一种全自动食品安全检测仪液面感应系统设计

马 丽 萍

(江苏联合职业技术学院 无锡机电分院，江苏 无锡 214028)



一种全自动食品安全检测仪液面感应系统设计

马 丽 萍

(江苏联合职业技术学院 无锡机电分院，江苏 无锡 214028)

以全自动食品安全检测仪为研究对象，提出一种基于接触式电容法的液面感应系统设计。其硬件主要包括：主控电路模块、多谐振荡器电路模块、LED灯指示电路模块等；软件主要包括：主控程序、定时计数程序、驱动显示程序等。该系统主要以多谐振荡器电路的输出信号作为单片机的输入信号，通过检测一定时间内输入信号的脉冲个数来控制LED指示灯的亮灭，从而判断探针是否与液面接触。

液面感应；多谐振荡器电路模块；电容法

0　引言

随着生物食品科技的发展，食品安全检测仪器的发展速度也随之加快。而加样模块作为全自动食品安全检测分析仪的源头，对于整个测试分析过程起着非常重要的作用。提高检测精度的办法有很多种，但减少探针表面的液体携带量是最主要方法之一。减少携带量的方法有多种：如将一些不易沾液体的材料涂到探针的表面[1]、降低探针从液体中返回时的速度[2]。目前最常见的方法是采用液面感应技术。这种技术不仅可以控制探针插入液体的深度，还可以知道液体有没有耗尽，以免仪器虚加样，造成误检测。

当前最常见的液面感应技术有两种：接触式和非接触式。接触式的液面感应主要有电阻法、电容法、气压法和机械振动法等[3]；非接触式液位检测主要有超声波法[4]、激光法和CCD成像法[5]等。非接触式液位检测技术发展还没有完全成熟，而且成本又高，同时在软件设计上也比较复杂，而接触式中的电容法由于它各方面的优点，被广泛地采用。本文在前人研究的基础之上提出一种基于单针接触式电容法的液面感应方法。

1　接触式电容法的液面感应原理

接触式液面感应技术主要包括电阻法、电容法、气压法和机械振动法等[6]。由于电阻法需要另外增加一个电极，这样的话，增大了交叉污染的机会；而气压法只能用于一次性的探头；机械振动法主要运用于要测量的液体表面必须有泡沫以及样本盖有橡胶塞的情况。针对上述情况，这里选用的是电容法。

基于接触式电容法的液面感应技术的核心是基于电容值的变化。探针由内外层两个金属套管组成，中间通过绝缘材质把它们隔离。所以本身就相当于一个平板电容器，作为电容器的两个极板，其中外层的一个极板接地并和机壳连接起来。结构框图如图1所示。

当探针碰到液面时，电容两个极板间介入了液体介质，电容值也会发生相应的变化。通过检测液面上下电容值的不同来判断出探针有没有接触到液面。

2　基于单针接触式电容法的液面感应系统设计

根据本课题提出的设计原理和实现方法，可将基于单针接触式电容法的液面感应电路划分为复位电路模块、晶振电路模块、LM393多谐振荡器电路模块以及LED灯指示电路模块。系统的总体结构框图如图2所示。

根据图2可知：由复位电路和晶振电路共同构成主控电路模块，然后由LM393组成的Rf、C 多谐振荡器电路形成方波，作为单片机的输入源，通过单片机STC89C52检测一定时间内输入信号的脉冲个数与上电自动计算的阈值进行对比来控制LED指示灯电路模块，从LED灯的亮灭来判断是否与液面接触。

本系统的硬件电路由主控模块电路、方波发生器以及LED指示灯电路模块3个部分共同组成，其中方波发生器是核心模块。图3给出了基于LM393的多谐振荡器电路。

本系统软件在进行软件设计的时候把整个过程分为两个不同的模块，主要包括中断服务子程序的设计和碰到液面探针停止程序的设计。中断服务子程序的设计是本系统的重点。在中断服务子程序里主要是系统一上电取前五次计算一个中间值temp，然后主程序调用，用于计算上电系统外界的阈值。中断服务子程序的流程图如图4所示。

本系统的定时器0中断是10ms发生一次，也就是每隔10ms进入一次中断，然后每进入一次中断执行一次中断服务子程序。当执行中断服务子程序时，首先是给TH0、TL0赋值，然后判断标志位有没有为零。如果是零的话，取前五次计算阈值；不是零的话，继续到第一步，重新给TH0、TL0赋值，然后再次判断。

3　实验调试及结果分析

本系统调试主要分为硬件调试、软件调试和上机测试调试。硬件调试主要是根据原理图来检测硬件电路焊接上有没有断路、短路和走线错误等。软件调试的问题主要是阈值的选取。由于受外界很多因素(空气的湿度、温度)的干扰，所以系统的阈值也在不断地变化。上机测试调试是将程序下载到系统的主控模块单片机中，测试系统各项功能有没有实现。

首先是硬件调试。在焊接硬件前，先确保元器件以及板子是好的，确认好之后再进行焊接。焊接完成之后，根据系统设计的硬件原理图用万用表检查一下所焊接的电路是否有短路、断路等不良情况。硬件原理图如图5所示。

然后是软件调试。软件调试主要问题是阈值的选取。实验初期是通过手动改阈值来实现液面上下的判定，但是那样比较繁琐，每次都要改；后来采取一种让软件自动确定阈值的办法，就是用软件编程实现一上电系统就自动确定阈值。

最后是上机测试调试。硬件设计检查无误，软件调试正确后，就可以进行上机测试调试。将已经编好的程序烧录到单片机中，再给整个系统供电，就可以测试其各项功能以及可靠性和抗干扰能力。调试图如图6、图7所示。

从图6、图7可以清楚地看出，当碰到液面时主控模块电路上的LED指示灯亮，当没碰到液面时主控模块电路上的LED灯灭。通过这个LED指示灯的亮灭，从而有效判断出是否接触到液面。

为了证明基于单针接触式电容法的液面感应方法优于双针法，两种方法都采用STC89C52作为主控芯片，且基于单针的液面感应的设计运用的是LM393多谐振荡器电路来产生方波，而基于双针的液面感应设计运用的是555多谐振荡器电路来产生的方波。在软件方面两者都是利用定时器中断来检测一定时间内液面上下脉冲个数来判断液面上下。但是基于单针接触式电容法的液面感应的设计在阈值方面的选取做得更好，基于单针接触式电容法的液面感应设计是采用数学模型来计算阈值。

测试条件选择在同一环境(同样的温度、同样的湿度)、同样的液位下，每隔一小时(食品安全检测仪总共开机十个小时)，从探针误检测的次数和探头接触到液面没有立即停止的次数两个方面分别对基于单针接触式电容法的液面感应和基于双针接触式电容法的液面感应进行测试(探针每小时大概检测两千次)。具体数据如表1、表2所示。

表1　基于单针接触式电容法的液面感应

表2　基于双针接触式电容法的液面感应

从表1的数据可以看出：随着食品安全检测仪开机时间的变长，基于单针接触式电容法的检测系统不是很稳定，尤其是在到八个小时的时候，误检测次数达到两次。但在探头碰到液面停止方面，基于单针接触式电容法的检测系统相对来说还是稳定的，食品安全检测仪开机十个小时仅仅只有三次接触到液面时探头没有停止，正确率高达99.99%。从表2数据看出：随着时间的变长，基于双针接触式电容法的液面感应的系统是越来越不稳定，特别是当食品安全检测仪持续工作六个小时以后，误检测率高达万分之八。

通过对比分析，可以看出：基于单针接触式电容法的液面感应设计相对来说比较占优。从数据方面看，不管是在误检测次数方面的正确率还是在接触液面探头未停止次数的正确率，基于单针接触式电容法的液面感应设计都明显优于基于双针接触式电容法的液面感应设计。从软、硬件上看，单针的检测也好于双针的检测。因此综合考虑还是优先选择基于单针接触式电容法的液面感应设计。

4　总结

本次设计的全自动食品安全检测仪液面感应系统，具有简单、可靠、实用且液面感应准确度高、灵敏度高、响应速度快、检测失误率低等特点，具有一定的推广价值和应用前景。但系统还存在一定的缺陷与不足，如：外界空气湿度大的时候，系统不够稳定；再有基于单针接触式电容法液面感应对于开机自动阈值方面的计算，可以考虑使用更为精确的算法。

[1]曾柏杞,欧阳红林,苏深广，等.基于自适应算法的液面感应系统[J].传感器与微系统,2012,31(8):94—96.

[2]程剑锋.基于单片机的接触式液面检测系统[J].机械工程与自动化,2009,(6):48—52.

[3]朱险峰,张阔,等.全自动临床检验仪器中液面VF技术的进展[J].生物医学工程学杂志,2010，(8):49—95.

[4]张星原,龙伟,卢斌,等.一种高灵敏度液面探测系统的设计及其临床应用[J].传感器与微系统,2014,33(6):72—79.

[5]张强.我国食品安全检测仪器的发展现状[J].农业工程,2011,1(2):45—50.

[6]纪国伟.AU5400生化仪液面探测原理分析[J].中国医学装备,2010,7(7):52—55.

责任编辑：张耀华

10.3969/j.issn.1674-6341.2016.04.013

2016-04-11

科技型企业技术创新资金资助项目“全自动食品安全快速检测仪的研制”(编号：BC2015138)

马丽萍(1975—)，女，江苏无锡人，硕士，讲师。研究方向：信号与信息处理。

TH715

A

1674-6341(2016)04-0027-03