基于Cortex-M3 的地沟油快速检测装置

2011-2012德州仪器C2000及MCU创新设计大赛

项目报告

题目：基于Cortex-M3 的地沟油快速检测装置

学校：河南工业大学

组别：本科组

应用类别：控制系统类

平台：C ortex-M

题目：基于Cortex-M3 的地沟油快速检测装置

摘要（中英文）

本项目是基于Cortex-M3 的地沟油快速检测装置，旨在实现“地沟油”快速，现场检测。MCU控制可编程的直接数字频率合成器（DDS）产生正弦激励信号，经过可变增益放大器（VGA）和低通滤波器（LPF）作用于食用油阻抗传感器（实验室制作）信号经过仪器放大器送入微控制器（MCU）的模数转化（ADC）通道，MCU对采集的信号通过快速傅里叶变换（DFT）处理，实现食用油阻抗与相角的检测；USB和以太网接口，可与计算机通讯，以便对采集的数据进行存储和分析。

1.引言

目前“地沟油”事件层出不穷，“地沟油”本身属于废旧油脂，极少有营养价值且危害严重。目前为止，国内尚未制定地沟油检测相关的国家标准方法或者行业和地方标准，还没有一套完整的检测，判定方法。而现有的检测方法和检测手段主要是采用实验室化学的方法或者是检测仪器检测，化学的方法学要时间长而食用油品质检测仪器价格昂贵，而体积比较大，这些方法和手段不利于“地

沟油”检测的快速化和自动化，还不能满足市场的需求。本检测装置旨在实现“地沟油”快速，现场检测，有效解决食用油的食品安全问题，遏制“地沟油”的流通和食用。

2.系统方案

餐饮废油脂在收集，提炼，加工过程中，在水分，空气，金属和微生物等的作用下，发生水解，氧化，酸败等反应，导致油脂变质，其中含有酸败产生的低分子酸等的小分子极性物质，它们也会与各种金属离子一起影响油脂的极性组分的含量与电导率的大小。本装置根据“地沟油”与正常食用油在电导率与极性组分方面的差异性，采用阻抗测量方法对食用植物油复阻抗参数进行采集，建立复阻抗与食用油品质参数关系数据库，依据待测油样的阻抗值评判食用油的品质。

本检测装置，首先MCU控制可编程的直接数字频率合成器（DDS）产生正弦激励信号，经过可变增益放大器（VGA）和低通滤波器（LPF）作用于食用油阻抗传感器（实验室制作）信号经过仪器放大器送入微控制器（MCU）的模数转化（ADC）通道，MCU对采集的信号通过快速傅里叶变换（FFT）处理，实现食用油阻抗与相角的检测。检测值在LCD上显示。该装置还有USB和以太网接口，可与计算机通讯，以便对采集的数据进行存储和分析

本装置依据“地沟油”与正常食用油在电导率与极性组分方面的差异性，采用阻抗测量方法和对食用油复阻抗参数进行采集，建立复阻抗与食用油品质参数关系数据库，采用基于32位微控制器Cortex-M3的阻抗测量方案，大大简化了电路设计，具有功耗低携带方便的优点，可随时随地进行地沟油的检测，以应用于国内2000多家的食品质量监督部门，科研机构和近1.5万

3.系统硬件设计

1.总体设计方案的方框图

Cortex-M3

Battery

charger

AC

Adapter

(optional)

图3.1 设计方案方框图2.DDS工作原理图

1.DDS工作原理方框图

图3.2 DDS工作原理方框图

2.送入MCU的信号源的框图

图3.3送入MCU的信号源的框图3.阻抗传感器

（1）测量电路结构框图

图3.4 测量电路结构框图

（2）基于AD5933测量阻抗实部和虚部的流程图

图3.5 基于AD5933测量阻抗实部和虚部的流程图

（3）电容传感器

同面散场式传感器将一对平行极板放在同一平面上，敏感电极都向上对着被测粮食，这样就在两个极板的上面构成传感器测量的工作区，其结构如图所示：

图3.6 平面散场式传感器结构示意图

这种敏感元件的敏感输出X Z 与被测物的介电常数X ε、电阻率x ρ(或电导率X S )、极板与被测物之间的微小空气隙X δ、极板与被测物之间的耦合面积X F

等等有关。此外，因同一平面电容敏感器件对被测物无严格的要求,只要解决好仪器的试验标度,便有广阔的使用空间；只要想办法让其他影响因素恒定，就可获得精确的敏感输出。该种单片电容式传感器突破了传统的双平行极板电容式传感器结构，解决了传统电容式传感器在动态测量中的缺点。具有灵敏度高、稳定性好、测量准确度高等特点。

详细介绍系统各个模块的硬件实现过程，说明采用关键器件的理由及关键部分的原理图 （不得大量复制原理图，更多用框图的方式示意，仅对能体现工作量和创新的部分提供原理图，评委有权对滥用原理图的论文扣分）

4. 系统软件设计

1. 快速傅里叶变换FFT

矢量电压电流法测量阻抗原理如图 )

(),(t u t i N 点等

间隔采样)}({)},({n i u u 取K=1时的值，计算基波分量N 点FFT 计算计算阻抗值

)}(I {)}({K K U ，)}(I {)}({I I U ，jX R Z +=

实际计算中我们采用了快速傅立叶变换(FFT)计算。为缩短计算时间，可将电压电流实序列构成一个复数离散时间序列

)()()(n ji n u n f += (4.1)

先对复序列进行变换，然后再将变换结果按照下述公式转换成)}({)},({n i u u 的FFT 变换结果。这样通过一次FFT 的计算就可求得)}({)},({n i u u 一对离散序列的傅立叶变换值，节省了运算时间。

令

)()()(n ji n u n f += (4.2)

则

)10(),()())n (()(-≤≤+==N K K jF K F f FFT K F I R (4.3)

其中F R (K),F I (K)分别为F(K)的实部和虚部。

由公式

2

)]()([2)()()(K N F K F j K N F K F K I R R I I --+-+= (4.4) )10(,2)]()([2)()()(-≤≤--+-+=N K K N F K F j K N F K F K U I I R R (4.5)

可得)}({)},({n i u u 的频谱)}(I {)}

({K K U ，。 设计中仅需要知道基波的值，高次谐波可忽略。因此取K=I 的计算值即可。

由此可得出)(),(t u t i 的基波分量)}(I {)}

({I I U ，。 则阻抗

jX R I I I U j Z +==)()()(ω (4.6)

5. 系统创新

1. 传感器检测部分和信号采集处理部分

采用高精度（频率分辨率为27位，小于0.1HZ ，阻抗测量范围1K Ω~10M Ω，系统精度0.5%）的阻抗转换器采集阻抗信号，采集到的信号经过低通滤波器（LPF ）进行滤波，再经过可变增益放大器（VGA ）和固定放大器进行放大，在经过低通滤波器（LPF ）滤波之后使用射频功放发大功率后经处理好的信号送入MCU ，送入MCU 的信号经过多级处理之后可以增加检测的精度。

2. 实现阻抗与相角的转化中算法的运用

快速傅里叶变换（FFT ）是一种求解离散傅立叶变换的快速算法，比直接傅立叶变换在计算量上要小很多。由于本设计中选用的DSP 的特殊总线结构和特殊指令使得FFT 算法实现起来非常简单，因此设计中采用快速傅立时变换(FFT)求取信号的基波值，实际计算中选用了基2的128点采样FFT ，充分利用了DSP 芯片能够反序间接寻址的特性。

6. 评测与结论

系统测试方法和达到的指标

1. 系统测试方法

图6.1油样的检测

表 6.2

附录

图一.传感器检测电路硬件PCB板

图二.传感器实物

图三.AD5933焊接电路板

图四.电容传感器