馬 麗 萍

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院 無錫機(jī)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(jì)

馬 麗 萍

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院 無錫機(jī)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(jì)。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(shí)計(jì)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(jī)的輸入信號，通過檢測一定時(shí)間內(nèi)輸入信號的脈沖個(gè)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(gè)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(shí)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(jī)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(shí)在軟件設(shè)計(jì)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(diǎn)，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(jī)械振動法等[6]。由于電阻法需要另外增加一個(gè)電極，這樣的話，增大了交叉污染的機(jī)會；而氣壓法只能用于一次性的探頭；機(jī)械振動法主要運(yùn)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(gè)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(gè)平板電容器，作為電容器的兩個(gè)極板，其中外層的一個(gè)極板接地并和機(jī)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(shí)，電容兩個(gè)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(jì)

根據(jù)本課題提出的設(shè)計(jì)原理和實(shí)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(jī)的輸入源，通過單片機(jī)STC89C52檢測一定時(shí)間內(nèi)輸入信號的脈沖個(gè)數(shù)與上電自動計(jì)算的閾值進(jìn)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(gè)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(jìn)行軟件設(shè)計(jì)的時(shí)候把整個(gè)過程分為兩個(gè)不同的模塊，主要包括中斷服務(wù)子程序的設(shè)計(jì)和碰到液面探針停止程序的設(shè)計(jì)。中斷服務(wù)子程序的設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)的重點(diǎn)。在中斷服務(wù)子程序里主要是系統(tǒng)一上電取前五次計(jì)算一個(gè)中間值temp，然后主程序調(diào)用，用于計(jì)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(shí)器0中斷是10ms發(fā)生一次，也就是每隔10ms進(jìn)入一次中斷，然后每進(jìn)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(shí)，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(jì)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(shí)驗(yàn)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(jī)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(cuò)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(jī)測試調(diào)試是將程序下載到系統(tǒng)的主控模塊單片機(jī)中，測試系統(tǒng)各項(xiàng)功能有沒有實(shí)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(rèn)好之后再進(jìn)行焊接。焊接完成之后，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)初期是通過手動改閾值來實(shí)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(shí)現(xiàn)一上電系統(tǒng)就自動確定閾值。

最后是上機(jī)測試調(diào)試。硬件設(shè)計(jì)檢查無誤，軟件調(diào)試正確后，就可以進(jìn)行上機(jī)測試調(diào)試。將已經(jīng)編好的程序燒錄到單片機(jī)中，再給整個(gè)系統(tǒng)供電，就可以測試其各項(xiàng)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(shí)主控模塊電路上的LED指示燈亮，當(dāng)沒碰到液面時(shí)主控模塊電路上的LED燈滅。通過這個(gè)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(jì)運(yùn)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(jì)運(yùn)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(shí)器中斷來檢測一定時(shí)間內(nèi)液面上下脈沖個(gè)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(jì)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(jì)是采用數(shù)學(xué)模型來計(jì)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(shí)(食品安全檢測儀總共開機(jī)十個(gè)小時(shí))，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(gè)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(jìn)行測試(探針每小時(shí)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(jī)時(shí)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(gè)小時(shí)的時(shí)候，誤檢測次數(shù)達(dá)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(jī)十個(gè)小時(shí)僅僅只有三次接觸到液面時(shí)探頭沒有停止，正確率高達(dá)99.99%。從表2數(shù)據(jù)看出：隨著時(shí)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(gè)小時(shí)以后，誤檢測率高達(dá)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(jì)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(jì)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(jì)。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(jì)。

4　總結(jié)

本次設(shè)計(jì)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(shí)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(diǎn)，具有一定的推廣價(jià)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(shí)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(jī)自動閾值方面的計(jì)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(jī)的接觸式液面檢測系統(tǒng)[J].機(jī)械工程與自動化,2009,(6):48—52.

[3]朱險(xiǎn)峰,張闊,等.全自動臨床檢驗(yàn)儀器中液面VF技術(shù)的進(jìn)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(jì)及其臨床應(yīng)用[J].傳感器與微系統(tǒng),2014,33(6):72—79.

[5]張強(qiáng).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.

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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(xiàng)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