生物燃油与地沟油快速检测仪.docx

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生物燃油与地沟油快速检测仪

题目：

生物燃油与地沟油快速检测仪

目录

1引言3

2系统方案4

2.1系统设计4

2.1.1整体思路4

2.1.2开发流程5

2.1.3系统框图6

2.2模块简介6

2.2.1传感器模块6

2.2.2MSP430最小系统6

3硬件设计7

3.1传感器设计7

3.1.1传感器结构7

3.1.2传感器原理及仿真8

3.1.3传感器调试11

3.2MSP430最小系统12

3.2.1最小系统结构及说明12

3.2.2最小系统测频原理13

3.2.3最小系统调试13

4系统软件设计14

4.1主程序14

4.2测频率子程序14

4.3测温度子程序15

4.4查表子程序16

4.4.1样本训练16

4.4.2数据处理及分析16

4.4.3表格存储17

4.4.4查表方法18

4.5软件调试19

5系统创新19

6评测与结论20

7参考文献21

8附录22

题目：

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

ABSTRACT

Withtherapiddevelopmentofsubstitutingbiofuelforpetroleumandtheenhancementofpublic’sconsciousnessoffoodsafety,itisnecessaryforthedetectionofbiofuelandhogwashoil.Usingtherelativedielectricconstantdifferenceamongvariousoilsandconsideringtheimportanteffectoftemperatureonoilproperty,aninstrumentforrapidlydetectingmixedratioofbiofuelandidentifyinghogwashoilhasbeendevelopedwiththestraightly-integrative-canistersensorandtheminimumsystemofMSP430.Theinstrumenthastheadvantagesoflow-power,highreliability,portableandintuitivedemonstration.

Keywords:

MSP430;biofuel;hogwashoil;dielectricconstant;sensor

1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[7][8]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》（2716—2005）》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0～－5℃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。

2.1.2开发流程

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油的鉴别实验。

2.1.3系统框图

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。

2.2.2MSP430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-DigitalConverter）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

图3.1传感器结构图

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

①电容传感器原理

充填待测油的电容值可表示为：

（1）

其中

为真空中的介电常数；

为待测油的相对介电常数；S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

与电容

的关系为：

（2）

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）

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。

②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。

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3.2LM311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3.3NE555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）

其中

为VCC与DIS管脚间的电阻，

为DIS与TRI管脚间的电阻，C为TRI与地间的电容。

对应仿真RC振荡电路图中，

，

代入式（4）计算可得：

（5）

振荡信号低电平与高电平的比例为

（6）

NE555工作于多谐振荡时，其频率可表示为：

（7）

其中

为VCC与DIS管脚间的电阻，

为DIS与TRI管脚间的电阻，C为TRI与地间的电容。

对应仿真中，

，

，代入式（7）计算可得：

（8）

振荡信号低电平与高电平持续时间的比例为

（9）

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

①温度传感器原理

选用恒流源AD590作为温度传感器，AD590输出电流与温度成正比，温度每增加1℃，输出电流增加1uA。

当温度为0℃时，输出电流为273uA；温度传感器与一电阻串联后，输出电压值与温度成正比，串联电阻为5KΩ，则温度每增加1℃，输出电压增加5mV，0℃时输出电压1365mV，温度与输出电压的关系为

，其中电压U的单位为mV。

②温度传感器方案与仿真

图3.4温度传感器电路框图

图3.4给出温度传感器的电路框图，其工作原理如下：

温度传感器将温度转换成电流信号后，电流通过电阻转换成电压信号；电阻由一高精度的黑棒电阻和一可调电阻构成（组成5KΩ电阻），可调电阻用于校准温度，高精度电阻阻值较大，温度校准后其具有良好的稳定性。

为了消除输出负载的分流作用，电压输出端加一电压跟随器，跟随器由运算放大器构成，利用放大器的输入负载大来隔离外部电路的影响。

对于电压跟随器，我们考虑了以下两种方案：

方案一：

采用高精度的运算放大器OP27构成电压跟随器；

方案二：

用单电源供电的运算放大器LM311构成电压跟随器。

图3.5电压跟随器的仿真与比较

图3.5中、右子图分别给出使用OPT27单极性供电、双极性供电搭建电压跟随器的仿真结果。

可以看出，右子图输出1.365V能够跟随输入电压，而中子图输出3.071V不能跟随输入电压，因此OPT27搭建的跟随器需要双电源供电，增加了电路的复杂度和成本。

图3.5左子图给出LM311搭建跟随器的仿真结果。

可以看出，LM311搭建跟随器只需单极性电压就能够实现输出电压跟随输入电压的功能，且LM311的成本也低于OPT27，因此选用方案二。

3.1.3传感器调试

（1）电容传感器调试

按图3.3所示搭建电容传感器电路，通过示波器观察输出振荡信号频率约为15KHz，调节电位器，使振荡频率稳定在15KHz。

（2）温度传感器调试

按图3.4所示搭建温度传感器电路，将温度传感器放入冰水混合物中，在跟随器输出端接5位半表UNI-T-UT508观察输出电压，调节电位器，使输出电压为1365mV；再将传感器放入100℃沸水中，调节电位器，使输出电压为1865mV；再次放入冰水混合物中调节电位器使输出1365mV电压，如此反复几次，使输出电压稳定。

3.2MSP430最小系统

3.2.1最小系统结构及说明

图3.6单片机系统结构图

MSP430G2231单片机与外部模块的连接如图3.6所示，本系统需要单片机完成测振荡频率、测温度、查表及显示结果等功能。

P1.0连接按键，用于功能选择；P1.1为定时器A捕获信号输入端，连接传感器输出的振荡信号；P1.2作为AD采样通道，连接温度传感器输出电压信号；P1.3到P1.5与液晶12864连接，用于驱动液晶显示，以显示检测结果；P1.6、P1.7与外接存储器24C02连接，用于存储数据及查表；外接一低频晶振，作为定时器A的时钟。

下面具体介绍MSP430最小系统各模块：

控制模块：

通过一个按键实现对不同功能的选择，若是短按则测生物燃油混合比，长按则鉴别食用油与地沟油。

液晶模块：

液晶显示采用串行传输模式，只用三个IO管脚作为使能、数据及时钟输出端口，以驱动液晶显示。

记忆模块：

选用串行

协议的存储芯片24C02存储不同油随温度变化的脉冲数据，该芯片有掉电保护功能保证数据不易失；加电可写入使系统具备数据扩展与更新功能，两个管脚节省MSP430的宝贵资源。

电源模块：

电源模块供电示意如图3.7所示。

图3.7电源模块

由于电池损耗导致的电压下降会对传感器的输出信号有一定影响，故选用稳压芯片LM7805将电压稳定到5V，5V电压为系统供电；单片机供电电压不能超过3.6V，为了简化电路，用三个二极管降压，降压后电压约为3.2V。

3.2.2最小系统测频原理

最小系统测频具体实现方法如图3.7所示：

启动MSP430的定时器A捕获功能；当捕获振荡信号第一个脉冲时计下计数器的计数值C1，当捕获振荡信号第N+1个脉冲时计下计数器的计数值C2；通过下式可以计算振荡信号的频率：

（10）

其中单片机定时时钟频率为

。

由于本系统检测结果只需输出油的种类，无需换算成频率，因此只需记录观察时间窗内的脉冲数

即可。

图3.7测频原理示意

3.2.3最小系统调试

定时器时钟：

单片机内部DCO频率800KHz，远大于被测信号频率，适合测频率要求，但我们采用单片机内部DCO作为定时器时钟时，重复捕获得到的脉数值有很大偏差，说明内部DCO不稳定；选用高频晶振8MHz、2MHz经测试均不能起振，说明上述高频晶振不适用该单片机，使用32768HZ低频晶振可使单片机起振，但作为定时器时钟与被测振荡信号频率相当，若只观察被测振荡信号一个周期将导致记录的脉冲数误差大，因此采用观察N=10000个振荡信号周期的方法记录脉冲数。

4系统软件设计

4.1主程序

单片机上电后先进行程序初始化，显示操作提示，然后进入休眠；按下按键后开始工作，判断是否是长按，若是则鉴别地沟油；若不是则测生物燃油混合比，检测完后返回休眠状态。

图4.1主程序流程

4.2测频率子程序

采用单片机定时器A的捕获比较功能，定时器A使用频率稳定的32768HZ外部晶振，因与被测信号频率相当，故测量10000个外部信号的周期。

第一次捕获到被测信号上升沿时记录定时器A的计数值C1，第10001次捕获信号上升沿时记录定时器B的计数值C2，则计数值为C2-C1；

图4.2测频率程序流程

4.3测温度子程序

温度传感器将温度转化成电压值后，再利用单片机的AD转换功能将电压值量化采样。

使用单片机内部的2.5V电压作为参考电压，采样值与电压关系为

（11）

其中x为采样寄存器的值。

为避免浮点数运算，关系简化为：

（12）

即对采样寄存器的值分别左移3位（对应乘以8）、5位（乘以32），相加后再减去采样寄存器原值，最后再右移4位（对应除以16）。

电压与摄氏温度转换关系为：

（13）

其中U单位为mv。

为了使AD采样更精确，采样32次，再取平均值。

图4.3测温度子程序流程图

4.4查表子程序

为说明温度区间最大最小值查表法，我们首先介绍建表过程，包括样本训练、数据处理与分析和表格存储；然后给出查表子程序。

4.4.1样本训练

首先，对样本按如下方式进行分组和编号

第一组：

将混合比为25%，50%，75%的生物燃油和纯柴油编号为0,1,2,3；

第二组：

将食用油（以橄榄油为例）和地沟油分别编号为8和9。

然后，对样本进行测量和记录

第一组：

取等量的四种油分别倒入烧杯中，将传感器浸没到0号油中，并将烧杯放入热水中，用热水保温一段时间，待温度稳定后，记录此时的计数值和温度；将传感器清洗后分别浸没到2、3、4号油中，记录计数值和温度。

改变水的温度，再记录计数值和温度，实验温度范围为10~40摄氏度。

重复测量几次，取计数平均值。

同样的，对第二组样品进行测量记录。

4.4.2数据处理及分析

将所测数据用matlab绘制成曲线，如图4.4所示：

图4.4计数值与温度关系曲线图

观察同组几种不同油的计数值差异，在10度温度范围内各种油的计数值没有重叠部分，取温度步长为10度即可区分不同种类油，因此将温度范围10~20、20~30、30~40摄氏度分别编号为A、B、C，记录在每一温度范围内的最大计数值和最小计数值。

对样本计数值进行分析处理后，得到如下的表4.1和4.2。

表4.1第一组样本数据

第

1

组

计数值

温度

编号0

编号1

编号2

编号3