一种快速的牛奶变质程度检测方法和装置与流程

[0001]
本发明涉及电子技术应用领域，具体是涉及一种快速的牛奶变质程度检测方法和装置。


背景技术：

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随着生活质量的提高，人们更加追求营养均衡的健康饮食生活。牛奶因富含人体所需的多种营养物质，而深受人们的喜爱，但是我们在购买和饮用牛奶时，常常只能通过生产日期和保质期来判断牛奶是否可以被饮用。如果牛奶在包装、运输及销售过程中冷藏条件的改变，或发生轻微漏气，通过肉眼与嗅觉通常检查不出来，这样，即使该产品的还在保质期内牛奶可能已发生了变质，食用了这样的牛奶不仅达不到补充营养的目的，反而可能导致身体不适。
[0003]
牛奶生产商和质量检测部门普遍采用化学检测法对生产出来的牛奶成品进行抽样检测从而保证出厂的牛奶质量达标，在检测过程中，化学检测方法操作起来比较复杂，不能实时快速地检测出牛奶的变质程度及质量，并且需要昂贵的分析设备，不利于我们日常生活使用。
[0004]
本发明选择简单而抗干扰能力较强的阻抗分析方法来实现牛奶变质程度的检测。牛奶在变质过程中，由于微生物在牛奶中生长代谢，会将大分子、电惰性的营养物质代谢分解成小分子、电活性物质，改变了牛奶的阻抗特性，从而导致整体的各种阻抗参数值发生了变化，使得测量的电导和电容值等发生改变，我们可以通过这些改变量来检测牛奶的变质程度。本发明设计了一种基于阻抗测量法的牛奶变质程度检测的一种检测装置，它结合了微处理器、电桥、信号发生电路和自制的测量装置搭建测量平台，能快速完成牛奶变质过程检测，达到了良好的检测效果。


技术实现要素：

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牛奶中除含有大量的水分外，还含有丰富的蛋白质、脂肪、维生素和无机盐等营养成分，微生物极易在其上生长繁殖从而导致其腐败变质，所以实现其的快速分析具有现实意义。同样对于乳制品企业来说，牛奶变质，不仅造成乳制品的商品价值降低，而且还会造成资源的浪费。现有的化学、色谱等检测方法操作繁琐，检测时间长，仪器费用高，无法适应快速、方便的检测。
[0006]
本发明是基于电桥阻抗测量技术设计的一种牛奶变质程度的检测装置。相对于其他牛奶质量检测方法，本发明的检测装置不需要培养皿和化学试剂，并且具有操作简单、方便和实时快速检测的优点。
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本发明的检测装置包括有检测主机和测量杯；其检测主机上设置有液晶屏、测量端口、频率旋钮、功能旋钮、电压旋钮、显示选择按键和测量按键，测量杯内有测量平行极板；其检测主机内具有微处理器单元、信号发生器电路、低通滤波器电路、电桥电路、可控放大电路、相敏检波电路、a/d转换电路、控制电路和液晶显示电路。
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而检测主机内的微处理器单元、信号发生器电路、低通滤波器电路、电桥电路、可控放大电路、相敏检波电路、a/d转换电路、微处理器单元依次相连，控制电路和液晶显示电路分别与微处理器单元相连。
[0009]
实验发现，牛奶在随时间的变化过程中，其阻抗参数电导g，总阻抗z，双电层电容值cs的变化率值都增大，三者的变化模式基本一致，即经过一段时间的缓慢变化后进入指数变化，g、z、cs中，cs的变化率幅值最大，z最小，表明cs对微生物变化阻抗特性的改变最为敏感。所以，本发明在用阻抗法快速检测那些牛奶中各微生物生长代谢对牛奶阻抗特性改变时，优先选择g和cs作为阻抗法的检测参数。
[0010]
本发明检测装置系统的基本工作流程是首先由信号发生器产生交流正弦信号，作为电路的激励，后经交流电桥电路，输出阻抗容抗变化，由于交流电桥输出量并不是纯阻性的，其中包含有极间电容变化引起的容抗成分以及各种噪声成分的复合信号，并且输出信号比较微弱，需首先进行前置放大，再经过乘法器相敏检波，同时相敏检波电路具有较强的抑制干扰能力，相关性较低的噪声干扰得到充分抑制，消除高频成分后输出电压近似于直流电平，最后经a/d转换电路，将模拟信号转换为数字信号，再通过微处理器完成对牛奶的电导和电容变化量的实时测量，并且结合电导、电容变化与牛奶微生物变质程度的关系曲线，经液晶显示器显示结果。
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本发明的测量杯上设置有测量固定板，其测量固定板上固定有测量平行极板，测量平行极板由两片铜片构成，每片铜片长10厘米，宽1.5厘米，厚1.5毫米，两极板相距为1.5厘米。
[0012]
本发明的检测主机上的测量端口有两个，分别是l端口和h端口，都使用多芯航空插座，并采用带屏蔽的开尔文夹具与它相连进行测量。
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本发明检测主机内的微处理器单元采用的是意法半导体公司的stm32f103c8t6芯片，该芯片具备良好的32位运算能力，且系统构成简单、外设集成丰富，非常适合开发小型测量仪器。stm32f103c8t6的32位arm cortex-m3内核是用于嵌入式控制和实时系统的标准内核，全面兼容ram编译器和仿真器，它的工作频率高达72mhz，集成了64k的flash存储器，满足简单lcr阻抗测量的设计需求且性价比高。
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本发明的检测仪主机内的液晶显示电路采用ca320240f1作为显示模块，液晶控制芯片是sed1330。芯片内有振荡器、功能逻辑电路、显示ram管理电路及字符库管理电路。sed1330能在很高的工作频率下迅速地解译微处理器发来的指令代码，将参数置入相应的寄存器内，并触发相应的逻辑功能电路运行。可以管理64k显示ram及外扩的字符发生器cgram或excgrom。
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本发明的微处理器结合控制电路，根据信号调理电路的输出电压与电导率变化量之间的关系，以及所建立的电导率、电容变化量与牛奶变质程度的特征曲线，根据测量值可判断并显示输出牛奶参数值和变质程度等信息。
附图说明
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图1是系统电路图
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图2是本发明检测主机外观图，其中的1是液晶屏，2是测量端口，3是频率旋钮，4是功能旋钮，5是电压旋钮，6是显示选择按键，7是测量按键。
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图3是测量杯外观图，其中的8是测量平行极板，9是测量固定板，10是烧杯。
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图4是信号发生电路图
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图5是牛奶电导、电容变化率曲线图
具体实施方式
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下面结合附图和实践，对本发明作进一步的说明。
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本发明检测主机内的信号发生器电路采用的主芯片是icl 8038，它是一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路,只需调整个别的外部元件就能产生从0.001hz～300khz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号。输出波形的频率和占空比可由电流或电阻控制。本发明经实验后选用icl8038信号发生芯片来产生1khz、2khz、4khz、6khz的振幅稳定的正弦信号。
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本发明选用ad620作为可控放大器，该芯片通过一个外部电阻设置即可调节放大增益1至1000倍，并且具有出色的交流性能，噪声较低，非常适合本测量系统，同时选用低成本模拟乘法器ad633进行相敏检波，ad633是一个具有高输入阻抗的四象限模拟乘法器，可由简单电路实现较为复杂的硬件运算。而其低通滤波电路由放大器op07以及少量外围电容电阻组成。
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测量时，将测量固定板及上面固定的测量平行极板放入150ml的小烧杯内，装入牛奶，并调节好频率、功能和所需电压旋钮，按测量按键就可进行测量，测量后，由液晶显示器得到测量的各参数值和变质程度结果。
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控制电路的主要功能是控制其他外围电路与微处理单元协同工作，结合各旋钮可实现信号发生器的频率选择，阻抗和容抗的功能测量选择，及电压的调节，结合显示按键，可输出信号频率的信息显示。
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由于stm32f103c8t6微处理器自带adc外设精度仅为12位，同时分离的电压信号可能为负值，而微处理器不便直接采集负压，因此本发明采用a/d转换电路采用ad7915芯片来实现模数转换。ad7915为逐次逼近型单通道模数转换芯片，分辨率可达16位。采用单电源供电，额定电压供电功耗仅为4mw，同时内置1个高速的真差分adc，采样速度高达1msps，功耗小、速度快。供电电压为2.5v，该芯片最大可采集5v范围内的双极型模拟输入信号，满足本发明检测装置的设计要求。
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本发明通过采用阻抗法测量牛奶的电导和电容，建立了阻抗、电容变质标准曲线，从而可快速检测牛奶的变质程度。同传统化学、色谱等检测方法相比，本发明快速、方便，且操作简单，有实际应用价值。