水果腐爛聲光報(bào)警裝置

劉煜誠(chéng)

摘 要：水果批發(fā)市場(chǎng)價(jià)格便宜，但是一箱箱看不到實(shí)物，怎么判斷是好是壞？成箱的水果買回家慢慢吃怎么知道下面的壞沒壞？?jī)?chǔ)存運(yùn)輸過程中怎么知道水果的狀態(tài)？水果腐爛聲光報(bào)警裝置將改變這一現(xiàn)狀。其基本工作原理如下：由于各種細(xì)菌、霉菌等微生物，接觸到水果，并利用水果中的養(yǎng)分特別是糖分繁殖、發(fā)育，產(chǎn)生很多的生長(zhǎng)代謝產(chǎn)物，特別是各種各樣的味道，如酸、臭和酒味等等。腐爛的水果散發(fā)出酒味的主要原因是酵母菌分解水果中的有機(jī)物產(chǎn)生了乙烯、乙醇。報(bào)警裝置將通過內(nèi)置的氣味傳感器，感應(yīng)水果發(fā)出的乙烯、乙醇濃度判斷水果的新鮮程度，并通過聲光報(bào)警告訴你。只要將報(bào)警裝置接近蘋果、橘子、梨子、葡萄等水果，報(bào)警裝置就開始工作了，它能夠讀懂他們的“心”。除此之外，這個(gè)報(bào)警裝置還能同時(shí)監(jiān)控水果儲(chǔ)存環(huán)境的溫度、濕度。

關(guān)鍵詞：水果；乙烯；乙醇；傳感器；報(bào)警

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）04-0023-05

我老媽有一個(gè)我不敢茍同的養(yǎng)生觀念：“每天吃幾種不同的水果利于身體健康”，因此她會(huì)經(jīng)常買各種水果，甚至去批發(fā)市場(chǎng)成箱的買，但是箱子里的水果經(jīng)常有壞的，或者因?yàn)榉艍牧硕拥?，而我老爹就?huì)像唐僧一樣碎碎念“哎，家里的水果不是吃完了的，都是放爛了的”。而市面上沒有可以隔著紙箱、水果等物體檢測(cè)水果狀態(tài)的裝置，這就是我想到做這個(gè)水果腐爛聲光報(bào)警裝置的緣由。

1 研究背景

批發(fā)市場(chǎng)的水果都是成箱的，從密封著的箱子里選擇水果的時(shí)候我們是看不見摸不著的，打開的箱子上面看得見的水果質(zhì)量好，而下層卻有很多是壞掉的，特別是水果通過集裝箱運(yùn)輸、貯存過程中，不易觀察其狀態(tài)。所以在這種看不見摸不著的情況下，判斷水果新鮮程度較為可行的方法就是通過水果散發(fā)的氣味。當(dāng)然用氣味判斷水果腐爛與否可以用鼻子聞，但人工感官方法過分依賴于人的嗅覺系統(tǒng)，受個(gè)體主觀因素影響較大，因此重復(fù)性和準(zhǔn)確性較差。另外一些檢測(cè)方法如氣相色譜法、色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法、電化學(xué)法等檢測(cè)方式都需要取樣，在上述封閉情況下并不適用，而且費(fèi)力費(fèi)時(shí)成本高。所以尋求一種簡(jiǎn)單、易操作且成本較低的檢測(cè)方式就很有必要了！

那么怎么設(shè)計(jì)才能達(dá)到此目的呢？經(jīng)過上網(wǎng)查詢得知，基本上所有的水果都含糖分，而且日常生活中常見的水果含糖量較高。鑒于水果的腐敗與細(xì)菌大量生長(zhǎng)并分解糖分，同時(shí)釋放出C2H4（乙烯）、C2H5OH（乙醇）等氣體的關(guān)系密切，因此在包裝完好、儲(chǔ)存運(yùn)輸較為密封的環(huán)境下，對(duì)乙烯、乙醇釋放量的檢測(cè)可以作為水果新鮮程度的判別參數(shù)。在這種情況下，使用電子鼻就是一種快捷、方便的選擇[1]。電子鼻主要是由具有特異性的氣體傳感器陣列與模式識(shí)別系統(tǒng)所構(gòu)成，是依靠被測(cè)樣品揮發(fā)出的氣體標(biāo)定樣品類型的儀器。作為人類嗅覺的延伸，電子鼻系統(tǒng)避免了人類主觀因素的干擾，檢測(cè)結(jié)果更為客觀、準(zhǔn)確、穩(wěn)定，因此電子鼻在環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。本裝置就是創(chuàng)造性地以探測(cè)乙烯、乙醇的電子鼻為基礎(chǔ)，加上聲光元件、顯示模塊和電源所構(gòu)成的監(jiān)測(cè)和報(bào)警器。

2 傳感器選擇方案對(duì)比

隨著科技的發(fā)展，市場(chǎng)上有著各種各樣的、不同功能的傳感器，我對(duì)各種傳感器方案進(jìn)行了認(rèn)真對(duì)比和篩選。

（1）半導(dǎo)體型氣體傳感器，自從1962年半導(dǎo)體金屬氧化物陶瓷氣體傳感器問世以來，半導(dǎo)體氣體傳感器已經(jīng)成為當(dāng)今應(yīng)用最普遍、最實(shí)用的一類氣體傳感器。它具有成本低廉、制造簡(jiǎn)單、靈敏度高、響應(yīng)速度快、壽命長(zhǎng)、對(duì)濕度敏感低和電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。不足之處是必須在高溫下工作、對(duì)氣體或氣味的選擇性差、元件參數(shù)分散、穩(wěn)定性不理想、功率高等方面。

（2）接觸燃燒式氣體傳感器只能測(cè)量可燃?xì)怏w。又分為直接接觸燃燒式和催化接觸燃燒式，原理是氣敏材料在通電狀態(tài)下，可燃?xì)怏w在表面或者在催化劑作用下燃燒，由于燃燒使氣敏材料溫度升高從而電阻發(fā)生變化。后者因?yàn)榇呋瘎┑年P(guān)系具有廣普特性應(yīng)用更廣，如KG2100A系列、KG100A系列、KG2100B系列和KG100B系列等。

（3）固態(tài)電解質(zhì)氣體傳感器，顧名思義，固態(tài)電解質(zhì)就是以固體離子導(dǎo)電為電解質(zhì)的化學(xué)電池。它介于半導(dǎo)體和電化學(xué)之間。選擇性、靈敏度高于半導(dǎo)體而壽命長(zhǎng)于電化學(xué)，所以也得到了很多的應(yīng)用，不足之處就是響應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)。

（4）光學(xué)式氣體傳感器主要包括紅外吸收型、光譜吸收型、熒光型等等，主要以紅外吸收型為主。由于不同氣體對(duì)紅外波吸收程度不同，通過測(cè)量紅外吸收波長(zhǎng)來檢測(cè)氣體。目前因?yàn)樗慕Y(jié)構(gòu)關(guān)系一般造價(jià)頗高。

（5）電化學(xué)氣體傳感器是通過檢測(cè)電流來檢測(cè)氣體的濃度，分為不需供電的原電池式以及需要供電的可控電位電解式，目前可以檢測(cè)許多有毒氣體和氧氣，后者還能檢測(cè)血液中的氧濃度。電化學(xué)傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是高靈敏度以及對(duì)氣體良好的選擇性。

綜合以上特點(diǎn)和造價(jià)，本裝置擬選用電化學(xué)氣體傳感器，經(jīng)過對(duì)國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品指標(biāo)的對(duì)比，最終選用的是英國(guó)CITY環(huán)氧乙烷傳感器7ETO氣體檢測(cè)模塊（如圖1所示），其對(duì)乙烯、乙醇檢測(cè)敏感度達(dá)到了0.1ppm，其指標(biāo)如表1所示。

3 硬件設(shè)計(jì)

本裝置系統(tǒng)主要由單片機(jī)、溫濕度傳感器、7ETO傳感器、聲光報(bào)警模塊、按鍵顯示模塊和電源模塊組成，如圖2所示。以STM8單片機(jī)為核心控制芯片，通過DHT11采集溫濕度信息，通過英國(guó)CITY環(huán)氧乙烷傳感器7ETO氣體檢測(cè)模檢測(cè)水果腐爛發(fā)出的乙烯、乙醇濃度，并且通過聲光示警，提醒用戶注意，具體的信息在OLED屏上顯示。

該系統(tǒng)的主要傳感器是7ETO環(huán)氧乙烷傳感器，其特性要求驅(qū)動(dòng)的運(yùn)算放大器零偏移、靜態(tài)輸入電流小、輸入阻抗高，本系統(tǒng)選用TI公司的OPA2333高精度零偏移雙運(yùn)放，其電路如圖3所示。

本系統(tǒng)使用STMS003F3P6作為控制芯片，STM8是ST意法半導(dǎo)體針對(duì)工業(yè)應(yīng)用和消費(fèi)電子開發(fā)而推出的8位單片機(jī)，其最小系統(tǒng)電路圖如圖4所示。其主要特點(diǎn)是：最高fcpu頻率可達(dá)24MHz，高級(jí)STM8內(nèi)核，基于哈佛結(jié)構(gòu)并帶有3級(jí)流水線擴(kuò)展指令集。工作電壓2.95V到5.5V。靈活的時(shí)鐘控制，4個(gè)主時(shí)鐘源帶有時(shí)鐘監(jiān)控的時(shí)鐘安全保障系統(tǒng)，低功耗模式（等待、活躍停機(jī)、停機(jī)），強(qiáng)健的GPIO設(shè)計(jì)，對(duì)倒灌電流有非常強(qiáng)的承受能力。開發(fā)支持單線接口模塊（SWIM）和調(diào)試模塊（DM），可以方便地進(jìn)行在線編程和非侵入式調(diào)試。相對(duì)于現(xiàn)在眾多的8位單片機(jī)，STM8的價(jià)格與性能比例相對(duì)較高。

本系統(tǒng)使用DHT11檢測(cè)溫度和濕度，如圖5所示。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保其可靠性與長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接，因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)高、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行了校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20米以上，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合的最佳選則[2]。產(chǎn)品為4針單排引腳封裝，連接方便。

本系統(tǒng)使用聲音和光示警，通過不同頻率可以反應(yīng)不同的情況，電路如圖6所示。

本系統(tǒng)選用12864只需要6個(gè)腳的OLED，OLED顯示技術(shù)具有自發(fā)光、廣視角、高的對(duì)比度、較低耗電、極高反應(yīng)速度等優(yōu)點(diǎn)。本次使用的是0.96寸OLED 藍(lán)色6針SPI。如圖7所示。

新版SPI接口OLED模塊！只需6個(gè)引腳

本系統(tǒng)選用NCP1117穩(wěn)壓到3.3V給系統(tǒng)供電，通過TPS60400產(chǎn)生負(fù)電壓，電路如圖8所示。

4 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)程序的流程圖如圖9所示，程序進(jìn)入，首先對(duì)時(shí)鐘、IO、ADC、OLED、定時(shí)器進(jìn)行初始化，采樣7ETO模塊的值判斷是否初始化完成，如果沒有完成就一直等待，如果已經(jīng)完成，顯示測(cè)量主界面，測(cè)試溫度濕度，測(cè)試乙烯、乙醇的濃度，判斷是否有水果腐爛，并顯示測(cè)試數(shù)據(jù)。

下面是ADC采樣的核心代碼：

unsignedintGet_AD（unsigned char channel）

{

unsignedintdataH， dataL；

unsigned long value = 0；

unsigned intv_adc； //電壓?jiǎn)挝粸椋╩V）

ADC_CSR_CH = channel； //AIN3腳

ADC_CR1_ADON = 1； //使能adc

while（ADC_CSR_EOC==0）；

dataL = ADC_DRL； //右對(duì)齊數(shù)據(jù)

dataH = ADC_DRH； //讀取寄存器數(shù)據(jù)

ADC_CSR_EOC = 0；

value = dataH<<8|dataL；

v_adc = （value*3300）>>10；//計(jì)算實(shí)際電壓

returnv_adc；

}

ADC采樣的中值濾波器代碼，能夠有效除去突變干擾信號(hào)：

unsignedintSort_detection（unsigned char channel）

{

unsigned char i，j，k；

unsignedinttmp，adc_buf[7]；

asm（“nop”）；

asm（“nop”）；

asm（“nop”）；

for（i=0；i<7；i++）

{

adc_buf[i] = Get_AD（channel）；

delay（15）；

}

for（j=6；j>0；j--）

{

for（k=0；k

{

if（adc_buf[k]>adc_buf[k+1]）

{

tmp = adc_buf[k+1]；

adc_buf[k+1] = adc_buf[k]；

adc_buf[k] = tmp；

}

}

}

return adc_buf[3]；

}

5 實(shí)驗(yàn)

5.1 實(shí)物展示

如圖10、11、12、13、14所示。

5.2 數(shù)據(jù)分析

進(jìn)行數(shù)據(jù)分析前，首先需要對(duì)實(shí)驗(yàn)的水果進(jìn)行新鮮度分類，由于目前國(guó)內(nèi)外沒有可行的新鮮度標(biāo)準(zhǔn)，我根據(jù)日常生活經(jīng)驗(yàn)大致將個(gè)體新鮮度其分為四類：

（1）新鮮：果皮鮮亮，無明顯傷痕，水分足，口感好。（2）輕微腐爛：顏色暗淡，有明顯變色點(diǎn)或腐爛點(diǎn)，切除腐爛點(diǎn)及周邊后剩余部分正常。（3）腐爛：顏色暗淡，變色部分或腐爛部分不超過三分之一，切除后尚余有相對(duì)正常部分。（4）嚴(yán)重腐爛：三分之一以上發(fā)霉、潰爛。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，我查詢了相關(guān)資料，收集了含糖量較高的幾種水果如柚子、臍橙、葡萄、蘋果、砂糖橘、香蕉等，其中臍橙、蘋果、砂糖橘、香蕉的4種新鮮度狀態(tài)齊全，數(shù)量也較多，可以提供較多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此選用這四種水果并經(jīng)過多次測(cè)量，得到了下表中的平均結(jié)果。如表2所示。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析：通過上表可以看出，采樣的新鮮水果輸出電壓測(cè)試值都小于12毫安，實(shí)驗(yàn)中絕大部分在3—7毫安，輕微腐爛水果輸出電壓測(cè)試平均值介于18至42毫安之間，腐爛水果輸出電壓測(cè)試平均值介于39至87毫安之間，有幾次測(cè)試值超過100毫安，嚴(yán)重腐爛水果輸出電壓測(cè)試平均值都大于200毫安，最高平均值到了1350毫安，有幾次測(cè)試值超過1800毫安。

5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

輸出電壓和水果腐爛程度基本對(duì)應(yīng)，即輸出電壓越高水果腐爛越嚴(yán)重，基本上測(cè)試時(shí)水果一旦開始腐爛，輸出電壓即可達(dá)到20毫安以上。水果糖分越高，腐爛時(shí)測(cè)出的輸出電壓越高，即釋放的氣體濃度越高。

另外在實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)采樣距離對(duì)數(shù)據(jù)有較大影響，這跟氣體的擴(kuò)散有關(guān)，為此專門對(duì)采集距離作了實(shí)驗(yàn)分析。

以腐爛的蘋果為例，經(jīng)多次測(cè)量，得出距離對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，如表3所示。

結(jié)論：由于氣體的擴(kuò)散受采集環(huán)境風(fēng)力影響，采集距離對(duì)結(jié)果的影響較大，但在30mm以內(nèi)基本能夠取得有效數(shù)據(jù)，建議采集氣體時(shí)盡量靠近檢測(cè)對(duì)象，如水果箱的開口處、成堆水果的縫隙處等。

5.4 裝置設(shè)定

綜上所述，考慮輸出電壓和水果腐爛程度對(duì)應(yīng)關(guān)系，以及氣體采集時(shí)距離帶來的誤差，設(shè)定本裝置的報(bào)警參數(shù)為：

新鮮水果：輸出電壓值小于20毫安，只顯示數(shù)值，不報(bào)警；

輕微腐爛：輸出電壓值大于20毫安小于40毫安，顯示數(shù)值，指示燈亮；

腐爛水果：輸出電壓值大于40毫安小于80毫安，顯示數(shù)值，指示燈閃爍，發(fā)出滴滴聲；

嚴(yán)重腐爛：輸出電壓值大于80毫安，顯示數(shù)值，指示燈閃爍，發(fā)出急促的滴滴聲。

6 應(yīng)用前景和需改進(jìn)之處

因?yàn)橐粋€(gè)水果的腐爛會(huì)影響它周圍水果的腐爛速度，所以較早地發(fā)現(xiàn)篩選出已經(jīng)腐爛的水果是十分必要的。在水果攤販、超市水果部門、水果批發(fā)市場(chǎng)、水果凍庫(kù)以及水果運(yùn)輸過程等環(huán)境中，及時(shí)發(fā)現(xiàn)腐爛水果的可以挽救一定的經(jīng)濟(jì)損失。而本裝置集腐爛報(bào)警、溫度、濕度顯示為一體，對(duì)監(jiān)控水果儲(chǔ)存運(yùn)輸?shù)沫h(huán)境十分有用。

因條件和能力有限，此報(bào)警裝置還有很多有待改進(jìn)的地方。首先，對(duì)于只爛了芯，外面還沒有腐爛的水果，因?yàn)樯l(fā)的氣體量不足夠，所以無法靈敏地監(jiān)測(cè)到。其次，采樣距離對(duì)數(shù)據(jù)有較大影響。最后，如果要應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)工作中，對(duì)反應(yīng)速度和外形還需進(jìn)一步的改進(jìn)。最初我也想制作成便于用于超市、水果庫(kù)房、集裝箱運(yùn)輸?shù)葓?chǎng)所的便攜式的小巧圓錐或柱狀成品，在制作成商品時(shí)可提高美觀度及測(cè)試靈敏度。也曾構(gòu)思過做成果盤狀，便于家庭使用，但限于加工條件，未能進(jìn)行。這些想法在實(shí)際應(yīng)用中有待進(jìn)一步探索。

7 我的收獲

利用氣體傳感器能夠有效的檢測(cè)出水果腐爛變質(zhì)的狀態(tài)，減少水果腐爛的損失。我從萌發(fā)這個(gè)想法，經(jīng)過各位老師的耐心、認(rèn)真的指導(dǎo)，到最終做出水果腐爛聲光報(bào)警裝置為止，收獲頗豐。

（1）在老師們的指導(dǎo)培訓(xùn)中進(jìn)一步學(xué)習(xí)了相關(guān)知識(shí)，如：電學(xué)、編程等。并加強(qiáng)了動(dòng)手能力，親自操作了線路的設(shè)計(jì)、嘗試了電路板的制作、焊接、熱成像、腐蝕等等。在這幾個(gè)月中，對(duì)單片機(jī)的了解也隨之加深，對(duì)它在報(bào)警系統(tǒng)中的應(yīng)用，以及芯片的結(jié)構(gòu)也有了一定的了解。（2）學(xué)會(huì)了鍥而不舍、在失敗中前進(jìn)的精神。在制作過程中無數(shù)次的失敗，無數(shù)次的嘗試，就拿制作電路板為例（雖然最后用的是在深圳嘉立創(chuàng)定制的），在熱力和藍(lán)光成像階段，多次失敗，多次重新制作。焊接的水平也在一次又一次的練習(xí)中提高。為了靈敏度的試驗(yàn)，跑了很多水果攤，要來了盡可能多品種的腐爛水果。甚至是外殼的創(chuàng)意也是反復(fù)思索、反復(fù)嘗試。手一次又一次地被弄傷。然而我在堅(jiān)持中走到了最后。（3）從老師身上感受到了為師者的知識(shí)淵博，為師者的愛生之道。也在這個(gè)過程中慢慢尋摸到了自己職業(yè)的方向---工科。（4）創(chuàng)新之難，難于上青天。從尋找恰當(dāng)?shù)恼n題開始，以及在學(xué)習(xí)制作過程中，深深地感受到為什么國(guó)家對(duì)創(chuàng)新特別是科技創(chuàng)新如此地鼓勵(lì)、如此地重獎(jiǎng)。千軍易得創(chuàng)新之才難求！

在此深深地謝謝在此過程中給予我?guī)椭乃欣蠋焸?！不忘師恩，方得始終！

參考文獻(xiàn)

[1]李全利.單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2004.

[2]金發(fā)慶.傳感器技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：建設(shè)工業(yè)出版社，2004.