超聲波電路在奶液成分檢測中的應(yīng)用

摘要：人們對牛奶的需求不斷增大，從而帶動整個乳品產(chǎn)業(yè)鏈的迅速成長，因此牛奶成分檢測的重要性也逐漸顯露出來。

通過分析牛奶的化學(xué)成分，給出了非脂固形物、脂肪、蛋白質(zhì)三種營養(yǎng)成分含量測定的數(shù)學(xué)模型及牛奶冰點(diǎn)、密度和摻水率的測定方法。本文運(yùn)用C8051F020單片機(jī)和超聲波聲速測定原理對牛奶中主要營養(yǎng)成分實(shí)行自動檢測。

關(guān)鍵詞：牛奶；超聲波；檢測；C8051F020

作者簡介：王振，男，1983年10月生于山東德州，2007年畢業(yè)于南通大學(xué)自動化專業(yè)，2010年攻讀青島科技大學(xué)碩士學(xué)位，現(xiàn)為于德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系教師。

[中圖分類號]：O657.5[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]：A

[文章編號]：1002-2139(2012)-04-0243-02

一、聲特性和牛奶成分檢測方法與檢測系統(tǒng)原理

1.1、超聲傳播特性

材料的基本以用他們的超聲特性（如聲速、聲衰減系數(shù)、聲阻抗）來表征，它們之間的關(guān)系可以由平面波在材料中傳播的數(shù)學(xué)分析得出

1.2、衰減測定

聲波在介質(zhì)中傳播時，能量的衰減決定于聲波的擴(kuò)散、散射和吸收。在理想介質(zhì)中，吸收衰減是由于介質(zhì)黏滯性，使超聲波波介質(zhì)中傳播時造成質(zhì)點(diǎn)間的內(nèi)摩擦，從而使一部分聲能轉(zhuǎn)換為熱能，通過熱傳導(dǎo)進(jìn)行熱交換，導(dǎo)致聲能的損耗。

衰減系數(shù)可以表述為A=A0exp(ad)

A0 表示初始振幅；A表示聲波通過介質(zhì)后檢測到的振幅；表示聲波通過的距離。

1.3、超聲輻射的工作原理

當(dāng)聲速與密度聯(lián)合起來，將會獲得頻率和其他的許多物理特性（比熱率、熱導(dǎo)點(diǎn)率和比熱）的熱物理數(shù)據(jù)信息。這些參數(shù)包括絕熱縮率、體積系數(shù)、剪切黏性、真假彈性以及楊氏（Young’s）系數(shù)。

二、牛奶主要營養(yǎng)成份檢測電路的設(shè)計

2.1、超聲波聲速檢測技術(shù)的基本原理

如圖2.1所示，信號發(fā)生器產(chǎn)生一個具有一定頻率和振幅的脈沖電子波，在傳至發(fā)送探頭的同時，也送至?xí)r間計數(shù)器，記錄開始時間t1。脈沖電子波在發(fā)送探頭被轉(zhuǎn)化成相同頻率的超聲機(jī)械波，通過樣品壓縮傳遞，被接收探頭接收并再次轉(zhuǎn)化成電子波，然后送至?xí)r間計數(shù)器記錄停止時間 t2。則即為超聲波通過樣品池的時間。因?yàn)闃悠烦氐挠行?zhǔn)確長度d已預(yù)先利用已知聲速的物質(zhì)準(zhǔn)確測知，所以聲速即可求出。在兩相的界面處，因聲波傳遞會出現(xiàn)通 過或反射兩種可能性，所以在測量中往往只使用一個探頭，既作為發(fā)送，也供接收之用。此時，測取的是聲波到達(dá)某一選定界面后再反射折回探頭的時間，即C=2d／At。

2.2、電路設(shè)計

該測試裝置由發(fā)射接收電路、數(shù)據(jù)處理部分、計數(shù)電路、樣品池和顯示打印等組成。發(fā)射探頭產(chǎn)生符合要求的超聲波信號，通過樣品池，由接收探頭接收，單片機(jī)和計數(shù)電路實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計數(shù)，通過顯示打印部分完成顯示和打印檢測結(jié)果，在對脂肪和蛋白質(zhì)等多種成分的檢測時，樣品池需二次加熱。

2.3 單片機(jī)軟件設(shè)計

2.3檢測電路數(shù)字設(shè)計部分

為了簡便操作和系統(tǒng)簡單，在下面的內(nèi)容里，我們將詳細(xì)介紹基于C8051F020單片機(jī)的檢測電路。

三、總結(jié)與展望

本論文將超聲波電路和單片機(jī)控制技術(shù)有機(jī)結(jié)合，基本完成了運(yùn)用超聲波對牛奶成分檢測的系統(tǒng)的設(shè)計。采用超聲波技術(shù)，所需要的資金投入比較低，且其測量參數(shù)比較少，繼而完成了超聲換能器的驅(qū)動設(shè)計，超聲波電路的設(shè)計。本設(shè)計采用單片機(jī)C8051F020作為控制核心，選用HD7279鍵盤智能控制芯片完成鍵盤控制，以及采用DS18B20作為數(shù)字溫度傳感器，并且完成了各芯片的驅(qū)動。

由于實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和經(jīng)費(fèi)等所限，設(shè)計上難免有考慮不周之處，還需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改正。在各芯片的選用上可以選擇精度和等級更高的芯片，這些還需要在今后應(yīng)用時加以完善。

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