水果腐烂声光报警装置

刘煜诚

摘 要：水果批发市场价格便宜，但是一箱箱看不到实物，怎么判断是好是坏？成箱的水果买回家慢慢吃怎么知道下面的坏没坏？储存运输过程中怎么知道水果的状态？水果腐烂声光报警装置将改变这一现状。其基本工作原理如下：由于各种细菌、霉菌等微生物，接触到水果，并利用水果中的养分特别是糖分繁殖、发育，产生很多的生长代谢产物，特别是各种各样的味道，如酸、臭和酒味等等。腐烂的水果散发出酒味的主要原因是酵母菌分解水果中的有机物产生了乙烯、乙醇。报警装置将通过内置的气味传感器，感应水果发出的乙烯、乙醇浓度判断水果的新鲜程度，并通过声光报警告诉你。只要将报警装置接近苹果、橘子、梨子、葡萄等水果，报警装置就开始工作了，它能够读懂他们的“心”。除此之外，这个报警装置还能同时监控水果储存环境的温度、湿度。

關键词：水果；乙烯；乙醇；传感器；报警

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）04-0023-05

我老妈有一个我不敢苟同的养生观念：“每天吃几种不同的水果利于身体健康”，因此她会经常买各种水果，甚至去批发市场成箱的买，但是箱子里的水果经常有坏的，或者因为放坏了而扔掉，而我老爹就会像唐僧一样碎碎念“哎，家里的水果不是吃完了的，都是放烂了的”。而市面上没有可以隔着纸箱、水果等物体检测水果状态的装置，这就是我想到做这个水果腐烂声光报警装置的缘由。

1 研究背景

批发市场的水果都是成箱的，从密封着的箱子里选择水果的时候我们是看不见摸不着的，打开的箱子上面看得见的水果质量好，而下层却有很多是坏掉的，特别是水果通过集装箱运输、贮存过程中，不易观察其状态。所以在这种看不见摸不着的情况下，判断水果新鲜程度较为可行的方法就是通过水果散发的气味。当然用气味判断水果腐烂与否可以用鼻子闻，但人工感官方法过分依赖于人的嗅觉系统，受个体主观因素影响较大，因此重复性和准确性较差。另外一些检测方法如气相色谱法、色谱-质谱联用法、电化学法等检测方式都需要取样，在上述封闭情况下并不适用，而且费力费时成本高。所以寻求一种简单、易操作且成本较低的检测方式就很有必要了！

那么怎么设计才能达到此目的呢？经过上网查询得知，基本上所有的水果都含糖分，而且日常生活中常见的水果含糖量较高。鉴于水果的腐败与细菌大量生长并分解糖分，同时释放出C2H4（乙烯）、C2H5OH（乙醇）等气体的关系密切，因此在包装完好、储存运输较为密封的环境下，对乙烯、乙醇释放量的检测可以作为水果新鲜程度的判别参数。在这种情况下，使用电子鼻就是一种快捷、方便的选择[1]。电子鼻主要是由具有特异性的气体传感器阵列与模式识别系统所构成，是依靠被测样品挥发出的气体标定样品类型的仪器。作为人类嗅觉的延伸，电子鼻系统避免了人类主观因素的干扰，检测结果更为客观、准确、稳定，因此电子鼻在环境监测等领域得到广泛的应用。本装置就是创造性地以探测乙烯、乙醇的电子鼻为基础，加上声光元件、显示模块和电源所构成的监测和报警器。

2 传感器选择方案对比

随着科技的发展，市场上有着各种各样的、不同功能的传感器，我对各种传感器方案进行了认真对比和筛选。

（1）半导体型气体传感器，自从1962年半导体金属氧化物陶瓷气体传感器问世以来，半导体气体传感器已经成为当今应用最普遍、最实用的一类气体传感器。它具有成本低廉、制造简单、灵敏度高、响应速度快、寿命长、对湿度敏感低和电路简单等优点。不足之处是必须在高温下工作、对气体或气味的选择性差、元件参数分散、稳定性不理想、功率高等方面。

（2）接触燃烧式气体传感器只能测量可燃气体。又分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式，原理是气敏材料在通电状态下，可燃气体在表面或者在催化剂作用下燃烧，由于燃烧使气敏材料温度升高从而电阻发生变化。后者因为催化剂的关系具有广普特性应用更广，如KG2100A系列、KG100A系列、KG2100B系列和KG100B系列等。

（3）固态电解质气体传感器，顾名思义，固态电解质就是以固体离子导电为电解质的化学电池。它介于半导体和电化学之间。选择性、灵敏度高于半导体而寿命长于电化学，所以也得到了很多的应用，不足之处就是响应时间过长。

（4）光学式气体传感器主要包括红外吸收型、光谱吸收型、荧光型等等，主要以红外吸收型为主。由于不同气体对红外波吸收程度不同，通过测量红外吸收波长来检测气体。目前因为它的结构关系一般造价颇高。

（5）电化学气体传感器是通过检测电流来检测气体的浓度，分为不需供电的原电池式以及需要供电的可控电位电解式，目前可以检测许多有毒气体和氧气，后者还能检测血液中的氧浓度。电化学传感器的主要优点是高灵敏度以及对气体良好的选择性。

综合以上特点和造价，本装置拟选用电化学气体传感器，经过对国内外产品指标的对比，最终选用的是英国CITY环氧乙烷传感器7ETO气体检测模块（如图1所示），其对乙烯、乙醇检测敏感度达到了0.1ppm，其指标如表1所示。

3 硬件设计

本装置系统主要由单片机、温湿度传感器、7ETO传感器、声光报警模块、按键显示模块和电源模块组成，如图2所示。以STM8单片机为核心控制芯片，通过DHT11采集温湿度信息，通过英国CITY环氧乙烷传感器7ETO气体检测模检测水果腐烂发出的乙烯、乙醇浓度，并且通过声光示警，提醒用户注意，具体的信息在OLED屏上显示。

该系统的主要传感器是7ETO环氧乙烷传感器，其特性要求驱动的运算放大器零偏移、静态输入电流小、输入阻抗高，本系统选用TI公司的OPA2333高精度零偏移双运放，其电路如图3所示。

本系统使用STMS003F3P6作为控制芯片，STM8是ST意法半导体针对工业应用和消费电子开发而推出的8位单片机，其最小系统电路图如图4所示。其主要特点是：最高fcpu频率可达24MHz，高级STM8内核，基于哈佛结构并带有3级流水线扩展指令集。工作电压2.95V到5.5V。灵活的时钟控制，4个主时钟源带有时钟监控的时钟安全保障系统，低功耗模式（等待、活跃停机、停机），强健的GPIO设计，对倒灌电流有非常强的承受能力。开发支持单线接口模块（SWIM）和调试模块（DM），可以方便地进行在线编程和非侵入式调试。相对于现在众多的8位单片机，STM8的价格与性能比例相对较高。

本系统使用DHT11检测温度和湿度，如图5所示。DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保其可靠性与长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接，因此该产品具有品质高、响应快、抗干扰能力强、性价比高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行了校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则[2]。产品为4针单排引脚封装，连接方便。

本系统使用声音和光示警，通过不同频率可以反应不同的情况，电路如图6所示。

本系统选用12864只需要6个脚的OLED，OLED显示技术具有自发光、广视角、高的对比度、较低耗电、极高反应速度等优点。本次使用的是0.96寸OLED 蓝色6针SPI。如图7所示。

新版SPI接口OLED模块！只需6个引脚

本系统选用NCP1117稳压到3.3V给系统供电，通过TPS60400产生负电压，电路如图8所示。

4 软件设计

本系统程序的流程图如图9所示，程序进入，首先对时钟、IO、ADC、OLED、定时器进行初始化，采样7ETO模块的值判断是否初始化完成，如果没有完成就一直等待，如果已经完成，显示测量主界面，测试温度湿度，测试乙烯、乙醇的浓度，判断是否有水果腐烂，并显示测试数据。

下面是ADC采样的核心代码：

unsignedintGet_AD（unsigned char channel）

{

unsignedintdataH， dataL；

unsigned long value = 0；

unsigned intv_adc； //电压单位为（mV）

ADC_CSR_CH = channel； //AIN3脚

ADC_CR1_ADON = 1； //使能adc

while（ADC_CSR_EOC==0）；

dataL = ADC_DRL； //右对齐数据

dataH = ADC_DRH； //读取寄存器数据

ADC_CSR_EOC = 0；

value = dataH<<8|dataL；

v_adc = （value*3300）>>10；//计算实际电压

returnv_adc；

}

ADC采样的中值滤波器代码，能够有效除去突变干扰信号：

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 实验

5.1 实物展示

如图10、11、12、13、14所示。

5.2 数据分析

进行数据分析前，首先需要对实验的水果进行新鲜度分类，由于目前国内外没有可行的新鲜度标准，我根据日常生活经验大致将个体新鲜度其分为四类：

（1）新鲜：果皮鲜亮，无明显伤痕，水分足，口感好。（2）轻微腐烂：颜色暗淡，有明显变色点或腐烂点，切除腐烂点及周边后剩余部分正常。（3）腐烂：颜色暗淡，变色部分或腐烂部分不超过三分之一，切除后尚余有相对正常部分。（4）严重腐烂：三分之一以上发霉、溃烂。

实验结果：为保证实验数据的准确性，我查询了相关资料，收集了含糖量较高的几种水果如柚子、脐橙、葡萄、苹果、砂糖橘、香蕉等，其中脐橙、苹果、砂糖橘、香蕉的4种新鲜度状态齐全，数量也较多，可以提供较多的实验数据，因此选用这四种水果并经过多次测量，得到了下表中的平均结果。如表2所示。

实验数据分析：通过上表可以看出，采样的新鲜水果输出电压测试值都小于12毫安，实验中绝大部分在3—7毫安，轻微腐烂水果输出电压测试平均值介于18至42毫安之间，腐烂水果输出电压测试平均值介于39至87毫安之间，有几次测试值超过100毫安，严重腐烂水果输出电压测试平均值都大于200毫安，最高平均值到了1350毫安，有几次测试值超过1800毫安。

5.3 实验结论

輸出电压和水果腐烂程度基本对应，即输出电压越高水果腐烂越严重，基本上测试时水果一旦开始腐烂，输出电压即可达到20毫安以上。水果糖分越高，腐烂时测出的输出电压越高，即释放的气体浓度越高。

另外在实验中，发现采样距离对数据有较大影响，这跟气体的扩散有关，为此专门对采集距离作了实验分析。

以腐烂的苹果为例，经多次测量，得出距离对测量结果的影响，如表3所示。

结论：由于气体的扩散受采集环境风力影响，采集距离对结果的影响较大，但在30mm以内基本能够取得有效数据，建议采集气体时尽量靠近检测对象，如水果箱的开口处、成堆水果的缝隙处等。

5.4 装置设定

综上所述，考虑输出电压和水果腐烂程度对应关系，以及气体采集时距离带来的误差，设定本装置的报警参数为：

新鲜水果：输出电压值小于20毫安，只显示数值，不报警；

轻微腐烂：输出电压值大于20毫安小于40毫安，显示数值，指示灯亮；

腐烂水果：输出电压值大于40毫安小于80毫安，显示数值，指示灯闪烁，发出滴滴声；

严重腐烂：输出电压值大于80毫安，显示数值，指示灯闪烁，发出急促的滴滴声。

6 应用前景和需改进之处

因为一个水果的腐烂会影响它周围水果的腐烂速度，所以较早地发现筛选出已經腐烂的水果是十分必要的。在水果摊贩、超市水果部门、水果批发市场、水果冻库以及水果运输过程等环境中，及时发现腐烂水果的可以挽救一定的经济损失。而本装置集腐烂报警、温度、湿度显示为一体，对监控水果储存运输的环境十分有用。

因条件和能力有限，此报警装置还有很多有待改进的地方。首先，对于只烂了芯，外面还没有腐烂的水果，因为散发的气体量不足够，所以无法灵敏地监测到。其次，采样距离对数据有较大影响。最后，如果要应用到实际生产工作中，对反应速度和外形还需进一步的改进。最初我也想制作成便于用于超市、水果库房、集装箱运输等场所的便携式的小巧圆锥或柱状成品，在制作成商品时可提高美观度及测试灵敏度。也曾构思过做成果盘状，便于家庭使用，但限于加工条件，未能进行。这些想法在实际应用中有待进一步探索。

7 我的收获

利用气体传感器能够有效的检测出水果腐烂变质的状态，减少水果腐烂的损失。我从萌发这个想法，经过各位老师的耐心、认真的指导，到最终做出水果腐烂声光报警装置为止，收获颇丰。

（1）在老师们的指导培训中进一步学习了相关知识，如：电学、编程等。并加强了动手能力，亲自操作了线路的设计、尝试了电路板的制作、焊接、热成像、腐蚀等等。在这几个月中，对单片机的了解也随之加深，对它在报警系统中的应用，以及芯片的结构也有了一定的了解。（2）学会了锲而不舍、在失败中前进的精神。在制作过程中无数次的失败，无数次的尝试，就拿制作电路板为例（虽然最后用的是在深圳嘉立创定制的），在热力和蓝光成像阶段，多次失败，多次重新制作。焊接的水平也在一次又一次的练习中提高。为了灵敏度的试验，跑了很多水果摊，要来了尽可能多品种的腐烂水果。甚至是外壳的创意也是反复思索、反复尝试。手一次又一次地被弄伤。然而我在坚持中走到了最后。（3）从老师身上感受到了为师者的知识渊博，为师者的爱生之道。也在这个过程中慢慢寻摸到了自己职业的方向---工科。（4）创新之难，难于上青天。从寻找恰当的课题开始，以及在学习制作过程中，深深地感受到为什么国家对创新特别是科技创新如此地鼓励、如此地重奖。千军易得创新之才难求！

在此深深地谢谢在此过程中给予我帮助的所有老师们！不忘师恩，方得始终！

参考文献

[1]李全利.单片机原理及应用技术[M].北京：高等教育出版社，2004.

[2]金发庆.传感器技术与应用[M].北京：建设工业出版社，2004.