畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）食用油電學(xué)參數(shù)的試驗(yàn)檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

1、食用油電學(xué)參數(shù)的試驗(yàn)檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)1緒論：1.1本課題的背景2007年7月2日晚，cctv焦點(diǎn)訪談播出“揭秘泔水油”節(jié)目，節(jié)目揭露了某工廠在利益的驅(qū)使下生產(chǎn)并銷售泔水油12（地溝油的一種）的情況。我國(guó)早就出臺(tái)了相關(guān)的規(guī)定，禁止將這種廢棄油脂加工成食用油，而近年來(lái)地溝油加工成食用油的現(xiàn)象頻頻被媒體曝光。相關(guān)部門對(duì)此也加大了打擊的力度，但是由于有利可圖，且地溝油的檢測(cè)這個(gè)技術(shù)難題一直無(wú)法解決，地溝油始終是屢禁不止。地溝油3很多指標(biāo)都嚴(yán)重不符合國(guó)家規(guī)定的食用油衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，危害極大，其直接排入水源會(huì)造成水質(zhì)污染，而一旦被人體食用后，則可能會(huì)引起食物中毒。地溝油的酸敗指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出國(guó)家規(guī)定，長(zhǎng)期攝入，人們將出

2、現(xiàn)體重減輕和發(fā)育障礙，易患腹瀉和腸炎，并有肝、心和腎腫大以及脂肪肝等病變。此外，地溝油受污染產(chǎn)生的黃曲霉毒性不僅易使人發(fā)生肝癌，在其他部位也可以發(fā)生腫瘤，如胃腺癌、腎癌、直腸癌及乳癌、卵巢、小腸等部位癌變。2002年，國(guó)家出臺(tái)的食品生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)單位廢棄食用油脂管理的規(guī)定明確要求，不得將廢棄油脂加工以后再作為食用油脂使用或者銷售。不僅地溝油會(huì)對(duì)人們的身體帶來(lái)危害，在方便面加工及油炸食品中反復(fù)炸制食品的食用油通常也不利于人們的健康。食用油在高溫下長(zhǎng)時(shí)間的加熱，會(huì)使油分子發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，生成對(duì)人體健康有害的物質(zhì)。近幾年很多文章都報(bào)道了高溫加熱過(guò)的油脂所生成的物質(zhì)，如氧化類脂化合物、二聚體等，是與動(dòng)

3、脈粥樣硬化、肝損傷、腫瘤、癌癥等疾病有關(guān)的物質(zhì)4。因此，西方發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)注意到這一問(wèn)題，定期更換炸油，同時(shí)研究各種簡(jiǎn)便的檢測(cè)方法56。為了防止油脂因高溫及長(zhǎng)時(shí)間加熱對(duì)人體健康造成危害，在烹調(diào)中應(yīng)避免油溫過(guò)高，減少反復(fù)使用次數(shù)，及時(shí)更換舊油。同時(shí)，應(yīng)該有一個(gè)簡(jiǎn)便的方法或者裝置及時(shí)檢測(cè)食用油的質(zhì)量。1.2食用油質(zhì)量檢測(cè)方法目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有多種傳統(tǒng)方法可以檢測(cè)出食用油的質(zhì)量7，如感觀評(píng)價(jià)法、物理化學(xué)評(píng)價(jià)法、柱層析法、化學(xué)感官系統(tǒng)法、核磁共振光譜法以及紅外檢測(cè)法。這幾種常用的食用油質(zhì)量檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)見表1.1。表1.1 常用食用油質(zhì)量檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)缺點(diǎn)檢測(cè)方法優(yōu) 點(diǎn)缺 點(diǎn)感觀評(píng)價(jià)法簡(jiǎn)單、直接

4、，不需要任何儀器和試劑需要操作人員有豐富的經(jīng)驗(yàn)，且不能對(duì)煎炸油劣變程度做出一個(gè)定量的評(píng)價(jià)物理化學(xué)評(píng)價(jià)法廣泛應(yīng)用于油脂分析，可以評(píng)定煎炸油質(zhì)量需要耗費(fèi)大量的時(shí)間，很難實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)柱層析法得到一致的公認(rèn)，可靠性高檢測(cè)比較費(fèi)時(shí)化學(xué)感觀系統(tǒng)法經(jīng)濟(jì)快速，儀器成本低科技含量高，實(shí)現(xiàn)難度較大核磁共振光譜法快速，非破壞性，且不使用任何化學(xué)試劑價(jià)格較昂貴，而且需要采用推薦的標(biāo)準(zhǔn)物進(jìn)行校正紅外檢測(cè)法快速，可靠，精確價(jià)格比較昂貴傳統(tǒng)的檢測(cè)食用油劣變的方法既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，并且大量化學(xué)試劑的使用會(huì)對(duì)自然環(huán)境產(chǎn)生潛在的危害。目前，一個(gè)快速檢測(cè)方法之一是測(cè)量油脂煎炸過(guò)程中介電性質(zhì)的變化。用測(cè)量介電常數(shù)的方法確定油中極化成分含

5、量，從而得知油在使用過(guò)程中的變質(zhì)程度是一種簡(jiǎn)單方便且又可靠的方法。比化學(xué)方法省時(shí)、省力，費(fèi)用低廉，可以在現(xiàn)場(chǎng)使用，以便及時(shí)了解油的質(zhì)量狀況。1.3電容測(cè)量方法傳統(tǒng)地，檢測(cè)電容傳感器的電容變化的困難在于實(shí)現(xiàn)高性能、低成本的電容輸入的信號(hào)處理前端。表1.2列出了三種傳統(tǒng)電容測(cè)量方法的原理及其特點(diǎn)89。表1.2 傳統(tǒng)電容測(cè)量方法的原理及其特點(diǎn)原理及特點(diǎn)測(cè)量方法原 理特 點(diǎn)直接法首先按照規(guī)定的時(shí)間用特定的電流源對(duì)待測(cè)電容器充電，然后測(cè)量該電容器兩端的電壓。這種方法需要小電流、高精密電流源和高輸入阻抗才能測(cè)量出電壓。利用rc振蕩器用待測(cè)的電容器構(gòu)成一個(gè)rc振蕩器，然后測(cè)量時(shí)間常數(shù)、頻率或周期。這種方法很

6、簡(jiǎn)單，但是通常不能達(dá)到高精度。測(cè)量交流阻抗用一個(gè)正弦波信號(hào)源激勵(lì)該電容器，然后測(cè)量該電容器的電流和電壓。并使用四線制連接到該電容器。這種電路非常復(fù)雜而且需要的元器件數(shù)量多。電容法就是利用電容傳感器將被測(cè)物體的電容通過(guò)合適的信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行測(cè)量。常用的測(cè)量電路有運(yùn)算放大器式電路、調(diào)頻式電路、充放電式電路等。以上三種電容測(cè)量方法中，為了提高測(cè)量精度和靈敏度，一般會(huì)相應(yīng)增加調(diào)理電路的復(fù)雜程度，從而就增加了寄生電容對(duì)系統(tǒng)的影響10 11。所以，在分立元件較多的情況下，很難設(shè)計(jì)出比較實(shí)用的高精度電容測(cè)量電路。本設(shè)計(jì)利用先進(jìn)的集成電路芯片ad7746，配以相應(yīng)簡(jiǎn)單的外圍電路，設(shè)計(jì)出寄生電容小、抗干擾能力強(qiáng)

7、的高精度電容式傳感器測(cè)量電路。1.4本課題研究的內(nèi)容近年來(lái)，隨著人民生活水平的不斷提高，人們對(duì)食用油的品質(zhì)要求也越來(lái)越高。但是由于地溝油以及反復(fù)炸制食品的食用油，單從外觀上很難與正常食用油區(qū)分，使眾多不知情的消費(fèi)者深受其害。如何查禁此類不利于消費(fèi)者健康的劣質(zhì)油？人們不僅希望有關(guān)部門聯(lián)手，通力合作、嚴(yán)抓狠打，而且需要研發(fā)出一種能夠迅速準(zhǔn)確的檢測(cè)出劣質(zhì)油的裝置，從而讓這種危害群眾健康、安全的食用油遠(yuǎn)離消費(fèi)者。本設(shè)計(jì)擬采用微控制器（mcu）設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)型食用油脂電學(xué)參數(shù)的試驗(yàn)檢測(cè)裝置，可用于檢測(cè)食用油脂的電參數(shù)變化特性。設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括：（1） 設(shè)計(jì)硬件電路并繪制原理圖。（2） 設(shè)計(jì)印刷板電路圖。

8、（3） 軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試，并畫出各個(gè)模塊的程序流程圖。（4） 人機(jī)界面的設(shè)計(jì)。2方案論證2.1設(shè)計(jì)方案的選擇在質(zhì)量差的食用油中，其極性化合物含量比正常食用油要多，而極性化合物含量直接影響其介電常數(shù)的大小。質(zhì)量越差的食用油，其介電常數(shù)就越大，而介電常數(shù)可以由平行板電容器的電容值求出。因此，只要測(cè)量出食用油的介電常數(shù)，就能間接得出其極化成分的含量，從而對(duì)食用油的質(zhì)量進(jìn)行判斷。本設(shè)計(jì)有兩個(gè)方案可供選擇121314：方案一：該方案的硬件電路由信號(hào)發(fā)生器、電容傳感器、放大電路、整流濾波、線性化電路、溫度補(bǔ)償及微控制器系統(tǒng)等單元構(gòu)成，微控制器系統(tǒng)又由a/d 轉(zhuǎn)換、微控制器、lcd顯示和功能鍵組成。信號(hào)發(fā)生器

9、產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)經(jīng)電容傳感器周圍的油脂衰減，變成與被測(cè)油脂質(zhì)量成正比的電流檢測(cè)信號(hào)。檢測(cè)信號(hào)經(jīng)放大后，整流濾波成為直流信號(hào)。由于食用油質(zhì)量與阻抗的非線性關(guān)系，該裝置采用了線性化電路對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行線性化處理，再將線性化信號(hào)送至微控制器系統(tǒng)。方案一的原理框圖如圖2.1所示。電容傳感器放大電路線性化電路溫度補(bǔ)償a/d轉(zhuǎn)換lcd顯示功能鍵信號(hào)發(fā)生器微控制器整流濾波圖2.1 方案一的原理框圖方案二：與方案一相比，方案二采用adi公司的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器ad7746取代了方案一中的信號(hào)發(fā)生器、放大電路、整流濾波、線性化電路、溫度補(bǔ)償?shù)入娐?。電容式傳感器采用一個(gè)合適大小的平行板電容器，測(cè)量時(shí)使其能夠完全浸入到食用

10、油樣品中，并利用芯片ad7746對(duì)平行板電容器的電容進(jìn)行測(cè)量。該方案采用pic系列微控制器中的pic16f877作為主控制器。一個(gè)好的人機(jī)界面是產(chǎn)品迅速占領(lǐng)市場(chǎng)的必要條件，因此，該方案使用lcd1602c作為顯示器，將由微控制器系統(tǒng)處理后的信息送往lcd上顯示。設(shè)置了若干功能鍵供用戶使用，整個(gè)檢測(cè)過(guò)程可通過(guò)按鍵對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，由于鍵盤只需要3個(gè)，所以采用普通的獨(dú)立式按鍵。方案二的原理框圖如圖2.2所示。電容傳感器lcd顯示功能鍵電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器ad7746微控制器圖2.2 方案二的原理框圖通過(guò)對(duì)這兩種方案的比較發(fā)現(xiàn)，兩種方案的基本原理是一致的，均采用電容法檢測(cè)食用油質(zhì)量。但是由于方案一使用了大量

11、的模擬電路，因此其硬件電路較為復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)難度較大，而且大量分立元件的使用必然使系統(tǒng)的寄生電容增大，因此方案一很難設(shè)計(jì)出比較實(shí)用的高精度檢測(cè)裝置。而方案二使用了電容檢測(cè)芯片ad7746，大大簡(jiǎn)化了硬件電路，從而減小了寄生電容對(duì)系統(tǒng)的影響、加強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力。在這一點(diǎn)上，方案二克服了方案一的不足，但ad7746會(huì)增加系統(tǒng)的編程難度，使整個(gè)設(shè)計(jì)的軟件成本增加。權(quán)衡利弊，本設(shè)計(jì)采用方案二。2.2介電常數(shù)法的原理油脂的主要成份是各種高級(jí)脂肪酸的甘油脂，在高溫情況下，油分子會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)、聚合反應(yīng)，生成分子質(zhì)量及極化特性各不相同的復(fù)雜成份。其中有一部分是極性的，另一部分是非極性的。介質(zhì)的極化成分的質(zhì)量

12、分?jǐn)?shù)直接影響其介電常數(shù)的大小。當(dāng)平行板電容器極板間被某種電介質(zhì)充滿時(shí)，在電場(chǎng)存在的情況下，極化分子的偶極矩沿電場(chǎng)方向排列，產(chǎn)生了一個(gè)附加電場(chǎng)，與原來(lái)的電場(chǎng)方向相反，使原電場(chǎng)削弱，見圖2.3。這時(shí)電容增大k倍，k就是該介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。介質(zhì)中的極化成分越多，相對(duì)介電常數(shù)就越大15 16 17。未使用過(guò)的新鮮油脂都是弱極性的，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間反復(fù)加熱，其極化成分會(huì)逐漸增加，介電常數(shù)隨之增大。目前，國(guó)際上常用極化成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為鑒定油在加熱作用過(guò)程中質(zhì)量惡化的量度。因此，介質(zhì)的極化成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)直接影響其介電常數(shù)的大小，應(yīng)用介電常數(shù)的變化，可以確定食用 圖2.3 電容器中的極化分子油極化成分含量的變化

13、，從而進(jìn)一步確定被測(cè)食用油的質(zhì)量情況。真空的相對(duì)介電常數(shù)為1，空氣為1.00059，在這里，近似地把介質(zhì)相對(duì)于空氣的介電常數(shù)作為相對(duì)介電常數(shù)的值，其它介質(zhì)的介電常數(shù)與空氣的介電常數(shù)之比為這種介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。如果一個(gè)電容器在空氣中的電容是c0，把它浸入未使用過(guò)的新鮮的油中，其電容為c1，那么新鮮油的介電常數(shù)為1= c1/c0，然后再浸入待測(cè)的油樣中，測(cè)得的電容為c2，則此油樣的介電常數(shù)為2=c2/c0。2-1為此油樣使用后介電常數(shù)的變化，這個(gè)變化與油樣中極化分子含量的變化成正比。因此，測(cè)量一個(gè)空氣隙平行板電容器在空氣中和完全浸沒在油中的電容，就可以確定油的相對(duì)介電常數(shù)，從而得知油在使用過(guò)程中

14、的變質(zhì)程度。2.3電容式傳感器的原理在各類非電量傳感器中，電容式傳感器18192021是用得最普遍的一種，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)它作為流量、壓力、位移、液位、速度、加速度等物理量的傳感元件，應(yīng)用己相當(dāng)廣泛。電容式傳感器是一個(gè)具有可 變參數(shù)的電容器。多數(shù)場(chǎng)合下，電容式傳 圖2.4 平行板電容器示意圖感器是指以空氣為介質(zhì)的兩個(gè)平行金屬板組成的平行板電容器，如圖2.4所示。在目前的電容式傳感器中，比如電容式壓力傳感器、電容式濕度傳感器、電容式液位傳感器、電容式加速度傳感器、電容式位移傳感器等都有廣泛的應(yīng)用前景，且技術(shù)已經(jīng)比較成熟。在不考慮邊緣效應(yīng)的情況下，平行板電容器電容量的計(jì)算公式為： (2.1) 式中：c

15、傳感器電容，f； 兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，f/m；s 極板面積，；d 兩極板間的距離，m； 相對(duì)介電常數(shù)； 真空的介電常數(shù)（等于8.8542×10-12f/m）。3pic系列微控制器3.1pic系列微控制器概述隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，微控制器的應(yīng)用越來(lái)越為廣泛。越來(lái)越多的廠商推出了各自的微控制器產(chǎn)品22。美國(guó)microchip公司推出的pic（peripheral interface controller）系列微控制器23可謂獨(dú)樹一幟，率先推出了采用精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)risc(reduced instruction set computer)、哈佛雙總線和兩級(jí)指令流水線結(jié)構(gòu)的高性價(jià)比8

16、位嵌入式控制器。其高速度(每條指令最快可達(dá)到160ns)、低工作電壓(最低工作電壓為3v)、低功耗、較大的led驅(qū)動(dòng)能力(灌電流可以達(dá)到25ma)、一次性編程otp(one time programmable)芯片的低價(jià)位(最低的不到8元人民幣)、小體積(8引腳)、指令簡(jiǎn)單、易用易學(xué)等，都體現(xiàn)微控制器工業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)。pic系列微控制器在世界微控制器的市場(chǎng)份額排名中逐年上升，已經(jīng)成為一種新的8位微控制器的世界標(biāo)準(zhǔn)和最有影響力的主流嵌入式控制器。較之于常用的其他類型的微控制器，pic系列微控制器具有明顯的優(yōu)越性。3.2pic系列微控制器的優(yōu)點(diǎn)2425pic系列微控制器的突出特點(diǎn)是體積小，功耗低，

17、精簡(jiǎn)指令集，抗干擾性好，有較強(qiáng)的模擬接口，代碼保密性好。在一些小型的應(yīng)用中，比傳統(tǒng)的51單片機(jī)更加靈活，外圍電路更少，因而得到了廣泛的應(yīng)用。另外其較少的指令及較強(qiáng)的實(shí)用功能更為許多微控制器初學(xué)者之首選品牌，以下分幾方面介紹它的優(yōu)越之處：（1） 哈佛總線結(jié)構(gòu)。pic系列微控制器不僅采用了哈佛體系結(jié)構(gòu)，而且還采用了哈佛總線結(jié)構(gòu)。在pic系列微控制器中采用的這種哈佛總線結(jié)構(gòu)，就是在芯片內(nèi)部將數(shù)據(jù)總線與指令總線分開，并且采用不同的寬度。而在一般的微控制器中，指令總線和數(shù)據(jù)總線是共用的。（2） 精簡(jiǎn)指令集（risc）技術(shù)。pic系列微控制器的指令系統(tǒng)只有35條指今，這給指令的學(xué)習(xí)、記憶、理解帶來(lái)很大的好

18、處，也給程序的編寫、閱讀、調(diào)試、修改、交流帶來(lái)極大的便利。（3） 尋址方式簡(jiǎn)單26。pic系列微控制器只有4種尋址方式，即寄存器間接尋址、立即數(shù)尋址、直接尋址和位尋址，而mcs-51單片機(jī)為7種尋址方式，68hc05微控制器為6種。（4） 功耗低。pic系列微控制器的功率消耗極低，是目前世界上功耗最低的微控制器品種之一。其中有些型號(hào)，在4mhz時(shí)鐘下工作耗電不超過(guò)2ma，在睡眠模式下耗電可以低到lua以下。（5） 驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)。1/0 端口驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力較強(qiáng)，每個(gè)i/o引腳輸入和輸出電流的最大值可分別達(dá)到25ma和20ma，能夠直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管、光電耦合器或者微型繼電器等。3.3食用油檢測(cè)裝置

19、的mcu芯片選型由于微控制器要對(duì)ad7746發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析和處理，并完成多種操作功能，所以其i/o端口的驅(qū)動(dòng)能力要足夠強(qiáng)，對(duì)事件的反應(yīng)速度要足夠快，且由于電容傳感器對(duì)外部干擾極為敏感，因此還要求微控制器具有良好的抗干擾能力。pic16f877是microchip公司推出的一款特色鮮明的產(chǎn)品，它最重要的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試和在線編程。在pic16f87x系列中，pic16f877囊括了其他類型微控制器的功能，其他各款微控制器都是在它的功能的基礎(chǔ)上通過(guò)部分精簡(jiǎn)而得來(lái)的。所以本系統(tǒng)采用高效可靠的pic16f877微控制器，它是美國(guó)microchip公司生產(chǎn)的中檔微控制器，采用全新的流

20、水線結(jié)構(gòu)、單字節(jié)指令體系，嵌入flash以及看門狗定時(shí)器，指令精減(只有35條指令)，icsp(在線編程)方便可調(diào)。pic16f877的封裝圖見圖3.1。圖3.1 pic16f877的封裝圖另外，pic16f877微控制器同時(shí)具有i2c串行通信模塊，因此，微控制器無(wú)需擴(kuò)展外部電路就可以直接與電容檢測(cè)芯片ad7746進(jìn)行通信。所以，食用油檢測(cè)裝置選用pic16f877微控制器作為系統(tǒng)的主芯片，這樣將使檢測(cè)裝置的硬件電路簡(jiǎn)單可靠，軟件編制方便，系統(tǒng)整體性能得以提高。3.4pic16f877的i2c總線i2c27總線是由菲利浦半導(dǎo)體公司在八十年代初設(shè)計(jì)出來(lái)的，主要是用來(lái)連接整體電路(ics)。i2c

21、是一種多向控制總線，也就是說(shuō)多個(gè)芯片可以連接到同一總線結(jié)構(gòu)下，同時(shí)每個(gè)芯片都可以作為實(shí)施數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂圃?。i2c串行總線一般有兩根信號(hào)線，一根是雙向的數(shù)據(jù)線sda，另一根是時(shí)鐘線scl。所有接到i2c總線設(shè)備上的串行數(shù)據(jù)線sda都接到總線的sda上，各設(shè)備的時(shí)鐘線scl接到總線的scl上。目前，51、96系列的微控制器應(yīng)用很廣，但是由于它們都沒有i2c總線接口，從而限制了在這些系統(tǒng)中使用具有i2c總線接口的器件。而pic16f877在芯片內(nèi)部集成了i2c模塊，這也是本設(shè)計(jì)選用pic16f877作為主芯片的原因之一。microchip公司按i2c總線規(guī)范開發(fā)的內(nèi)部配置了i2c總線接口的pic16

22、f877系列微控制器，其i2c總線接口的主要技術(shù)性能如下：·工作速率可以兼容100kb/s和400kb/s兩種標(biāo)準(zhǔn)；·既支持主控器工作模式，也支持被控器工作模式；·支持多機(jī)通信方式以及時(shí)鐘仲裁和總線仲裁功能；·既可用7位尋址方式，也可用10位尋址方式；·支持廣播式尋址(或稱為通用呼叫地址尋址)方式；·信號(hào)線電平可以兼容i2c和smbus兩種總線規(guī)范；·硬件上可以自動(dòng)檢測(cè)總線沖突、啟動(dòng)信號(hào)和停止信號(hào)，并且產(chǎn)生中斷標(biāo)志。鑒于以上特點(diǎn)，選用pic16f877微控制器的i2c總線方式與電容檢測(cè)芯片ad7746進(jìn)行通信。4電容檢測(cè)芯片

23、ad77464.1ad7746概述ad77462829是由美國(guó)adi公司最新推出的一款24位電容式帶有片上溫度傳感器的數(shù)字轉(zhuǎn)換器(cdc)，片內(nèi)自帶電壓參考和時(shí)鐘發(fā)生器，并內(nèi)置可編程補(bǔ)償電路，其原理框圖如圖4.1所示。ad7746具有較高的分辨率、準(zhǔn)確度和線性度等內(nèi)在特性，采用了adi公司cdc專業(yè)的高精度-技術(shù)，具有5 af/hz的低噪性能以及不大于1ma的低功耗。ad7746應(yīng)用廣泛，適合于工業(yè)、汽車以及消費(fèi)類、檢測(cè)應(yīng)用等。標(biāo)準(zhǔn)的-adc通過(guò)在芯片內(nèi)的固定電容器和外界輸入電壓之間切換實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，而ad7746的-電路做了改進(jìn)，即用固定輸入電壓和可變電容器之間切換實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。這里，固定輸入電壓為

24、片內(nèi)電壓激勵(lì)(250khz的方波信號(hào))，可變電容器即為待測(cè)電容。圖4.1 ad7746的原理框圖ad7746可直接連待測(cè)電容器，測(cè)得電容值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后存放于片內(nèi)3個(gè)連續(xù)的寄存器內(nèi)。測(cè)量可變電容的范圍為±4pf，可通過(guò)在片可編程補(bǔ)償設(shè)置017 pf的偏置。其2組電容測(cè)量輸入通道均可接成單端浮地或差分浮地形式。ad7746采用i2c串行接口，可以方便地利用微控制器進(jìn)行控制和修正。片內(nèi)共有19個(gè)寄存器，其中，與電容測(cè)量有關(guān)的主要有電容值寄存器、激勵(lì)模式寄存器、測(cè)量通道寄存器、測(cè)量模式寄存器、片內(nèi)補(bǔ)償設(shè)置寄存器、偏置設(shè)置寄存器等。4.2ad7746的引腳ad7746采用小型16引腳tsso

25、p封裝，其封裝圖如圖4.2所示。該器件采用單電源供電，供電范圍為2.7 v5.25 v。圖4.2 ad7746的封裝圖在本設(shè)計(jì)中，通過(guò)pic16f877微控制器對(duì)ad7746進(jìn)行編程控制，讀寫器件內(nèi)部各寄存器的數(shù)值，然后通過(guò)微控制器進(jìn)行處理，最終將計(jì)算結(jié)果送至顯示器進(jìn)行顯示。各引腳功能描述如表4.1所示。表4.1 ad7746的引腳功能描述引腳號(hào)引腳名功 能1scl時(shí)鐘輸入。需要外加上拉電阻2邏輯輸出。低電平表示使能引腳轉(zhuǎn)換完成，新的數(shù)據(jù)可以利用。該引腳不用時(shí)應(yīng)該懸空3，4exca，excbcdc激勵(lì)輸出。被測(cè)電容應(yīng)接于exc和cin之間。如果不用，需懸空5，6refin(+)，refin(-

26、)差分電壓參考輸入。如果不用，需懸空或者與地連接7cin1(-)差分模式下負(fù)端電容輸入。如果不用，需懸空或者與地連接8cin1(+)差分模式下正端電容輸入或者單相模式下電容輸入。如果不用，需懸空或者與地連接9cin2(+)差分模式下第二個(gè)正端電容輸入或者單相模式下電容輸入。如果不用，需懸空或者與地連接10cin2(-)差分模式下第二個(gè)負(fù)端電容輸入。如果不用，需懸空或者與地連接11，12vin(+)，vin(-)差分電壓輸入。如果不用，需懸空或者與地連接13gnd地14vdd電源15nc空腳16sda雙向數(shù)據(jù)傳輸。與主機(jī)數(shù)據(jù)線相連，需上拉電阻4.3ad7746寄存器的設(shè)置ad7746內(nèi)部共有19

27、個(gè)8位寄存器，前7個(gè)為只讀型：第1個(gè)為轉(zhuǎn)換狀態(tài)寄存器，后面6個(gè)用于存放電容和溫度/電壓的轉(zhuǎn)換值。其他11個(gè)寄存器的功能依次是：電容設(shè)置，溫度/電壓設(shè)置，激勵(lì)源exc設(shè)置，轉(zhuǎn)換/更新速率配置，電容偏移量設(shè)置，電容偏置校準(zhǔn)以及電容/電壓增益校準(zhǔn)。每一個(gè)寄存器都有自己特定的地址，如果想對(duì)某可寫寄存器進(jìn)行參數(shù)修改，只需根據(jù)它的地址進(jìn)行寫操作，將待修改的數(shù)值寫進(jìn)去即可。通過(guò)對(duì)電容設(shè)置寄存器進(jìn)行配置，可以有效確定電容的工作通道和工作模式，如表4.2所示。電容設(shè)置寄存器默認(rèn)值為0x00，將cin1置1，可以啟動(dòng)電容第2通道，為0時(shí)，只能使用第1通道。如果外接電容工作于差分模式，capdiff必須置為1。單相

28、模式下工作，capdiff=0。如果capchop=1，可以使電容通道的轉(zhuǎn)換時(shí)間變?yōu)樵瓉?lái)的兩倍，通道噪音也會(huì)提高。表4.2 ad7746的電容設(shè)置寄存器ad7746內(nèi)部具有可編程的偏移量設(shè)置寄存器，偏移量為0pf17pf。通過(guò)軟件編程，可改變此轉(zhuǎn)換器的輸入量程范圍。一般情況下，芯片電容輸入量程為4pf，通過(guò)設(shè)置偏移量后，量程最大可達(dá)到21pf。電容偏移量設(shè)置寄存器(capdac)如表4.3所示。表4.3 ad7746的偏移量設(shè)置寄存器從電容、溫度/電壓寄存器讀出的數(shù)字代碼與電容、溫度/電壓都具有一定的關(guān)系，二者可進(jìn)行換算。其他寄存器的配置情況與以上設(shè)置寄存器類似。4.4ad7746寄存器的讀寫

29、寄存器的讀寫應(yīng)嚴(yán)格按照器件的讀寫時(shí)序進(jìn)行。讀寫時(shí)序如圖4.3所示。在數(shù)據(jù)傳送中，sda攜帶數(shù)據(jù)，scl與之同步。不管是讀還是寫，發(fā)送到sda線上的每個(gè)字節(jié)必須為8位，每個(gè)字節(jié)后必須跟一個(gè)應(yīng)答位。但每次傳輸可以發(fā)送的字節(jié)數(shù)量不受限制。被傳送的數(shù)據(jù)主要由啟動(dòng)信號(hào)、地址碼、若干數(shù)據(jù)字節(jié)、應(yīng)答位以及停止信號(hào)等組成。在數(shù)據(jù)傳送過(guò)程中，當(dāng)scl線是高電平時(shí)，必須保證sda線上的數(shù)據(jù)穩(wěn)定。傳送一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，必須由接收機(jī)發(fā)出一個(gè)應(yīng)答信號(hào)。另外，對(duì)于數(shù)據(jù)線sda和時(shí)鐘線scl的高低電平、上升沿、下降沿以及數(shù)據(jù)建立和保持時(shí)間也有一定的限制，在編程時(shí)需要按器件說(shuō)明書進(jìn)行。圖4.3 ad7746的數(shù)據(jù)傳送時(shí)序圖器件

30、的讀寫應(yīng)按圖4.4進(jìn)行操作。讀操作包含寫的過(guò)程，下面只對(duì)讀操作進(jìn)行說(shuō)明。在進(jìn)行讀時(shí)，微控制器首先應(yīng)發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)s，然后向ad7746寫入寫地址slaveaddr，微控制器收到應(yīng)答信號(hào)a(s)后，就可寫入內(nèi)部所需寄存器的地址subaddr。當(dāng)微控制器再次收到應(yīng)答a(s)后，再發(fā)起一次啟動(dòng)信號(hào)s，然后即可寫器件讀地址slaveaddr。微控制器第三次收到應(yīng)答信號(hào)a(s)以后，主機(jī)、從機(jī)之間的握手信號(hào)就完成了，之后從機(jī)就會(huì)源源不斷地將器件內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳送出來(lái)。在傳送數(shù)據(jù)的過(guò)程中，無(wú)須再寫內(nèi)部寄存器地址。如果不是專門需要某個(gè)寄存器的值，那么內(nèi)部寄存器的數(shù)值就會(huì)被依次輸出，因?yàn)閮?nèi)部寄存器的地址指針具有自動(dòng)

31、加1功能。圖4.4 ad7746的讀寫順序邏輯操作圖5食用油檢測(cè)裝置的硬件電路設(shè)計(jì)5.1食用油檢測(cè)裝置的硬件設(shè)計(jì)原則為了提高食用油檢測(cè)裝置測(cè)量的精確度和穩(wěn)定性，食用油檢測(cè)裝置在設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)主要從以下原則出發(fā)3031：（1） 硬件電路設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)相結(jié)合以優(yōu)化硬件電路。一些由硬件實(shí)現(xiàn)的功能可用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，反過(guò)來(lái)一些由軟件實(shí)現(xiàn)的功能也可用硬件來(lái)完成。用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)硬件的功能時(shí)，其響應(yīng)時(shí)間比用硬件實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)，但是用軟件實(shí)現(xiàn)硬件的功能可以簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)，提高硬件電路的可靠性，還可降低成本。因此在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，在滿足可行性和實(shí)時(shí)性的前提下盡可能地將硬件功能用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。（2） 可靠性及抗干擾設(shè)計(jì)。根據(jù)可

32、靠性設(shè)計(jì)理論，系統(tǒng)所用芯片數(shù)量越少，系統(tǒng)的平均無(wú)故障時(shí)間就越長(zhǎng)，地址總線、數(shù)據(jù)總線在電路板上受干擾的可能性就越少。因此微控制器基本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是在滿足功能的情況下盡量使用較少數(shù)量的芯片。（3） 靈活的功能擴(kuò)展。一次設(shè)計(jì)往往不能完全考慮到系統(tǒng)的各個(gè)方面，系統(tǒng)需要不斷完善，需要進(jìn)行功能升級(jí)。功能擴(kuò)展時(shí)系統(tǒng)應(yīng)該在原有設(shè)計(jì)不需要很大改變的情況下，修改軟件和少量硬件甚至不修改硬件就能完成。功能擴(kuò)展是否靈活是衡量一個(gè)系統(tǒng)優(yōu)劣的重要指標(biāo)。5.2食用油檢測(cè)裝置的硬件設(shè)計(jì)框圖根據(jù)設(shè)計(jì)要求及硬件電路設(shè)計(jì)原則，食用油檢測(cè)裝置以微控制器pic16f877為中央處理單元，由電容傳感器、微控制器工作電路、電源電路、ad

33、7746與微控制器接口電路、人機(jī)接口電路等部分組成。食用油檢測(cè)裝置的硬件框圖如圖5.1所示。食用油樣品電容檢測(cè)芯片（ad7746）微控制器（pic16f877）lcd顯示（lcd1602c）電 源平行板電容器功能鍵(三個(gè)獨(dú)立按鍵)復(fù)位鍵圖5.1 食用油檢測(cè)裝置的硬件框圖本設(shè)計(jì)選用ad7746電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器（cdc）芯片作為傳感器信號(hào)調(diào)理電路，它在一個(gè)芯片上集成電容到數(shù)字轉(zhuǎn)換需要的所有電路，幾乎不需要外部元件便可實(shí)現(xiàn)分辨率達(dá)到af量級(jí)的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換，大大降低了設(shè)計(jì)難度和成本。主控制器選擇帶有i2c串行接口的pic16f877微控制器，對(duì)ad7746內(nèi)部寄存器進(jìn)行設(shè)置和電容值的讀取。顯示模塊采用l

34、cd1602c液晶顯示，并采用獨(dú)立按鍵作為整個(gè)系統(tǒng)的輸入模塊。5.3電容式傳感器的設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)中使用了平行板電容式傳感器，并用電容檢測(cè)芯片ad7746對(duì)電容量進(jìn)行測(cè)量，從而通過(guò)計(jì)算可以得到食用油的介電常數(shù)。如圖5.2所示，兩平行極板選用面積為5cm×4cm的金屬板，極板間距為2cm，即s=5cm×4cm=20c=0.002，d=2cm=0.02m，0=8.8542×10-12f/m。新鮮的各種食用油的相對(duì)介電常數(shù)大約在2.9-3.0之間，取r=3.0。將以上數(shù)據(jù)代入式(2.1)中，得到電容值c=2.656pf。而ad7746測(cè)量可變電容的范圍為±4 pf

35、，因此，選用平行板電容器作為食用油檢測(cè)裝置的電容式傳感器是合理的。s=5cm×4cmd=2cm極板a極板b+ + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _圖5.2 食用油檢測(cè)裝置的平行板電容器在本設(shè)計(jì)中，ad7746按單相模式工作，即ad7746的電容器輸入“cin”和激勵(lì)“exc”分別接待測(cè)電容器的兩極板，設(shè)置測(cè)量通道寄存器為單端測(cè)量；設(shè)置測(cè)量模式寄存器為連續(xù)模式；設(shè)置片內(nèi)補(bǔ)償寄存器為4pf，使測(cè)量電容范圍為08pf。另外，如圖5.3所示，ad7746測(cè)得電容值包含了待測(cè)極板電容和附加電容，即 c極板=c測(cè)量-c附加 (5.1)式中：c極板平行板電容器兩極

36、板間的電容值，pf； c測(cè)量微控制器實(shí)際測(cè)量到的電容值，pf； c附加平行板電容器放在空氣中的電容值，pf。其中，附加電容可以通過(guò)在極板連接處斷開待測(cè)電容進(jìn)行測(cè)量所得，也可采用比較電容法進(jìn)行更精確的測(cè)量。雖然ad7746具有可編程補(bǔ)償能力，但為了保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行和高精度測(cè)量，還要解決好外圍電路的抗干擾和屏蔽等問(wèn)題。圖5.3 ad7746與平行板電容器的接口示意圖5.4微控制器的工作電路食用油檢測(cè)裝置的mcu工作電路主要由時(shí)鐘電路、復(fù)位電路兩部分組成，如圖5.4所示。發(fā)光二極管d0用于指示食用油檢測(cè)裝置是否已經(jīng)正常通電。圖5.4 微控制器的工作電路圖5.4.1時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路也叫振蕩電路。微控制

37、器本身是一個(gè)復(fù)雜的同步時(shí)序電路，為了保證同步工作方式的實(shí)現(xiàn)，必須有唯一一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，作為時(shí)基發(fā)生器的時(shí)鐘振蕩電路，為整個(gè)微控制器芯片內(nèi)部各部分電路的工作提供系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)，也為微控制器與其它外接芯片之間的通信以及與其它數(shù)字系統(tǒng)之間的通信，提供可靠的同步時(shí)鐘信號(hào)。所以可以說(shuō)，時(shí)鐘電路是維持微控制器正常運(yùn)轉(zhuǎn)的一種片內(nèi)必不可少的關(guān)鍵功能部件。pic微控制器的時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)了4種工作模式：標(biāo)準(zhǔn)xt、高速hs、低頻lp和阻容rc。在pic微控制器內(nèi)有一個(gè)高增益方向放大器，其輸入端為芯片引腳osc1，輸出端為引腳osc2，在芯片外部通過(guò)這兩個(gè)引腳跨接4mhz的石英晶振和微調(diào)電容，形成反饋電路，構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自

38、激振蕩器。微控制器的工作頻率取決于晶振的固有頻率，晶振的頻率越高，則系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率也越高，微控制器運(yùn)行速度也就越快。為了獲取相對(duì)比較穩(wěn)定的振蕩時(shí)序信號(hào)，本設(shè)計(jì)的時(shí)鐘電路采用xt方式，選用4mhz晶體振蕩器，兩個(gè)電容選為15pf，電容稍有變化，對(duì)微控制器的工作頻率影響不大。將晶體振蕩器和兩個(gè)電容連到osc1和osc2引腳上，結(jié)合pic16f877微控制器內(nèi)部的振蕩電路構(gòu)成完整振蕩電路。5.4.2復(fù)位電路復(fù)位電路是微控制器的一個(gè)重要電路，復(fù)位電路的功能就是使微控制器重新從頭開始執(zhí)行程序，其目標(biāo)是確保微控制器運(yùn)行過(guò)程有一個(gè)良好的開端。在pic16f877微控制器中，復(fù)位方式有：上電復(fù)位、人工復(fù)位、看

39、門狗復(fù)位和電源欠壓復(fù)位。依據(jù) pic16f877微控制器低電平復(fù)位和復(fù)位時(shí)間為5ms的要求，本系統(tǒng)采用上電復(fù)位和人工復(fù)位相結(jié)合的方式。上電復(fù)位是在微控制器加電，vdd上升到1.6-1.8v時(shí)，上電復(fù)位電路提供一個(gè)復(fù)位脈沖直接復(fù)位。設(shè)計(jì)上電延時(shí)復(fù)位電路時(shí)應(yīng)考慮的是電源電壓vdd的上升時(shí)間，與供電電源及電源所負(fù)擔(dān)的整個(gè)微控制器應(yīng)用系統(tǒng)內(nèi)各部分電路以及其它因素有關(guān)。按鍵復(fù)位是通過(guò)按鍵產(chǎn)生的負(fù)脈沖進(jìn)行復(fù)位。在pic16f877微控制器中，引腳是復(fù)位信號(hào)的輸入端，復(fù)位信號(hào)是低電平有效。在復(fù)位前，引腳應(yīng)處于高電平，這樣只要按鍵按下就可以實(shí)現(xiàn)微控制器的復(fù)位。5.5食用油檢測(cè)裝置的電源模塊設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)要想工作

40、最起碼要有供電電源，食用油檢測(cè)裝置中的pic16f877微控制器、ad7746、lcd1602c均采用5v直流供電，因此需要設(shè)計(jì)5v直流電源。在本論文中設(shè)計(jì)的電源是由變壓器、整流橋、三端穩(wěn)壓塊lm7805、兩個(gè)濾波電容及l(fā)ed顯示器組成的。c3、c4分別為輸入端和輸出端濾波電容。整流橋是由4個(gè)二極管in4001組成，電阻r3和發(fā)光二極管d1組成電源指示燈，當(dāng)接通電源，指示燈會(huì)被點(diǎn)亮，斷開或市電供電停止時(shí)，指示燈就會(huì)熄滅。變壓器用的輸入電壓為ac220v，頻率為50hz，輸出電壓為ac8v。電源模塊的輸出電壓為dc5v，輸出電流最大可達(dá)1a。食用油檢測(cè)裝置的電源模塊原理圖如圖5.5所示。圖5.5

41、 食用油檢測(cè)裝置的電源模塊原理圖5.6ad7746與微控制器接口電路設(shè)計(jì)ad7746有兩個(gè)外接電容通道，即第一通道和第二通道。ad7746直接將所測(cè)電容值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過(guò)i2c總線與pic16f877微控制器通信。i2c總線只要求兩條總線線路，一條串行數(shù)據(jù)線（sda）和一條串行時(shí)鐘線（scl）。sda 和scl 都是雙向線路，在本設(shè)計(jì)中通過(guò)一個(gè)10k的上拉電阻連接到正的電源電壓。只需將pic16f877微控制器rc端口的任意兩位與scl或sda相連，然后進(jìn)行相應(yīng)的串口模擬編程即可。引腳的狀態(tài)變化標(biāo)志著電容轉(zhuǎn)換完成的情況，屬于狀態(tài)位，腳置低時(shí)，代表電容轉(zhuǎn)換完成，數(shù)據(jù)可用。ad7746和pic1

42、6f877微控制器都采用5v電源供電，但對(duì)ad7746來(lái)說(shuō)，需要使用外接低阻抗電容的辦法來(lái)減少電源對(duì)地的耦合作用。在本設(shè)計(jì)中，采用并聯(lián)c1和c2(c1=0.1uf，c2=10uf)的方法來(lái)解決此問(wèn)題。ad7746與微控制器的接口電路如圖5.6所示，cx為外接的平行板電容傳感器。圖5.6 ad7746與微控制器接口電路圖5.7食用油檢測(cè)裝置的人機(jī)接口電路設(shè)計(jì)食用油檢測(cè)裝置的人機(jī)接口主要由lcd顯示和鍵盤輸入兩部分組成，如圖5.7所示。圖5.7 食用油檢測(cè)裝置的人機(jī)接口電路圖5.7.1lcd顯示由于液晶顯示器具有功耗低、體積小、質(zhì)量輕、超薄等諸多其它顯示器無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于各種智能型儀器和低

43、功耗電子產(chǎn)品中。本系統(tǒng)采用的液晶顯示器是lcd1602c，采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口。其引腳功能描述見表5.1。表5.1 lcd1602c的引腳功能描述引腳號(hào)引腳名功 能1vss地電源2vdd接5v正電源3vl為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地電源時(shí)對(duì)比度最高，對(duì)比度過(guò)高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過(guò)一個(gè)10k的電位器調(diào)整對(duì)比度4rs寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)選擇指令寄存器5r/w讀寫信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。當(dāng)rs和rw共同為低電平時(shí)可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng)rs為低電平rw為高電平時(shí)可以讀忙信號(hào)，當(dāng)rs為高電平rw為低電平時(shí)可以寫入數(shù)

44、據(jù)6e使能端，當(dāng)e端由低電平跳變成高電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令714d0d78位雙向數(shù)據(jù)線15bla背光源正極16blk背光源負(fù)極lcd1602c液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器（cgrom)已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號(hào)、和日文假名等。每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼，比如大寫的英文字母“a”的代碼是01000001b（41h），顯示時(shí)模塊把地址41h中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來(lái)，我們就能看到字母“a”。lcd1602c能顯示2行16列西方字符。5.7.2鍵盤輸入鍵盤是由若干按鈕組成的開關(guān)矩陣，它是微控制器系統(tǒng)中最常用的輸入設(shè)備，用戶能通過(guò)鍵盤向

45、計(jì)算機(jī)輸入指令、地址和數(shù)據(jù)。一般微控制器系統(tǒng)中采用非編碼鍵盤，非編碼鍵盤是由軟件來(lái)識(shí)別鍵盤上的閉合鍵，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用靈活等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于微控制器系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)的功能要求比較單一，沒有必要象通用微型計(jì)算機(jī)一樣設(shè)計(jì)功能全面的鍵盤。因此本設(shè)計(jì)的鍵盤只有三個(gè)功能鍵。當(dāng)按下鍵sw1時(shí)，在液晶顯示器上將顯示平行板電容器的電容值；當(dāng)按下鍵sw2時(shí)，顯示食用油的介電常數(shù)；當(dāng)按下鍵sw3時(shí)，將顯示食用油質(zhì)量的檢測(cè)結(jié)果。6食用油檢測(cè)裝置的軟件設(shè)計(jì)對(duì)于一個(gè)完善的檢測(cè)系統(tǒng)，軟件和硬件是密不可分的。一套好的軟件不僅可以彌補(bǔ)硬件的某些缺陷，使系統(tǒng)更為靈活，而且可以充分發(fā)揮現(xiàn)有硬件的功能，在不增加硬件開銷的基礎(chǔ)

46、上大大增強(qiáng)系統(tǒng)的功能。6.1食用油檢測(cè)裝置的軟件設(shè)計(jì)框圖食用油檢測(cè)裝置軟件設(shè)計(jì)的主導(dǎo)思想是利用軟件代替和簡(jiǎn)化硬件，利用基本的硬件電路和軟件技術(shù)達(dá)到系統(tǒng)多功能集成、容易修改的要求。在成功地搭建了一個(gè)相對(duì)比較簡(jiǎn)單的硬件電路后，食用油檢測(cè)裝置功能的主要實(shí)現(xiàn)是依靠軟件設(shè)計(jì)來(lái)完成的。根據(jù)食用油檢測(cè)裝置的工作原理及硬件電路，又考慮系統(tǒng)工作的安全性，軟件采用模塊化設(shè)計(jì)。將系統(tǒng)分成若干個(gè)模塊，分別實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能，這樣在系統(tǒng)軟件的調(diào)試過(guò)程中，各個(gè)模塊的獨(dú)立調(diào)試有助于問(wèn)題的發(fā)現(xiàn)和解決，在一定程度上節(jié)約了程序的調(diào)試時(shí)間。食用油檢測(cè)裝置的軟件設(shè)計(jì)框圖如圖6.1所示。圖6.1 食用油檢測(cè)裝置的軟件設(shè)計(jì)框圖6.2食用油檢測(cè)

47、裝置的軟件設(shè)計(jì)工具6.2.1集成開發(fā)環(huán)境mplab-idemicrochip公司為其pic系列微控制器專門配備了功能強(qiáng)大的mplab集成開發(fā)環(huán)境(integrated development environment，ide)軟件包，可以通過(guò)網(wǎng)站下載和光盤發(fā)行方式兩種方式為用戶免費(fèi)提供。本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是用pic系列微控制器的c語(yǔ)言在mplab集成開發(fā)環(huán)境下運(yùn)行調(diào)試完成的。本設(shè)計(jì)采用的軟件版本是mplab ide 5.70.40。mplab-ide是一套以項(xiàng)目為導(dǎo)向的，或者說(shuō)是面向項(xiàng)目的綜合模擬調(diào)試環(huán)境軟件。它把文本編輯器、匯編器、連接器、項(xiàng)目管理器和調(diào)試器等一些在編程和調(diào)試過(guò)程中必不可少的軟件

48、工具，全部集成到了一個(gè)模擬開發(fā)環(huán)境之下，從而形成了一套不僅功能豐富而且使用方便的軟件包。借助于mplab-ide，微控制器應(yīng)用項(xiàng)目開發(fā)者可以在一臺(tái)微機(jī)上，對(duì)pic系列微控制器進(jìn)行源程序的創(chuàng)建、編輯和匯編，甚至還能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)程序的模擬運(yùn)行和動(dòng)態(tài)調(diào)試等虛擬實(shí)戰(zhàn)演練，并且調(diào)試方式還可以采用連續(xù)運(yùn)行、單步運(yùn)行、自動(dòng)單步運(yùn)行、設(shè)置斷點(diǎn)運(yùn)行等多種運(yùn)行方式。6.2.2mplab-icd套件為了更好的實(shí)現(xiàn)程序的編譯和調(diào)試，本課題中采用了microchip公司針對(duì)其pic系列pic16f87x子系列微控制器而研制的一套經(jīng)濟(jì)實(shí)用的開發(fā)工具套件mplab-icd。pc機(jī)的串口通過(guò)rs232電纜與icd模塊相連，icd

49、模塊的下游通過(guò)6芯電纜連接到icd的目標(biāo)板上。依照要求對(duì)mplab-icd系統(tǒng)進(jìn)行正確的硬件安裝、軟件安裝。這樣一個(gè)完整的仿真系統(tǒng)就可以工作了，接著進(jìn)行以后的相關(guān)步驟，對(duì)目標(biāo)程序進(jìn)行在線仿真與調(diào)試過(guò)程。借助于 mplab-icd工具套件，本課題可以實(shí)現(xiàn)的具體操作如下：（1） 軟件調(diào)試：在自己設(shè)計(jì)的pic16f877的應(yīng)用電路中實(shí)時(shí)運(yùn)行和調(diào)試源程序；（2） 硬件調(diào)試：用自己編制的程序來(lái)調(diào)試和檢驗(yàn)自制目標(biāo)板上的電路；（3） 程序固化：利用在線串行編制技術(shù)將設(shè)計(jì)的目標(biāo)程序燒寫到插在目標(biāo)板上的pic16f877微控制器中。6.2.3嵌入式c語(yǔ)言及picc編譯器嵌入式系統(tǒng)編程語(yǔ)言常用的有二種，一種是匯編

50、語(yǔ)言，另一種是c語(yǔ)言32。傳統(tǒng)的編程方式是匯編語(yǔ)言，它的好處是對(duì)硬件的直接操作，所以執(zhí)行速度非?？欤峭瑫r(shí)它也存在缺點(diǎn)，如可移植性差，可讀性差。c語(yǔ)言的可讀性和可移植性卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)匯編語(yǔ)言，使產(chǎn)品的升級(jí)更迅速，易于在不同的開發(fā)者之間進(jìn)行交流，促進(jìn)了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的產(chǎn)業(yè)化。而且c語(yǔ)言還可以嵌入?yún)R編來(lái)解決高實(shí)時(shí)性的代碼編寫問(wèn)題。采用c語(yǔ)言編程可縮短開發(fā)周期，大幅度提高嵌入式系統(tǒng)工程的工作效率，充分發(fā)揮出嵌入式處理器日益提高的性能，縮短產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)的時(shí)間。microchip公司自己沒有針對(duì)中低檔pic系列微控制器的c語(yǔ)言編譯器，但很多專業(yè)的第三方公司卻提供眾多支持pic系列微控制器的c語(yǔ)言編譯器，常

51、見的有hi-tech，ccs，iar等公司。其中hi-tech公司的picc編譯器穩(wěn)定可靠，編譯生成的代碼效率高，支持的pic系列微控制器最全，在用pic系列微控制器進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)的工程師群體中得到廣泛認(rèn)可。因此本設(shè)計(jì)選用hi-tech的picc編譯器。6.3食用油檢測(cè)裝置的程序設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)中完成了全部的軟件設(shè)計(jì)工作，包括源程序的編輯、修改、調(diào)試。但是，由于系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的源程序較多，為了節(jié)省篇幅，本文列出了整個(gè)軟件設(shè)計(jì)的總程序流程圖和部分源程序，見附錄c和附錄d。6.3.1主程序流程圖在食用油檢測(cè)裝置主程序模塊中，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的初始化。通過(guò)初始化為系統(tǒng)的正常運(yùn)行建立運(yùn)行環(huán)境，包括硬件環(huán)境和軟

52、件環(huán)境。系統(tǒng)初始化主要由兩個(gè)部分組成：控制端口的初始化，a/d轉(zhuǎn)換的初始化。（1） 控制端口的初始化：pic16f877的數(shù)字或模擬輸入輸出模塊大多數(shù)是實(shí)現(xiàn)基本功能和一般i/o口復(fù)用。初始化的主要目的是劃分基本的功能口和i/o口，基本功能口包括d/a轉(zhuǎn)換必須的串行口，其余的作為一般的i/o口用，一般的i/o口包括開關(guān)量的輸入和輸出口。（2） a/d轉(zhuǎn)換的初始化：通過(guò)賦值07h給a/d控制寄存器adcon1，設(shè)置ra和re工作于普通數(shù)字i/o方式。主程序流程圖如圖6.2所示。系統(tǒng)開機(jī)進(jìn)入程序，首先對(duì)液晶顯示器lcd1602c進(jìn)行初始化和清顯示處理，表明系統(tǒng)正常，系統(tǒng)進(jìn)入等待按鍵按下狀態(tài)，只要有鍵

53、按下便轉(zhuǎn)入相應(yīng)的處理程序。圖6.2 食用油檢測(cè)裝置的主程序流程圖6.3.2電容檢測(cè)模塊流程圖圖6.3給出了電容檢測(cè)子程序的流程圖。ad7746每次電容的數(shù)字轉(zhuǎn)換完成，腳置低，微控制器進(jìn)入外部中斷子程序，進(jìn)行轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)讀取。微控制器獲得數(shù)據(jù)后即可對(duì)其進(jìn)行運(yùn)算并應(yīng)用，例如進(jìn)行顯示等。需要注意的是，ad7746具有24bit分辨率，即每次轉(zhuǎn)換得到三字節(jié)數(shù)字量。在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式下，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取時(shí)，必須使用一個(gè)一次讀取三字節(jié)數(shù)據(jù)的i2c讀命令，而不可以使用三次獨(dú)立的單字節(jié)數(shù)據(jù)讀取命令，否則會(huì)造成讀取數(shù)據(jù)混亂，出現(xiàn)錯(cuò)誤。電容檢測(cè)模塊還包括中斷子程序（流程圖見圖6.4）、寫cdc寄存器子程序（流程圖見圖6.5

54、）、讀cdc寄存器子程序（流程圖見圖6.6）、讀cdc電容子程序（流程圖見圖6.7）。 圖6.3 食用油檢測(cè)裝置的電容檢測(cè)流程圖 圖6.4 電容檢測(cè)子程序的中斷流程圖 圖6.5 ad7746的寫cdc寄存器流程圖 圖6.6 ad7746的讀cdc寄存器流程圖 圖6.7 ad7746的讀cdc電容流程圖 圖6.8 延時(shí)子程序流程圖6.3.3延時(shí)子程序流程圖有時(shí)為了等待轉(zhuǎn)換步驟的完成，整個(gè)系統(tǒng)中需要多次調(diào)用延時(shí)子程序，用來(lái)在程序的執(zhí)行過(guò)程中插入一段延遲時(shí)間。對(duì)此有兩種方案可供選擇，一是利用pic系列微控制器內(nèi)的硬件資源可編程定時(shí)器，二是采用軟件手段，即插入一段延時(shí)程序。本系統(tǒng)中采用多重循環(huán)結(jié)構(gòu)的軟

55、件延時(shí)方法，如圖6.8所示。6.3.4鍵盤掃描子程序流程圖由于鍵盤按鍵采用觸點(diǎn)式按鍵開關(guān)，當(dāng)按鍵被按下或釋放時(shí)，按鍵觸點(diǎn)的彈性會(huì)產(chǎn)生一抖動(dòng)現(xiàn)象。即當(dāng)按鍵按下時(shí)，觸點(diǎn)不會(huì)迅速可靠地接通；當(dāng)按鍵釋放時(shí)，觸點(diǎn)也不會(huì)立即斷開，而是要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的抖動(dòng)才能穩(wěn)定下來(lái)。抖動(dòng)時(shí)間視按鍵材料的不同一般在5ms-l0ms之間。這種抖動(dòng)對(duì)于人來(lái)說(shuō)是感覺不到的，但對(duì)計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，則是完全能感應(yīng)到的，因?yàn)橛?jì)算機(jī)處理的速度是在微秒級(jí)，而機(jī)械抖動(dòng)的時(shí)間至少是毫秒級(jí)，對(duì)計(jì)算機(jī)而言，這已是一個(gè)“漫長(zhǎng)”的時(shí)間了。因此必須對(duì)鍵盤做去抖動(dòng)處理。本設(shè)計(jì)采用軟件延時(shí)法去抖動(dòng)，這樣可以簡(jiǎn)化硬件電路設(shè)計(jì)。當(dāng)判定按鍵按下時(shí)，用軟件延時(shí)10ms，待前沿抖動(dòng)消失后再檢測(cè)鍵的狀態(tài)，如果仍保持閉合狀態(tài)則確認(rèn)為真正有鍵按下。當(dāng)檢測(cè)到按鍵釋放后，也要執(zhí)行一個(gè)延時(shí)程序，以避開按鍵的后延抖動(dòng)，從而使一次按鍵只被響應(yīng)一次，避免連擊現(xiàn)象。鍵盤掃描子程序是對(duì)鍵盤的操作做出識(shí)別并調(diào)用相應(yīng)的功能模塊完成相應(yīng)的任務(wù)。本設(shè)計(jì)的鍵盤工作方式為循環(huán)掃描方式，進(jìn)入鍵掃描狀態(tài)后掃描鍵盤，當(dāng)識(shí)別到鍵盤被按下時(shí)，轉(zhuǎn)消抖動(dòng)處理。否則，退出鍵掃描狀態(tài)。消抖延時(shí)結(jié)束后，再