一種全自動食品安全檢測儀液面感應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計

馬 麗 萍

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院 無錫機電分院，江蘇 無錫 214028)

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一種全自動食品安全檢測儀液面感應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計

馬 麗 萍

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院 無錫機電分院，江蘇 無錫 214028)

以全自動食品安全檢測儀為研究對象，提出一種基于接觸式電容法的液面感應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計。其硬件主要包括：主控電路模塊、多諧振蕩器電路模塊、LED燈指示電路模塊等；軟件主要包括：主控程序、定時計數(shù)程序、驅(qū)動顯示程序等。該系統(tǒng)主要以多諧振蕩器電路的輸出信號作為單片機的輸入信號，通過檢測一定時間內(nèi)輸入信號的脈沖個數(shù)來控制LED指示燈的亮滅，從而判斷探針是否與液面接觸。

液面感應(yīng)；多諧振蕩器電路模塊；電容法

0　引言

隨著生物食品科技的發(fā)展，食品安全檢測儀器的發(fā)展速度也隨之加快。而加樣模塊作為全自動食品安全檢測分析儀的源頭，對于整個測試分析過程起著非常重要的作用。提高檢測精度的辦法有很多種，但減少探針表面的液體攜帶量是最主要方法之一。減少攜帶量的方法有多種：如將一些不易沾液體的材料涂到探針的表面[1]、降低探針從液體中返回時的速度[2]。目前最常見的方法是采用液面感應(yīng)技術(shù)。這種技術(shù)不僅可以控制探針插入液體的深度，還可以知道液體有沒有耗盡，以免儀器虛加樣，造成誤檢測。

當(dāng)前最常見的液面感應(yīng)技術(shù)有兩種：接觸式和非接觸式。接觸式的液面感應(yīng)主要有電阻法、電容法、氣壓法和機械振動法等[3]；非接觸式液位檢測主要有超聲波法[4]、激光法和CCD成像法[5]等。非接觸式液位檢測技術(shù)發(fā)展還沒有完全成熟，而且成本又高，同時在軟件設(shè)計上也比較復(fù)雜，而接觸式中的電容法由于它各方面的優(yōu)點，被廣泛地采用。本文在前人研究的基礎(chǔ)之上提出一種基于單針接觸式電容法的液面感應(yīng)方法。

1　接觸式電容法的液面感應(yīng)原理

接觸式液面感應(yīng)技術(shù)主要包括電阻法、電容法、氣壓法和機械振動法等[6]。由于電阻法需要另外增加一個電極，這樣的話，增大了交叉污染的機會；而氣壓法只能用于一次性的探頭；機械振動法主要運用于要測量的液體表面必須有泡沫以及樣本蓋有橡膠塞的情況。針對上述情況，這里選用的是電容法。

基于接觸式電容法的液面感應(yīng)技術(shù)的核心是基于電容值的變化。探針由內(nèi)外層兩個金屬套管組成，中間通過絕緣材質(zhì)把它們隔離。所以本身就相當(dāng)于一個平板電容器，作為電容器的兩個極板，其中外層的一個極板接地并和機殼連接起來。結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

當(dāng)探針碰到液面時，電容兩個極板間介入了液體介質(zhì)，電容值也會發(fā)生相應(yīng)的變化。通過檢測液面上下電容值的不同來判斷出探針有沒有接觸到液面。

2　基于單針接觸式電容法的液面感應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)本課題提出的設(shè)計原理和實現(xiàn)方法，可將基于單針接觸式電容法的液面感應(yīng)電路劃分為復(fù)位電路模塊、晶振電路模塊、LM393多諧振蕩器電路模塊以及LED燈指示電路模塊。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

根據(jù)圖2可知：由復(fù)位電路和晶振電路共同構(gòu)成主控電路模塊，然后由LM393組成的Rf、C 多諧振蕩器電路形成方波，作為單片機的輸入源，通過單片機STC89C52檢測一定時間內(nèi)輸入信號的脈沖個數(shù)與上電自動計算的閾值進行對比來控制LED指示燈電路模塊，從LED燈的亮滅來判斷是否與液面接觸。

本系統(tǒng)的硬件電路由主控模塊電路、方波發(fā)生器以及LED指示燈電路模塊3個部分共同組成，其中方波發(fā)生器是核心模塊。圖3給出了基于LM393的多諧振蕩器電路。

本系統(tǒng)軟件在進行軟件設(shè)計的時候把整個過程分為兩個不同的模塊，主要包括中斷服務(wù)子程序的設(shè)計和碰到液面探針停止程序的設(shè)計。中斷服務(wù)子程序的設(shè)計是本系統(tǒng)的重點。在中斷服務(wù)子程序里主要是系統(tǒng)一上電取前五次計算一個中間值temp，然后主程序調(diào)用，用于計算上電系統(tǒng)外界的閾值。中斷服務(wù)子程序的流程圖如圖4所示。

本系統(tǒng)的定時器0中斷是10ms發(fā)生一次，也就是每隔10ms進入一次中斷，然后每進入一次中斷執(zhí)行一次中斷服務(wù)子程序。當(dāng)執(zhí)行中斷服務(wù)子程序時，首先是給TH0、TL0賦值，然后判斷標(biāo)志位有沒有為零。如果是零的話，取前五次計算閾值；不是零的話，繼續(xù)到第一步，重新給TH0、TL0賦值，然后再次判斷。

3　實驗調(diào)試及結(jié)果分析

本系統(tǒng)調(diào)試主要分為硬件調(diào)試、軟件調(diào)試和上機測試調(diào)試。硬件調(diào)試主要是根據(jù)原理圖來檢測硬件電路焊接上有沒有斷路、短路和走線錯誤等。軟件調(diào)試的問題主要是閾值的選取。由于受外界很多因素(空氣的濕度、溫度)的干擾，所以系統(tǒng)的閾值也在不斷地變化。上機測試調(diào)試是將程序下載到系統(tǒng)的主控模塊單片機中，測試系統(tǒng)各項功能有沒有實現(xiàn)。

首先是硬件調(diào)試。在焊接硬件前，先確保元器件以及板子是好的，確認好之后再進行焊接。焊接完成之后，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的硬件原理圖用萬用表檢查一下所焊接的電路是否有短路、斷路等不良情況。硬件原理圖如圖5所示。

然后是軟件調(diào)試。軟件調(diào)試主要問題是閾值的選取。實驗初期是通過手動改閾值來實現(xiàn)液面上下的判定，但是那樣比較繁瑣，每次都要改；后來采取一種讓軟件自動確定閾值的辦法，就是用軟件編程實現(xiàn)一上電系統(tǒng)就自動確定閾值。

最后是上機測試調(diào)試。硬件設(shè)計檢查無誤，軟件調(diào)試正確后，就可以進行上機測試調(diào)試。將已經(jīng)編好的程序燒錄到單片機中，再給整個系統(tǒng)供電，就可以測試其各項功能以及可靠性和抗干擾能力。調(diào)試圖如圖6、圖7所示。

從圖6、圖7可以清楚地看出，當(dāng)碰到液面時主控模塊電路上的LED指示燈亮，當(dāng)沒碰到液面時主控模塊電路上的LED燈滅。通過這個LED指示燈的亮滅，從而有效判斷出是否接觸到液面。

為了證明基于單針接觸式電容法的液面感應(yīng)方法優(yōu)于雙針法，兩種方法都采用STC89C52作為主控芯片，且基于單針的液面感應(yīng)的設(shè)計運用的是LM393多諧振蕩器電路來產(chǎn)生方波，而基于雙針的液面感應(yīng)設(shè)計運用的是555多諧振蕩器電路來產(chǎn)生的方波。在軟件方面兩者都是利用定時器中斷來檢測一定時間內(nèi)液面上下脈沖個數(shù)來判斷液面上下。但是基于單針接觸式電容法的液面感應(yīng)的設(shè)計在閾值方面的選取做得更好，基于單針接觸式電容法的液面感應(yīng)設(shè)計是采用數(shù)學(xué)模型來計算閾值。

測試條件選擇在同一環(huán)境(同樣的溫度、同樣的濕度)、同樣的液位下，每隔一小時(食品安全檢測儀總共開機十個小時)，從探針誤檢測的次數(shù)和探頭接觸到液面沒有立即停止的次數(shù)兩個方面分別對基于單針接觸式電容法的液面感應(yīng)和基于雙針接觸式電容法的液面感應(yīng)進行測試(探針每小時大概檢測兩千次)。具體數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

表1　基于單針接觸式電容法的液面感應(yīng)

表2　基于雙針接觸式電容法的液面感應(yīng)

從表1的數(shù)據(jù)可以看出：隨著食品安全檢測儀開機時間的變長，基于單針接觸式電容法的檢測系統(tǒng)不是很穩(wěn)定，尤其是在到八個小時的時候，誤檢測次數(shù)達到兩次。但在探頭碰到液面停止方面，基于單針接觸式電容法的檢測系統(tǒng)相對來說還是穩(wěn)定的，食品安全檢測儀開機十個小時僅僅只有三次接觸到液面時探頭沒有停止，正確率高達99.99%。從表2數(shù)據(jù)看出：隨著時間的變長，基于雙針接觸式電容法的液面感應(yīng)的系統(tǒng)是越來越不穩(wěn)定，特別是當(dāng)食品安全檢測儀持續(xù)工作六個小時以后，誤檢測率高達萬分之八。

通過對比分析，可以看出：基于單針接觸式電容法的液面感應(yīng)設(shè)計相對來說比較占優(yōu)。從數(shù)據(jù)方面看，不管是在誤檢測次數(shù)方面的正確率還是在接觸液面探頭未停止次數(shù)的正確率，基于單針接觸式電容法的液面感應(yīng)設(shè)計都明顯優(yōu)于基于雙針接觸式電容法的液面感應(yīng)設(shè)計。從軟、硬件上看，單針的檢測也好于雙針的檢測。因此綜合考慮還是優(yōu)先選擇基于單針接觸式電容法的液面感應(yīng)設(shè)計。

4　總結(jié)

本次設(shè)計的全自動食品安全檢測儀液面感應(yīng)系統(tǒng)，具有簡單、可靠、實用且液面感應(yīng)準(zhǔn)確度高、靈敏度高、響應(yīng)速度快、檢測失誤率低等特點，具有一定的推廣價值和應(yīng)用前景。但系統(tǒng)還存在一定的缺陷與不足，如：外界空氣濕度大的時候，系統(tǒng)不夠穩(wěn)定；再有基于單針接觸式電容法液面感應(yīng)對于開機自動閾值方面的計算，可以考慮使用更為精確的算法。

[1]曾柏杞,歐陽紅林,蘇深廣，等.基于自適應(yīng)算法的液面感應(yīng)系統(tǒng)[J].傳感器與微系統(tǒng),2012,31(8):94—96.

[2]程劍鋒.基于單片機的接觸式液面檢測系統(tǒng)[J].機械工程與自動化,2009,(6):48—52.

[3]朱險峰,張闊,等.全自動臨床檢驗儀器中液面VF技術(shù)的進展[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志,2010，(8):49—95.

[4]張星原,龍偉,盧斌,等.一種高靈敏度液面探測系統(tǒng)的設(shè)計及其臨床應(yīng)用[J].傳感器與微系統(tǒng),2014,33(6):72—79.

[5]張強.我國食品安全檢測儀器的發(fā)展現(xiàn)狀[J].農(nóng)業(yè)工程,2011,1(2):45—50.

[6]紀(jì)國偉.AU5400生化儀液面探測原理分析[J].中國醫(yī)學(xué)裝備,2010,7(7):52—55.

責(zé)任編輯：張耀華

10.3969/j.issn.1674-6341.2016.04.013

2016-04-11

科技型企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新資金資助項目“全自動食品安全快速檢測儀的研制”(編號：BC2015138)

馬麗萍(1975—)，女，江蘇無錫人，碩士，講師。研究方向：信號與信息處理。

TH715

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1674-6341(2016)04-0027-03