期摄入，将会影响人们的体重和发育，易患腹泻和肠炎，并有肝、心和肾肿大以及脂肪肝等一系列疾病。此外，地沟油中的黄曲霉毒性不仅易使人发生肝癌，在其他部位也可以发生肿瘤，如胃腺癌、肾癌、直肠癌及乳癌、卵巢、小肠等部位癌变。这些危害极大地威胁了人们的身体安康，可见地沟油就像是一个无形的杀手。当前地沟油回流到饮食行业的现象十分严重，为了防止地沟油回流入饮食行业，保护人民群众的身体安康和生命平安，必须规*管理、严格管理、加大执法力度，查处非法经营者，让造假者血本无归，遏制住地沟油市场。与此同时，地沟油快速检测设备也应该应运而生，让不法分子无机可乘，执法部门有据可依。然而，目前对地沟油的检测主要依赖于实验室的分析设备，这些设备检测过程复杂且价格昂贵，难以满足广泛应用的需求。因此，探讨研究出一种低本钱、快速有效、构造简易的地沟油检测传感器设备，将会给地沟油检测带来极大的便利，就能为执法部门提强有力的执法依据，从严从重处理违规餐饮店、打击地沟油生产小作坊，杜绝地沟油对粮油市场及饮食行业的侵蚀。因此本文提出了基于嵌入式系统的液体电介质检测系统，用于地沟油检测，与传统的测量方法相比，此检测系统具有直接对地沟油进展判断、制作简单、便于携带和本钱低等优点。现有食用油检测技术的优缺点油脂在熔点、相对密度、茹度、外表*力、溶解性、热性质折射率、介电常数等物理性质方面的差异，使得食用油品质检测上的检测手段各有不同。现今国内外相关研究部门在食用油品质检测方面，均未形成统一的检测方法以及规定一整套配套完善的检查仪器，对于食用油的掺伪鉴别方面的研究也不系统全面。现今食用油质量检测方法主要包含:气相色谱法、高效液相色谱法、电导率测定法、GC-MS脂肪酸组成测定法、外源性污染物残留测定法等。此外，基于核磁技术的指纹图谱结合多变量分析检测方法也运用到了食用油检测，该法具有这样的特点破坏性小、灵敏度好、图谱信息丰富。与此同时，传统仪器分析方法样品前处理复杂，无法满足现场快速检测的需要，高精度仪器设备购置价格较高，难于满足日常检测的需求。近年来，各种检测技术逐渐开场研究和食用油行业，应用更高效，方便，准确，完整，逐步取代传统的检测方法，有以下特点:1)操作简单易行先进的检测方法。诸如此类比拟先进的检测方法一般具备能够在短时间完成在线检测;2)结果重复性好，精度高;3)减少有机试剂用量，降低对人体及环境的危害等。多种传统方法可以用于出食用油质量平安的检测。见图1.1图1.1常用食用油检测方法优缺点相比之下，传统的检测方法费时费力，存在很多不方便之处，需要进展更新及改良。目前，在众多快速检测方法当中比拟常用的是测量油脂煎炸或者掺假当中样品介电性质的变化。因此，可以确定油中的偏振分量的变化间接地通过测试样品的介电常数测定的变化，反映了油样的重复使用或混合其他劣质油。该方法简单、方便、可靠，检测操作，省时，本钱低，可以在现场使用，用于测量，以了解食用油的质量状况。在测量介电性质的众多方法中，最常用的是电容测量法，即将电容改装成为一种检测感应探头，通过电路连接及信号放大等处理过程，将检测样品的介电性质快速简单的反映出来。论文主要内容本文主要利用原有电容传感器原理，对电容器构造进展更深一步的探索研究，并通过信号转换电路及软件模块设计，实现新型食用油品质检测手段的开发及完善。电容检测法主要是利用电容传感器进展被测物电容值的测定，然后通过适宜的信号调理电路进展信号转换，最终实现样品介电性质的在线检测分析。运算放大器式电路、调频式电路、充放电式电路是常用的测量电路的代表。以上检测方法中，为了到达检测灵敏度和准确度，研究者一般会对调理电路进展优化改良，从而提高寄生电容对系统的影响。本研究中为了克制上述缺点，利用集成元件替代相应的调理电路，以期设计出一种新型检测技术。本课题设计的电容传感器对不同的油样本进展了检测，得到了油质的好坏与输出电容量的大小对应关系，与已有研究进展比照分析，发现本课题对油样品测量的结果与已有结论接近，证明了油的极化成分与其对应的介电常数是有关联的。课题重点研究了该检测技术原理及设计过程，包括检测系统硬件与软件设计，并开发出这种检测技术的便携式原理样机。本文主要研究内容如下:第一章，简单介绍了现在食品平安问题的严峻性，由此提出食用油油品质量检测的必要性以及重要性，同时介绍了一些常用的油质检测设备的优缺点；介绍了食用油检测的研究背景、研究意义以及研究现状。第二章，介绍了食用油检测系统采用的传感器设计原理以及设计思路，介绍介电常数，由一般传感器组成与分类，传感器通常有敏感元件和转换元件及其辅助环节组成，到一般传感器的根本特性。第三章，介绍分析一些常用的电容测量电路，通过比照这些电路的性能以及特点，最后提出了以AD7746芯片作为核心的微小电容的检测方案，介绍了AD7746的构造以及机理，设计了AD7746电容测量电路。利用STM32微处理器对AD7746检测电容电路进展控制以及数据的读取，以及LCD1602显示电路的实际以及相应的介绍。第四章，对检测系统的软件设计模块化进展了总体概括，详细地介绍了各个功能模块的应用及步骤。第五章，用制作好的食用油检测系统对自制食用油，国标食用油，屡次煎炸老油进展电容值测量，得出数据转换为相应的介电常数，之后对这三种油进展加温处理，。加热温度越高，介电常数增加越快，说明在高温下，油分子的化学反响更加剧烈，生成较多的极化成分。经过加热煎炸处理后，电容值普遍增大，随着煎炸次数增加，从安康角度考虑，煎炸时间长极化分子增多，当超出一定*围时对安康构成潜在威胁，因此食用油煎炸时间、次数应尽量减少，食用油加工的炸油应定期更换，不要长期煎炸。第六章，总结了所做工作与以及取得的相应成果。对测量结果进展了分析以及总结，对存在的问题以及进一步研究方向提出建议。2传感器的相关原理以及设计2.1介电常数原理介绍介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原外加电场〔真空中〕与介质中电场的比值即为相对介电常数(relativepermittivity或dielectricconstant)，又称诱电率，与频率相关。介电常数是相对介电常数与真空中绝对介电常数乘积。如果有高介电常数的材料放在电场中，电场的强度会在电介质内有可观的下降。理想导体的相对介电常数虽然为1，但是由于无穷大的电导率导致趋肤深度为零，所以内部场强总为零形成电磁屏蔽。介电常数〔又称电容率〕，以ε表示，ε=εr*ε0，ε0为真空绝对介电常数，ε0=8.85*10^(-12)F/m。需要强调的是，一种材料的介电常数值与测试的频率密切相关。一个电容板中充入介电常数为ε的物质后电容变大εr倍。电介质有使空间比起实际尺寸变得更大或更小的属性。例如，当一个电介质材料放在两个电荷之间，它会减少作用在它们之间的力，就像它们被移远了一样。当电磁波穿过电介质，波的速度被减小，有更短的波长。根据物质的介电常数可以判别高分子材料的极性大小。通常，相对介电常数大于3.6的物质为极性物质；相对介电常数在2.8—3.6*围内的物质为弱极性物质；相对介电常数小于2.8为非极性物质。物质的介电常数是不同的，是有物质本身的特性所决定的，根据这个特点，食用油和地沟油的介电常数也是有所区别的，根据这个用来区分标准油以及地沟油的依据。电介质与电导体不同，电导体中存在着大量可自由移动的带电粒子(如电子等)，在外加电场的作用下，带电粒子的定向移动即形成电流。理想的电介质中不存在可自由移动的带电粒子，在外加电场的作用下，电介质的外表会形成一些束缚电荷，束缚电荷构建起的内建电场具有抵抗外加电场的作用。从物质材料的导电性来说，有导体、半导体和绝缘体3类划分，但从严格的意义上来说，并没有哪一种物体是绝对不导电的，只是3类材料的导电机理与导电性有比拟大的差异而已。理想的电介质是不导电的，因而电介质也是电绝缘的。组成电介质的原子或分子中的正负电荷束缚得很紧，在一般条件下不能相互别离，因此在电介质内部能作自由运动的电荷(电子)极少。一般情况下，电介质的存在方式主要有有固态、气态和液态这三种情况。例如，空气即是一种常态为气态的电介质;润滑油是一种常态为液态的电介质;大量的绝缘材料(印刷电路板基材等)是常态为固态的电介质。真空是没有原子和分子的，也是不导电的，因而真空也具有理想电介质的许多特性。在有关电介质的应用及研究中常将真空选作一个标准的参照。空气的电介质特性与真空的情况相近似，实际中也常将空气中的情况等同于真空来处理。我们通常所说的介电常数，就是指介质相对于真空中介电常数的倍数，即相对介电常数。空气的介电常数为1.0005，就表是空气中这个常量是真空中的1.0005倍。2.2一般传感器的组成以及分类传感器是将被检测物体的不是电信号量转换成电信号的设备或者部件，常常按照*一规律按照*一准确度把被测量转换为和自身有一定对应关系的、方便运用的*一检测输出信号的设备，通常情况下有敏感元器件、换元器件及其辅助环节组成。在检测系统中有着一定的重要作用，决定着检测电路的特性优良。传感器通常有敏感元件、转换元件、所对应辅助环节构成。(1)敏感元件指能够敏锐地感受被测变化量并做出特定回应的元件。能够感受到直接的传感器测量的局部。不同的传感器，它的敏感元件是不同的。传感器的输出与被测物理量来确定总的物理关系仍然是非电量。(2)转换元件一般指的是传感器的电气信号的测量，为方便运输或可测量将敏锐地感觉或反响的组成局部。如果转换组件是可变的电位器，通过移动刷，这将改变位移输入电阻。辅助电源是一般传感器转化元件所必备的配件。(3)辅助环节一般是指支持测得的局部转换成电能的一局部。如转换元件的电路参数，辅助链路参数可以被转换成电压，频率和其他形式的能源。到目前为止，传感器原理，不同种类，根据不同的标准，可以有多种划分。目前，常用有以下两种划分。按工作性质分，如图2.l；按照工作原理划分，如图2.2所示。图2.1传感器按照性质划分图2.2传感器按照工作原理划分2.3一般传感器的根本特性在现代的实验和生产，参数应控制和检测的不同，它要求传感器可以检测从测量的变化，并将其转换为可用的信号和测量的*种确定的函数关系，传感器的根本特性决定了传感器相关的和准确的完成检测任务传感器的静态性能的灵敏度，线性度，准确程度。(1)灵敏度:输出与输入特性曲线的斜率。(2)线性度:又称非线性误差。(3)准确度:精度反映传感器测量结果与真值得接近程度。传感器的动态性能，传感器的动态特性测量传感器的输出信号的动态响应特性的传感器，用于时变输入，表达传感器在测量动态信号时的一种能力。对于数字传感器，主要的问题是在工作上，不要失去数。因此，变化的速度输入量是一个关键因素。所以，数字式传感器动态特性指标是:输入量的临界速度。2.4平行板电容传感器的设计电容传感器通常可以分为变化间隙式、变化介电常数式、变化相对面积式。本章主要通过分析传统构造的电容传感器在食用油品质测量使用中的情况，得到新型的叉指电容传感器构造。在食用油品质测量的研究当中，主要是变介电常数式。电介质有着极其广泛的应用，但最根本的应用还是用来制作电容器。通过电介质的束缚电荷效应可以有效地增大电容器的电容量，具体推理如下所示图2.3平行板电容器原理模型图2.3为填充有电介质的平板电容器在外加电场情况下的示意图。电容器的电容量与极板尺寸大小以及其电介质的性质有关。对于图2.1所示的平行极板电容器来说，其电容量可表示为:其中，C为极板间电容;d为极板间距离;εr:为极板间介质的相对介电常数;ε0为真空中的介电常数，值为8.8542×10-12F/m;A为极板间有效面积。如图2.3所示为平板电容式传感器的传统构造，电容器的两相对极板的面积S、极板间距离d和介质间的相对介电常数ε与电容量C有关。当保持两极板面积S不变，间距d保持不变时，电容量C与两极板间介质的相对介电常数ε线性相关。这种电容量的变化可通过与之相对应的外接的检测电路将电容的变化量转换成频率、电流、电压等电信号的变化，根据输出信号的变化可以从测量的电容变化信息的获取。经过对平行板进展屡次试验，最后确定了电容传感器的极板为正方形S(边长为2cm)和板间距离d为3cm。当平行板电容传感器处于空气中时，可以检查到一个微弱的电容值，当平行板电容传感器中间填充了各种油质之后，整个平行板电容传感器的介电常数发生变化，于是平行板电容传感器的电容值也发生了相应的变化，通过不同油在一样的平行板电容传感器中，最后平行板电容传感器的电容值的不同，可以用公式求出各种油的相对介电常数。3检测系统的硬件设计以及实现3.1几种常用的电容检测电路对于由于电容无法直接测量，目前用于电容测量电路主要有充放电法和交流法，其根本原理是被测电容由外加电场连续进展充放电，通过测读取电容两端的电流或电压信号，计算出所测电容值。目前主要有四种类型:振荡器式、谐振式、充/放电、、AC桥式。1.振荡法电容测量电路振荡法又称调频法，其测量原理如图2-2所示，将待测电容作为振荡电路的一局部，由电容的变化转化为振荡电路的频率的变化，该频率信号经过限幅、鉴频、放大处理后可由微控制器采样处理，以反算出电容值。图3.1调频法电容测量电路由上可得:式中:L一振荡电感，C一振荡总电容C一般由待测电容C*,电感分布电容C0组成。2.谐振法电容测量电路谐振法电容测量电路原理如图2-3所示，电容传感器的电容C*、C1、L2、C2及与组成谐振回路，通过电感藕合从稳定的高频振荡器中取得回路振荡电压，当传感器工作时，由C*发生变化，得到谐振回路的阻抗随之发生变化，经过信号处理后，得到相应的电压变化。图3.2谐振法电容检测电路原理图3.充/放电式电容测量电路充/放电式电容测量电路有多种形式，包括二极管双T型交流电路和脉冲调宽电路。图2-4为双T二极管交流电桥法电容测量原理图，图2-5为交流信号Usc为正半周及负半周时的双T二极管交流电桥等效电路。由图2-5可看出创衍为正是电容乙放电，6充电，电源电压为负时，反之。可计算出输出电压Uo:当电阻R1=R2=R，参考电阻Rf时，且令:则式中f为电源频率。当电源Usc，该测量电路输出电压Uo只与电容C1、C2有关，假设C1=C2，则在一个周期内流经Rf的电流为0。图3.3双T二极管交流电桥原理图4.AC桥式电容测量电路AC桥式又分为运算放大式电路和电桥电路，这里以运算放大式电路为例，介绍电桥法电容测量电路原理，图3.4所示为运算放大式电路原理图。图3.4运算放大器电容检测电路原理图图中C*为待测电容，其一极板接鼓励电源Usc，另一极板作为检测电极，有运算放大器的虚短与虚断原理，则放大器的输出电压为:可见输出电压与待测电容为正相关。3.2基于AD7746的电容检测方案设计由于被测量的变化数值被电容传感器检测到很小，因此需要进展放大处理，这样才能进一步进展分析处理。在信号传输的过程当中，可能混入许许多多的干扰信号，所以就需要把这些干扰信号滤除掉。在滤除干扰，提高测量精度和灵敏度得情况下，模拟电路就会适当的增加，硬件电路的复杂程度也会增加，这样导致结果是大量的分立元件的使用大大增加了系统的寄生电容。在上一章节常用的测量方法中，对它们的一些优缺点进展了说明，然而复杂的电路设计、冗长的原型评估流程和要求很高的系统测试通常会使设计工程师转而寻求不同的传感器。他们常常选择较昂贵或者精度稍低的传感器。ADI公司最近发布了一系列电容测量芯片，它们以单芯片实现了以前需要大量分立元件支持的，传统模拟电压数字转换器才能到达的精度水平，并且相比传统的多芯片解决方案，大大降低了本钱，解决了从电容到数字直接转换的复杂而困难的信号处理难题。正确有效地应用它们，就能够迅速建立起电容测量系统，提高精度，加快整个系统的研制速度。AD7746是一款高分辨率、∑—△电容数字转换器(CDC)芯片，支持7位寻址模式，可直接与电容传感器的电容连接进展测量;该芯片还具有高分辨率(24位无失码、最高21位有效分辨率)、高线性度(±0.01%)和高精度(±4fF厂商校准)等固有特性;AD7746的输入可变电容*围是±4pF，同时可测量最大固定值为17pF的共模电容，可通过一个可编程片内数字电容转换器(CAPDAC)来平衡;AD7746拥有两个电容测量通道，每个通道均可配置为单端输入或差分输入方式;AD7746针对浮动式电容传感器而设计;这些器件内置一个片内温度传感器，其分辨率为0.1oC，精度为±2oC;还集成片内基准电压源和片内时钟发生器，因此AD7746在电容传感器应用中无需任何额外外部元器件;AD7746有一个双线式IZC兼容串行接口，可采用2.6V至5.25V单电源供电，可工作在-40oC至+125oC温度*围。AD7746的核是一个高精度的转换器包括一个二阶调制器(∑—△或充电平衡型)和一个三阶数字滤波器，用作电容量到数字信号的转换以及输入电压或温度传感器电压信号的AD转换，其内部构造图如图3.5所示。图3.5AD7746内部构造框图图3.6AD7746芯片引脚功能图本设计采用单相模式电容输入，即把AD7746的鼓励端E*C'和电容器输入端CIN分别接至电容传感器的两电极，其原理框图如图4所示。其中，电容测量通道的鼓励端E*C'和电容器输入端CIN必须远离电压快速变化的走线。图3.7AD7746与平行班电容器原理虽然该系列测试芯片可以到达很高的分辨率和精度，但由于环境对电容传感器的影响较大，在测量过程中不可防止的要引入测量误差。误差来源主要有寄生电容的干扰，温度变化导致的电解质介电常数的变化。除了考虑合理的电路布局要到达理想的测试精度，必须屏蔽或消除干扰，至少降低到可以承受的*围，补偿温度变化。控制器和电容测量芯片AD7746采用3.3V电源均供，使用外接低阻抗电容的方法来减少电源对地的祸合作用，在图3.10中，采用并联C1和C2(C1=0.1pF,C2=10pF)的方法来解决此问题。AD7746提供了32kHz鼓励频率，保证传感器系统有足够的带宽，可防止与电源电压中的杂波发生祸合，被测电容与芯片之间采用固定的连接模式，以消除或减少可变寄生电容。稳定寄生电容可以通过电容偏移标定消除，我们只需写CAPOFFSET存放器即可完成。大多数情况下都需要温度补偿。温度的变化可以用温度传感器测量，通过软件进展补偿。微控制器STM32F103内部集成了I2C接口，I2C(内部集成电路)总线接口掌控了微控制器与串行I2C总线之间的通信，可以在多主或从模式运作，并控制I2C总线特定时序、协议、仲裁和时间。它支持标准的速度模式和快速模式，支持7位和10位寻址模式，多个7位从地址，同样也兼容SMBus(系统管理总线)和PMBus(电源管理总线)。I2C除了接收和发送数据外，该接口可将它从串行转换到并口模式，反之亦然。I2C总线是由数据引脚SDA和时钟引脚SCL连接的，还包括可编程的模拟和数字噪声滤波器。要控制I2C总线上的AD7746芯片，必须遵循以下协议。首先，微控制器通过建立开场条件发起数据传送，起始条件定义为SCL为高时，SDA由高向低的跳变。这说明后面跟的是开场字节。8位开场字节由7位地址和一个读/写标识位组成。芯片读写时序图如图3.14所示。读/写(R/W)位决定了数据的传输方向。开场字节的最低位为逻辑0表示向指定地址的外设写信息。这种情况下AD7746就是从收者，开场字节的最低位为逻辑1表示微控制器从指定地址的外设读信息。这种情况下，AD7746变成了从发送者。在所有情况下，AD7746在总线上都是作为从器件。AD7746的开场字节地址，写时是0*90，读时是0*91。芯片读写操作图按图3.15所示进展。读操作和写操作类似，下面只介绍读存放器的操作。图3.8AD7746芯片读写时序图图3.9AD7746读写操作图当在开场字节里选择读操作时，地址指针寻址的存放器内容就AD7746传输到SDA线上了。单片机进展时钟输出，AD7746就等待单片机确实认。如果它接收到单片机确实认，地址自动增量存放器就自动地增加地址指针的值，输出下一个指定地址的存放器内容到SDA线上，传输到微控制器。如果没有收到确认位，AD7746就返回到空闲状态，地址指针就不再增加。地址指针自动增量存放器允许数据块从开场地址进展读写。在连续转换模式下，地址指针的自动增量存放器需要在读转换结果时用。这就意味着，这三个字节需要用一条多字节来读取指令，而不是用三条独立的单字节指令。单字节指令可能导致两个不同结果混淆起来。同样如果电容通道或者电压通道都使能的话，就要使用多字节来读指令读取六个字节。用户也可以对任意唯一的存放器(地址)进展一对一访问，而不管其它存放器。地址指针存放器内容不能读取。如果地址指针字节后是重复开场条件，则总线上所有的器件就如开场条件时那样进展响应，重新开场条件与开场条件是一样的。当单片机发出停顿条件时，它就放弃了对总线的控制，允许其它的主器件接收总线。因此微控制器可以通过发出重复开场条件实现对总线的连续控制。AD7746系列芯片内部均有19个存放器，可以分为三类:状态存放器、数据存储存放器和设置存放器。状态存放器地址指针0*00，只读，默认值0*07。该存放器指示转换器的状态。管脚反映在状态存放器的RDY。因此，RDY脚由高向低的跳变也可以用来作为转换完成的指示。RDYVT和RDYCAP位为‘0’分别表示温度通道和电容通道的转换完成可以度数据。数据存放器主要用来存储转换结果。CAPDATAH,CAPDATAM和CAPDATAL分别存放电容转换完成后数值的高、中和低位。VTDATAH,VTDATAM和VTDATAL分别存放温度转换完成后数值的高、中和低位。设置存放器的功能主要是设置芯片的功能。通过设置CAPSETUP存放器使能电容通道，(AD7746选择电容通道)，选择电容通道工作模式。VTSETUP存放器使能和配置温度转换通道。E*CSETUP配置鼓励信号CONFIGURATION设置芯片数据转换频率和工作状态。CAPDAC和CAPOFFSET存放器分别设定DAC,电容偏移值。3.3基于STM32的信息处理模块设计由于高精度电容检测芯片AD7746是通过I2C串行接口对存放器进展数据读取，所以本设计的信号处理模块采用带有IZC串口的微控制STM32F103进展信号处理与控制，与单片机相比，它减少了软件开销，可以直接利用其函数库就可以进展调试，它可对AD7746内部存放器进展设置和测量数据的读取，利用在线编程软件对测量数据进展分析与处理，再把测量到的结果通过LCD1602进展显示。STM32F103系列芯片编程手册提供了应用程序和系统级软件开发人员的信息。它给出了关于STM32Corte*TM-M3处理器编程模式、指令集和核心设备的完整信息。它采用高性能的ARMCorte*TM-M3的32位RISC内核，因此与所有的ARM工具和软件兼容。最大工作频率可达48MHz,16K到64K字节的闪存，带有硬件奇偶校验的8K字节SRAM，并广泛集成增强型外设和I/O口;提供了多达两个I2C、两个USART、两个SPI和一个I2S等标准的通信接口;一个12位ADC(多达16个通道)，一个12位DAC，多达11个定时器和一个高级控制PWM定时器;工作环境温度在一40至++1050C温度*围，工作电源电压可使用2.0至3.6V之间;具有从32个引脚到64个引脚不等的三种不同的封装，各自的外设各不一样;具有一套全面的为低功耗应用设计准备的省电模式的性能。这些功能特点使得STM32F103系列微控制器系列在控制和用户界面，手持设备，A/V接收机和数字电视，PC外设，游戏和GPS平台，工业应用，可编程控制器，逆变器，打印机，扫描仪，报警系统，视频对讲，HVACs等领域得到了广泛的应用。3.4数据显示模块设计本设计显示模块采用LCD1602，主要负责显示测量到的电容值数据及测量结果和预警信息，符合测量结果的要求，因此就选择它作为显示模块。LCD1602是常用的液晶显示屏，它显示的内容为16*2，即可以显示两行，每行16个字符，目前绝大多数字符液晶基于HD44780液晶芯片的，因此对LCD1602的编程可以参考HD44780的控制程序来编写。LCD1602一般分为5V和3.3V两种，而此次选用STM32F103微控制器芯片其电压类型为3.3V，因此选取LCD1602应使用3.3V类型的，如果选用5V类型的则需额外增加电平转换电路。LCD1602液晶模块内部的控制器具有11条控制指令，如图3.10所示。图3.10LCD1602引脚功能图3.5硬件电路抗干扰设计电路设计中重要一环就是印制电路板抗干扰技术的设计。本设计的硬件电路抗干扰技术有:首先要在各个关键部位加上去藕电容，在电源输入端接上一个10-100μF电解电容和在每个集成芯片的电源端加上一个0.01μF的陶瓷电容确保电源电压保持稳定;其次，在进展PCB布线时，元器件面和焊接面的各印刷引线尽量相互垂直，以减小寄生电容，尽可能不在集成芯片引脚之间走线。4检测系统软件程序设计方案4.1软件系统总体设计思路以及采用开发环境系统程序设计、调试过程及其难易程度与开发环境密切相关，尤其是在面向MCU的程序设计当中显得十分重要。一个完善的应用程序开发环境可使程序设计简单化、程序开发周期更短。开发环境具有编辑器、编译器、调试器，源程序编辑、编译、下载、调试全部可以在一个环境下完成的功能特点，并可以进展软件仿真(不用仿真器也能模拟用户程序)和硬件仿真。应用程序开发环境，首先能够实现程序与MCU的快速通信，方便应用程序读取数据，其次要有方便的程序调试工具，如单步、连续、设断点运行等，能修改程序指令及查询程序运行状态。本课题采用KeilμVision4版本开发环境进展程序设计，如图4.1所示，它是由ARM公司发布的，可支持基于ARM的STM32F103系列微控器。KeilμVision4拥有一流的C语言编程环境以及一些高级功能，如语法高亮显示、代码折迭和展开、快速点击导航变量和函数定义及声明等。KeilμVision4窗口管理系统非常灵活，使开发人员能够使用多台监视器，并提供了视觉上的外表对窗口位置的完全控制的任何地方。新的用户界面可以更好地利用屏幕空间和更有效地组织多个窗口，为开发应用程序提供一个整洁，高效的环境;KeilμVision4不仅支持C语言，还支持汇编语言，同时也允许在同一个工程中自由地进展汇编语言和C语言的混合编程;对外部内存的读/写访问是透明的;KeilμVision4还拥有广泛的库支持，包括PWM,SPI,I2C,DART、字符串操作和数学函数库;数据和代码的存储空间分配能够被用户完全控制。其编译器、调试工具能够与ARM器件实现最完美的匹配。图4.1KeilμVision4开发环境4.2AD7746电容数据采集以及处理程序电容芯片AD7746的数据采集是通过编写I2C驱动模块实现对电容芯片AD7746的命令控制和电容值数据的采集，其中子功能主要有:系统程序初始化(主要包括I2C总线通信协议的实现和电容采集芯片AD7746存放器的初始化设置)，电容芯片AD7746的数据采集处理程序设计。I2C串行总线只有数据线引脚SDA和时钟线引脚SCL两种信号线。I2C总线进展数据传送时，时钟信号为高电平期间，数据线上的数据必须保持稳定，只有在时钟线上的信号为低电平期间，数据线上的高电平或低电平状态才允许变化;当SCL线为高电平时，SDA线由高电平向低电平的变化表示起始信号;当SCL线为高电平时，SDA线由低电平向高电平的变化表示终止信号，其读写时序如图4.2所示。图4.2I2C总线时序图I2C协议总线在传送数据过程中共有三种类型信号:开场信号、停顿信号和应答信号。(l)开场信号:SCL保持高电平的状态下，SDA出现下降沿。出现开场信号以后，总线被认为“忙〞，其信号时序如图4.3所示。图4.3I2C起始信号时序图(2)停顿信号:SCL保持高电平的状态下，SDA出现上升沿。停顿信号过后，总线被认为“空闲〞，其信号时序如图4.4所示。图4.4I2C停顿信号时序图(3)应答信号:接收数据的器件在接收到8位数据后，向发送数据的器件发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据，其信号时序如图4.5所示。图4