基于单片机的食用油掺假探测器的设计

魏国丰，任忠先，董荣杰

（黑龙江工程学院机电工程学院，黑龙江哈尔滨150050）



基于单片机的食用油掺假探测器的设计

魏国丰，任忠先，董荣杰

（黑龙江工程学院机电工程学院，黑龙江哈尔滨150050）

摘 要：食用油是人们日常生活中的必需品。为了获取更高利润，不法分子所做的食用油掺假行为已经严重侵害消费者利益并损害其身体健康。因此，开展简便、快速检测食用油掺假情况仪器设计非常有现实意义。基于电导率测量法原理，利用NE555定时器构成检测电路和STC12C5A60S2单片机构成显示电路，检测食用油电导率变化情况，快速判断食用油是否掺假以及掺假程度。结果表明该设计具有线路简单、成本低、使用方便和工作稳定可靠等特点，可用于食用油掺假的检测初筛阶段。

关键词：单片机；食用油；掺假；电导率；频率法

食用油是人们日常生活中必需商品。当前由于我国经济与社会的快速发展，人们生活水平也随之不断提高，对食用油的需求量也正在逐年增长。

在我国，由于食用油市场的监督管理方面非常复杂和困难，总有一些不法商贩见利忘义，利用监管漏洞，避开国家的监督，在食用油中掺假以获取暴利［1-3］。一般食用油的掺假主要有3层含义：1）掺入非油脂物质，如米汤、矿物油、水等；2）向质量好的食用油掺入质量差油脂；3）一种油脂掺入另一种油脂，包括食用油和非食用油，一般是价格低的油脂掺入价格高的食用油中［4］。这样掺假的食用油营养价值低，损害消费者的利益，更为重要的是严重影响和危害了消费者的身体健康。因此，开展食用油安全检测技术的研究和相应检测仪器的研发非常有现实意义。

我国近十几年内在食用油检测方面开展了大量工作，涉及食用油检测技术的国家科研计划包括国家自然科学基金项目、教育部长江学者团队项目、科技部支撑项目、国家“863”项目等。许多高等院校、科研院所、疾控中心都积极参与，取得了丰硕的具有实用价值的成果。涉及的技术手段有：薄层色谱法、荧光光谱法、顶空气相色谱联用质谱（GCMS）法、气相色谱（GC）法、原子吸收光谱或等离子体耦联质谱（ICP-MS）法等等［5-7］。

目前，国际上食用油掺假主要检测方法有光谱方法、比色法、色谱方法、同位素比质谱方法、核磁共振方法、超声衰减方法、蒸发光散射方法和电子鼻检测方法等［8］。

1　系统方案设计

上述的技术虽然方法科学、结果准确，但检测仪器一般价格昂贵，多数用在食用油加工企业和质量检测以及监管部门。在日常生活中人们更需要价格低廉、方法简便的食用油检测方法来初步判断油品的掺假程度。因此，研究出快速有效的分析检测仪器就具有非常重要的意义，从而杜绝掺假食用油对粮油市场的冲击和饮食行业的侵蚀。

由于油脂属于非导电物质，电导率极低。如果油脂掺假后，混入一些水溶性物质、离子化合物、低分子酸等，增加了油脂浸出液中离子的浓度，会大幅度升高油品的电导率。利用仪器检测食用油的电导率的变化从而判断油品的掺假程度的方法被称为电导率测量法。电导率测量法操作具有快速、简便的特性，不需要特别高档、昂贵的仪器和设备，因而可作为快速检测的初筛手段［9-13］。

基于上述分析，本文设计1台小型简便的食用油掺假探测器，其电路设计方案为：该装置主要电路选用NE555定时器构成检测电路和SCT12C5A60S2单片机构成显示电路［14］，由两者配合直流6V电源及其它元器件组成一个完整的食用油掺假探测器。

探测器的工作流程如图1所示。

图1　探测器工作流程

2　系统硬件设计

2.1食用油掺假探测器硬件设计

本文采用的电导率测量方法为频率法。频率法的原理是将溶液电导作为振荡电路的一部分，振荡电路所产生的振荡信号频率随溶液电导率的变化而变化（输出频率与电导成正比），通过将测量振荡信号的频率大小转化为被测溶液电导的值。其转换公式为

式中：f0为振荡信号的频率，K0为电导-频率转换系数，G为电导。

本文所设计的食用油掺假探测器的整体电路由三大电路构成，分别是检测电路、显示电路和数据传输电路。检测部分主要是由NE555定时器构成，检测电路原理如图2所示。在电子设计中，NE555集成电路除了可作为定时延时控制外，还可用于调光、调温、调压、调速等多种控制及计量检测等方面。

图2　食用油掺假探测器的检测电路原理

由于纯净食用油自身并不导电，电导率极小，其内阻Rx=∞，不能使由NE555定时器构成检测电路中的无稳态自激多谐振荡电路产生振荡信号，所以扬声器不能正常发出响声。如果检测的探针插入到含有掺假物质的食用油中，油品的电导率增大，Rx的电阻值就会明显减小，无稳态的自激多谐振荡电路就会产生振荡信号来刺激扬声器，从而使扬声器发出响声。研究表明，食用油离子浓度逐渐增加后，电阻的电阻性逐渐减小，导电性增强，由此产生的信号变化周期就会减小，产生的信号经过电路中的A/D转换器进行信号转换，输出得到食用油掺假后的百分比（呈线性关系）［15］。

探测器显示电路部分的工作原理是：检测电路检测到的信号经过连接单片机P3.2Test引脚传到单片机，由程序编写后的单片机进行处理，传送到连接在单片机上的LED数码管显示出不同电导率所对应的含油量的百分比数值，也就直观判断出油品中掺假程度。其原理如图3所示。

图3　食用油掺假探测器的显示电路原理

探测器的数据传输电路工作原理是：在电脑上使用Keil软件编写程序后，用相应的数据线将电脑的传输串口和九针传输串口连接在一起，然后由MAX232芯片的11/TXD、12/RXD引脚与STC12C5A60S2单片机的10/RXD、11/TXD引脚连接把程序烧写进STC12C5A60S2单片机里，其电路如图4所示。

2.2元器件选择

关键元器件型号确定和选择：1）电源：DC 6V；2）检测电路：NE555定时器；3）显示电路：STC12C5A60S2单片机；4）数据传输电路：MXA232芯片；5）LED4位7段共阴极SM420564数码管；6）YD57-2型8Ω动圈式扬声器；7）九针公头串口；8）钽电容、瓷片电容、电解电容；9）RTX-1/8W型碳膜电阻器；10）晶振11.059 2MHz；11）探针。

图4　食用油掺假探测器的数据传输电路原理

3　结果与讨论

探测器设计与制作完毕后，采用Keil软件进行系统软件设计，系统的软件设计分别为主程序、显示子程序、电导率采集子程序、报警子程序等。由于篇幅所限，程序清单略。

当探针检测到油品的不同电导率时，由NE555构成检测电路输出频率不同、占空比不同的方波。也就是说，不同的电阻，在单位时间内输出的方波个数不一样。随着油品中离子化合物等掺假物质浓度的增加，液体的导电性越好，液体电阻减小，使得NE555输出方波的频率变大，单位时间内检测到的方波个数就增加。反之，当离子化合物等掺假物质浓度减小，单位时间内检测到的方波个数就减少。其测试结果如图5、图6、图7所示。

当盛油的容器为金属材料时，如果探针碰到金属部位，电阻为0，则出现如图8所示波形。因此，使用时注意探针不要碰到容器壁，以免误测。

由于食用油中掺有的离子化合物等并非完全、均匀地溶解于食用油中，而是呈团状悬浮在油中，或沉积在容器底部，故在检测时探针一定要在容器内移动，以便接触到悬浮团，真实地探测出掺假情况。

图5　食用油掺假探测器检测到电阻值20K时的波形

图6　食用油掺假探测器检测到电阻值10K时的波形

图7　食用油掺假探测器检测到电阻值2K时的波形

图8　食用油掺假探测器检测到电阻值0K时的波形　

4　结束语

本文设计与探讨的基于单片机的食用油掺假探测器的实用性高，在检测食用油中是否添加使食用油电导率发生变化的离子化合物等掺假物质这方面有很好的使用价值。由于所需元器件精度所限，本装置的设计仅能检测出食用油是否有掺假现象和掺假后的食用油浓度大小范围变化情况，若想要检测出掺假的成分，该装置还需进一步完善和研究。

参考文献

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［15］朱锐.食用油掺地沟油检测方法及装置研究［D］.昆明：昆明理工大学，2010（10）：40-49.

［责任编辑：郝丽英］

Design of edible oil adulterated detector based on MCU

WEI Guofeng，REN Zhongxian，DONG Rongjie
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Heilongjiang Institute of Technology，Harbin 150050，China）

Abstract：Edible oil is necessary in people's daily life.In order to obtain higher profits，the criminal actions of edible oil adulteration have harmed the benefits of consumers and damaged the health of their bodies seriously.Therefore，it has very practical significance to design the instrument for simple and rapid detection of edible oil adulterated.In this paper，based on the principle of electric conductivity measurement，a timer NE555of detection circuit and STC12C5A60S2micro control unit display circuit are used to detect the changes of edible oil electric conductivity and quickly determine the edible oil adulteration and degree of adulteration.Results show that the designed circuit is simple with low cost，easy to use，stable and reliable work，which can be used for edible oil adulteration detection in the initial screening stage.

Key words：MCU（Micro Control Unit）；edible oil；adulteration；electric conductivity；frequency method

中图分类号：TP216+.1

文献标识码：A

文章编号：1671-4679（2016）02-0024-05

收稿日期：2016-01-30

基金项目：黑龙江省教育厅科学技术研究项目（12531560）

作者简介：魏国丰（1970-），男，教授，研究方向：光机电一体化技术；数控技术.