基于互补金属氧化物半导体的高精度地沟油检测计

杨 洁黄海深 李阳军

(1. 遵义师范学院物理与机电工程学院，贵州 遵义 563002；2. 重庆邮电大学计算机科学与技术学院，重庆 400065)



基于互补金属氧化物半导体的高精度地沟油检测计

杨 洁1,2黄海深1李阳军1

(1. 遵义师范学院物理与机电工程学院，贵州 遵义 563002；2. 重庆邮电大学计算机科学与技术学院，重庆 400065)

利用地沟油与正常食用油的导电率不同导致单位体积电阻不同，提出一种基于互补金属氧化物半导体工艺(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)的线性检测模块。由于使用直接选择与短接到地的方法实现电阻串分压，使得分压线性度更高。在脉冲计数的作用下，电阻分压通过与参考电压相比较可以得到不同的高电平数，不仅可以区分地沟油与正常食用油，还可以得出正常油掺入地沟油的质量分数。在检测计核心电路设计方面，由于采用CMOS工艺设计，所以可以实现低面积和低功耗的检测。

地沟油；互补金属氧化物半导体；电导率；电阻分压

广义的地沟油，泛指各种废弃的劣质食用油；狭义的地沟油，指日常生活中的餐厅、酒楼等场所从地沟隔油池中捞取的呈黑褐色液膏状，有恶臭气味的油腻漂浮物[1-3]。地沟油掺杂或冒充食用油现象在中国屡见不鲜，暴利是一个主要原因，但是缺乏有效的检测技术也是重要原因之一。目前常用的几种地沟油检测方法包括[4-5]：常规油脂理化指标法、胆固醇含量判定法、薄层色谱检测极性物法、电导率法、测真菌毒素法、表面活性剂残留法等。除此之外，还有低场核磁共振技术[6]、电子鼻[7]、光谱技术[8]等技术，其中核磁共振法是一种基于原子核的波谱技术，常用于鉴定有机化合物结构。核磁共振法通过检测各类油的H-NMR (Hydrogen Magnetic Resonance Spectroscopy，氢谱核磁共振)，得到油中双键H的相对含量，从而作为作鉴别植物油和地沟油的指标; 电子鼻技术采用气敏传感器和模式识别相结合的方法进行地沟油检测，具有无损、速度快、灵敏度高等优点[6]，其原理是进入电子鼻的气体通过传感器产生电信号，经过放大器和模拟/数字转换，最终进入信号处理模块与模式识别系统，完成对气体的检测和判定。但电子鼻方法发展尚不成熟，尤其是传感器灵敏度和判别分析方法的特异性尚需进一步完善[7]。光谱技术利用检测油的光谱来鉴别地沟油与正常油，具有灵敏度高、速度快等特点[8]，主要有红外光谱法、近红外光谱法、原子吸收光谱法、紫外线吸收光谱法、荧光吸收光谱法等，但同时也存在许多缺点，例如，红外光谱法存在特征峰选取困难，不易区分各类植物油的光谱图；近红外光谱法在进行化学计量学分析时，变量的选取较难等。虽然这3种方法从原理上是可行的，但各有优缺点，而且三者涉及的仪器设备价格都比较昂贵，操作要求高，其研究发展尚需进一步提高。

油脂属于非导电物质，电导率极低，且钠盐难溶于油脂，在正常食用油中含量很少[9]。地沟油中残渣微粒，含有一定盐，还有酸败产生化合物也会提高导电率[9-11]。经研究[12-13]发现，地沟通电导率是普通食用油的5～7倍，食用油受污染程度越大，电导率就越大。电导率法[12-14]快速可靠，而且可重复性和显著性都较好，是一种比较可靠的地沟油检测方法。刘志金等[15]提出一种0.5 h鉴别地沟油的检测方法，但精度不够高。黄伟等[16]从折光指数和电导率两个指标对地沟油进行检测，但方法较为复杂。目前，市场上检测地沟油的仪器很多，比如DDS-307电导率仪、CD169测油管、CSY-SD检测仪、TCO-L6检测仪等，其中DDS-307与CSY-SD都是利用导电率进行检测，前者通过检测油与正常油的水相平均电导率进行比较，检测地沟油；后者利用极性物质与非极性物质的导电能力不同，通过测量两极的电价差，精确判断极性物质与非极性物质的百分比，准确计算极性物质的含量，再与正常的油对比。但是由于价格、检测时间、操作复杂度等许多因素导致实际应用并不广泛。

因此，研究一种高精度、快速的地沟油检测方法具有重要的意义。CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)[17]是在PMOS(Positive Metal Oxide Semiconductor，P型沟道金属氧化物半导体)和NMOS( Negative Metal Oxide Semiconductor，N型沟道金属氧化物半导体)工艺基础上发展起来的工艺技术。CMOS集成电路具有功耗低、速度快、抗干扰能力强、集成度高等优点[18-19]，已成为当前大规模集成电路的主流工艺技术，绝大部分集成电路都是基于CMOS工艺制造的。本试验充分利用CMOS工艺灵活度高、功耗低、特征尺寸小、工作电压范围宽等优点，结合地沟油与食用油电导率不同的特点，提出一种直接选择与短接到地相结合的方法实现电阻串线性分压，以单片机(MCU)为控制系统，提出了一种低成本、高精度检测计，能够快速检测出食用油中地沟油的掺入百分比。

1 系统设计

1.1 系统整体架构

如图1所示，为以单片机(MCU)为控制核心的系统结构框图，包括本文提出的盛油模块(Oiler)、CMOS测量计芯片模块(Detector)、单片机以及显示屏，其中测量计模块由带隙基准、比较模块、时钟模块和振荡器四部分组成。振荡器用于产生初始时钟，时钟模块产生不同相位的时钟，带隙基准为比较模块产生稳定的参考电压，比较模块内部有一个比较器，在双相不交叠时钟的控制下将检测电压VOUT经盛油模块内部的电阻分压后由高到低逐次比较，具有offset抵消功能；当比较结果一旦出现低电平，则将当前时钟模块的计数状态锁存，通过单片机处理后显示在显示屏上，数值越大则地沟油质量分数越大，反之越小。

图1 系统总体框图

时钟模块产生10个不同相位的时钟信号clk1～clk10(0001～1010)，从低位到高位逐次进行比较，比较结果为高电平则继续比较，反之则将VCOMP置高，锁存当前的计数状态，当前的状态即为最终的结果。10位脉冲产生器的输入为计数器的4个输出信号，通过逻辑设计产生10个脉冲。此外，由时钟模块产生两个两相不交叠时钟F1和F2以及上升沿触发的信号作为采样时钟Fdd；当F1为高电平时将比较模块中的比较器被接为单位增益放大器，F2为高电平时比较器开始比较。当Termb为低时，将F1置高和F2置低，此时计数器停止工作，并锁存当前计数状态。

比较模块中的比较器在双相不交叠时钟的控制下将盛油模块的电阻分压Vfb由高到低进行逐次进行比较，具有offset抵消功能。整个电路在EN控制下工作，并在最多10个时钟周期后进入锁存状态。Termb信号刚开始时为高电平，当比较结果VCOMP出现低电平时，则Termb变为低电平；如果前面9个周期都比较出高电平，当clk10来临时，将置低Termb信号，从而将F0置为高电平，从而进入锁存状态。锁存部分开始工作后，当输入时钟为高时，则保持输出为低，当输入时钟跳变到低电平时(第一个触发起采样到低电平)，则将输出置高，此时进入锁存状态。

1.2 检测模块原理

如表1所示，菜籽油中掺入地沟油的电导率测定结果，可以看出菜籽油的电导率随掺入地沟油的质量分数呈正比关系。

由电导率公式可知：

(1)

式中：

R——电阻，Ω；

ρ——电导率，Ω·m；

表1 菜籽油中地沟油质量分数与电导率测定结果

L——长度，m；

S——横截面积，m2。

本文盛油箱的长度L取0.1 m，横切面积S取0.1 cm2，对应电阻用Roil表示，如表2所示，列出了菜籽油中掺入不同百分比地沟油时对应的Roil。

由表2可知，单位体积的电阻与地沟油质量分数呈线性反比，本文正是利用此特点来设计检测模块。图2为本文提出的检测计中的检测模块，其中R代表盛油箱对应的电阻，故由图2可知：

(2)

其中，Rb取22 kΩ，Vref取1 V。结合表2和图2可得出菜籽油中地沟油质量分数与对应Vo统计表以及Vo变化曲线，见表3。

图2(a)和(b)分别为盛油模块和检测计中的比较模块结构图，其中图2(a)的VIN与图2(b)的Vo相连，图2(a)的Vfb

表2 菜籽油中地沟油质量分数与电阻统计表

表3 菜籽油中地沟油质量分数与Vo统计表

与2(b)的Vfb相连，图2(b)中的Vref接带隙基准产生的基准电压。图2(a)中的R1～R10以及RL和RS是用来盛放待检测油的容器的不同等分，每个等分之间用绝缘片隔开，由上面的分析可知，不同等分容器具有不同的电阻。其中RF和RS为等效主电阻和限流电阻，其中RS的大小取决于功耗。clk1～clk10为图1中产生的10个控制信号，依次改变电阻分压的电压值Vfb。将每一个控制信号对应Vfb由与参考电压Vref进行比较，直到出现低电平为止，同时通过计数器统计高电平数目，最终得到4位二进制数。因此，当菜籽油中地沟油的掺入比发生变化时，电阻势必会发生变化，导致Vo变化，从而使Vfb发生变化，得到不同的4位二进制数。

图2 盛油模块和比较模块结构图

当F1为高时，比较模块相当于单位增益放大器，将运放的offset电压和电阻分压Vfb采样到电容C1上，C1容值为2 pF，主要起补偿作用；当F2为高时，将Vref电压接到比较器正相端，将Vfb与Vref进行比较；下一周期改变分压电阻的阻值，由高到低逐次比较。在开始的比较周期，由于Vfb高于Vref，输出经过一个反相器后变为高电平，直到Vfb低于Vref，输出变为低电平。

电阻分压Vfb与Vo的关系见式(3)。

(3)

其中K为clk1～clk10控制信号分别对应的开关。

图3为Vo分别为3.9，2.09，1.59 V所对应的开关K与Vfb关系图。由图3可知，当Vo=3.9 V时，每个开关对应的电阻分压Vfb都大于参考电压Vref，当Vo=2.09 V时，前7个开关对应的电阻分压Vfb大于参考电压Vref，当Vo=1.59 V时，前3个开关对应的电阻分压Vfb都大于参考电压。因此，通过计数器计数可以分别得到10，7，3个高电平脉冲，从而得到不同的4位二进制数。

图3 不同Vo对应的开关K与Vfb关系图

将地沟油质量分数分为10个区间，分别用二进制代码表示，表4为地沟油掺入百分比对应的二进制代码值。

图4为控制系统连接图，其中核心控制器采用STC89C51，其P10～P14口为CMOS检测计模块的5位二进制信号输入口，开关S2控制CMOS库仑计芯片的关闭与开启。显示屏为 TFT液晶显示屏，其驱动电路为S6D0144芯片。

表4 地沟油掺入百分比对应的二进制代码值

图4 控制系统连接图

2 软件设计

图5为系统设计时序图，其时序以地沟油质量分数为50%～60%以及0%～10%为例，结合图2可知，第1个波形为EN信号，即EN为高电平时开始转换，第2个波形Termb为终止信号，当EN从低电平跳变到高电平Termb也会跳变到高电平，Termb为0指示进入锁存状态，等待数据被读取；可以看出当地沟油质量分数较高时(50%～60%)时转换出0101，地沟油质量分数较低时(0%～10%)转换出1010。第3个波形为采样信号Fd，设为在其上升沿采样，一旦采样到Vcomp为低电平，则将Termb置低。由于当F1为高电平时进行比较，因此在F1为高后延迟一段时间才采样比较的结果。第4个波形为F2信号为高电平时将比较器接为单位增益放大器，并输出比较结果，F1信号为高电平时进行比较，并将Vcomp信号置高。计数器电路由5个D触发器级联而成，其中这5个D触发器都是下降沿触发。Vd1～Vd4为F1信号分频后的信号，以形成10个不同相位(0001～1010)，由低位到高位逐次比较。如1.1所述，如果比较结果为高电平时则继续比较，当比较出现低电平时则将F1置高，锁存当前状态，此时的计数结果即最终的结果。例如，当10次比较都输出高电平，说明此时的质量分数已经小于10%，则锁存住第10个状态，即此时为1010。

3 测试结果

图6为CMOS检测计的芯片缩影图，基于上华0.5 μm工艺，芯片面积为1.4 mm2。

图5 系统时序图

本研究涉及的地沟油来自于地方食品药品监督局管提供的菜籽油类型的地沟油，为了试验需要，采用的是没有精炼后的地沟油，标志物含量相对较多，这样才能导致电导率与正常食用油不一致。用如图2所示的盛油模块中的R1～R10以及RL和RS盛油容器来盛放待检测油，每个盛油容器具有不同等分，且用绝缘片隔开，使得电阻不一样。由1.2的检测原理分析可知，clk1～clk10为图1中产生的10个控制信号，依次控制S1～S10产生不同的电阻分压值Vfb与参考电压Vref进行比较，直到出现低电平为止，同时利用计数器统计高电平数目，最终得到4位二进制数。如图7所示，(a)、(b)、(c)分别为地沟油质量分数15%，32%，84%时的Fd波形测试图，其Fd出现的高电平数分别为10，7，2个。由图5可知，Fd出现的高电平数就代表采样的次数，从而可知产生的高电平数，所以地沟油质量分数分别为15%，32%，84%时对应的二进制代码为1001，0111，0010，与表4相符合。

图6 CMOS检测计芯片缩影图

图7 不同掺入比例地沟油的测试结果

4 结论

针对当前地沟油检测方面存在的不足，本研究设计了一种的高精度地沟油检测计，并结合AT89C51为MCU，以TFT-LCD为终端显示，通仿真和测试结果显示，此检测计不仅能够实现快速、精确检测菜籽油中地沟油的掺入百分比，而且具有低功耗、低面积的特点，并获得了多项国家专利，已经准备开始应用于市场，具有广阔的应用前景和商业价值。

本研究基于单片机和相关电路检测地沟油，利用电阻分压在终端得到不通的电平数来鉴别地沟油。虽较市面上检测仪的精确差，但该方法简单，新颖，成本较低，可为今后地沟油以及其他物质的检测提供参考。

[1] 曹文明, 孙禧华, 陈凤香, 等. “地沟油”鉴别技术研究展望[J]. 中国油脂, 2012, 37(5): 1-5.

[2] GOMES T, FRANCESCO C, DELCURATOLO D. Fate of oxidized triglycerides during refining of seed oils[J]. Journal of Agricultural & Food Chemistry, 2003, 51(16): 4 647-4 651.

[3] ZHANG R, ZHANG Z, ZHANG H, et al. Influence of lipid type on gastrointestinal fate of oil-in-water emulsions: In vitro digestion study[J]. Food Research International, 2015, 75(3): 71-78.

[4] 曹文明, 薛斌, 杨波涛, 等. 地沟油检测技术的发展与研究[J]. 粮食科技与经济, 2011, 36(1): 41-44.

[5] 陈兆圆, 李方实. 地沟油检测方法的研究进展[J]. 食品研究与开发, 2014(8): 129-132.

[6] 卢海燕, 王欣, 赵婷婷, 等. “地沟油”常见检测方法及低场核磁共振法的研究进展[J]. 食品安全质量检测学报, 2013(5): 1 428-1 436.

[7] 杨冬燕, 李浩, 杨永存, 等. 基于电子鼻技术的地沟油鉴别研究[J]. 食品科技, 2014(6): 311-315.

[8] 李娟, 牛涛涛. 光谱技术在植物油脂掺伪和地沟油检测上的应用[J]. 分析仪器, 2012(3): 88-92.[9] 李沂光, 单杨, 李高阳, 等. 地沟油检测方法研究现状与其应用分析[J]. 食品与机械, 2012, 28(3): 262-265.

[10] 许艳霞, 倪小英, 杨进. 地沟油检测指标及方法研究现状与展望[J]. 食品与机械, 2014, 30(5): 283-287.

[11] LU Rong-sheng, ZHOU Xin-long, WU Wei-ping, et al. Development of the miniature NMR apparatus for edible oil quality control[J]. Applied Magnetic Resonance, 2014, 45(5): 29-34.

[12] 胡雪瑶, 吴次南. 基于电导率的地沟油快速鉴别方法的改进[J]. 应用物理, 2013, 3(8): 162-165.

[13] 王飞艳, 于修烛, 吕曼曼, 等. 基于电导率的地沟油快速定性与半定量分析[J]. 食品科学, 2011(18): 304-307.

[14] 朱锐, 王督, 杨小京, 等. 电导率测定在鉴别食用植物油掺伪应用研究[J]. 粮食与油脂, 2008(11): 42-43.

[15] 刘志金, 郑雪玉, 潘红芝, 等. 潲水油与合格食用油鉴别方法的研究[J]. 武汉工业学院学报, 2006, 25(4): 9-11.

[16] 黄伟, 郑建军, 徐建华. 地沟油的安全快速检测研究[J]. 山东科技大学学报: 自然科学版, 2010, 29(3): 51-53.

[17] CHANDRAKASAN A P, SHENG S, BRODERSEN R W. Low-power CMOS digital design[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2010, 27(4): 473-484.

[18] STERN E, KLEMIC J F, ROUTENBERG D A, et al. Label-free immunodetection with CMOS-compatible semiconducting nanowires[J]. Nature, 2007, 445(7 127): 519-522.

[19] BAKER R J. CMOS: circuit design, layout, and simulation[M]. [S.l.]: IEEE Press, 1998: 1 231-1 232.

A high precious gutter oil detector based on complementary metal oxide semiconductor

YANG Jie1,2HUANGHai-shen1LIYang-jun1

(1.ZunyiNormalCollege,SchoolofPhysicsandMechanicalandElectricalEngineering,Zunyi,Guizhou563002,China; 2.ChongqingUniversityofPostsandTelecommunications,CollegeofcomputerScienceandTechnology,Chongqing400065,China)

Since the different conductivity of gutter oil and edible oil normally result in the different resistivity per unit volume, a linear detection module based on CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) was designed, which shorted to ground combined with directly selection the resistor string to divide voltage makes more linear precision voltage divider. Under the action of counting pulse, the count resistor divider compares with the reference voltage to achieve different number of high level, which not only can distinguish gutter oil and edible oil, but also come to the mass fraction of edible oil, which incorporates gutter oil. In the design of core circuit of detector, this detector is easy to achieve low area and low power base on CMOS.

gutter oil; CMOS; conductivity; resistor divider

贵州省教育厅自然科学研究项目[编号：黔教合KY字(2013)200号]；省级重点学科(编号：黔学位办[2013]18号)；贵州省联合基金项目(编号：黔科合LH字[2015]7025号)

杨洁(1987—)，男，遵义师范学院讲师，重庆邮电大学在读博士研究生。E-mail: 530966074@qq.com

2016-06-29