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CN111398374A - 一种新型糖水浓度测量仪 - Google Patents

一种新型糖水浓度测量仪 Download PDF

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CN111398374A
CN111398374A CN202010379165.XA CN202010379165A CN111398374A CN 111398374 A CN111398374 A CN 111398374A CN 202010379165 A CN202010379165 A CN 202010379165A CN 111398374 A CN111398374 A CN 111398374A
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CN
China
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sugar water
capacitance
measuring instrument
formula
water concentration
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CN202010379165.XA
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黄健
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Xijing University
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Xijing University
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Abstract

本发明公开了一种新型糖水浓度测量仪，包括微处理器、电容传感器、传感器探头、电脑、显示单元和供电单元，所述传感器探头与所述电容传感器的检测通道相连，通过所述电容传感器感知置于玻璃容器内糖水的浓度变化而引起铜片上的寄生电容值变化量，经所述电容感测传感器处理后转为28位二进制数，通过IIC接口发送给所述微处理器进行处理，所述微处理器处理后的数据通过串口传输给电脑或者送往显示单元显示，本发明能够快速检测糖水浓度，精度可达0.1％。

Description

一种新型糖水浓度测量仪
技术领域
本发明具体为一种新型糖水浓度测量仪，涉及食品加工、医疗卫生等方面技术领域。
背景技术
糖水浓度检测在食品加工、医疗卫生等方面有广泛应用。近年来也出现了不同的电子测量方法，例如文献1用光学低相干干涉技术，根据葡萄糖溶液的折射率来确定其浓度。文献2利用微波的偏振特性和溶液的旋光性测量葡萄糖溶液的浓度。文献3用超声波测量液体中的悬移物质的浓度，并用蚁群算法进行了反演，测量误差最小达到10％。以上方法基于超声波或光学特性，实现比较复杂，且要对大量数据进行建模分析，可靠性和精度有待进一步验证。
为提高测量精度，，本发明设计了一种新型糖水浓度测量仪，以解决上述提到的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型糖水浓度测量仪，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种新型糖水浓度测量仪，包括微处理器、电容传感器、传感器探头、电脑、显示单元和供电单元，所述传感器探头与所述电容传感器的检测通道相连，通过所述电容传感器感知置于玻璃容器内糖水的浓度变化而引起铜片上的寄生电容值变化量，经所述电容感测传感器处理后转为28位二进制数，通过IIC接口发送给所述微处理器进行处理，所述微处理器处理后的数据通过串口传输给电脑或者送往显示单元显示。
优选的，所述微处理器采用STM32H743IIT6作为主控单元，进行数据的采集和处理。
优选的，所述电容感测传感器型号采用FDC2214，所述电容感测传感器包括四个通道，分别是通道0、通道1和通道3，所述通道0检测当前空气环境，所述通道0检测当前液体环境，所述通道2检测糖水浓度。
优选的，所述电容感测传感器的通道1检测可变电容cx，所述可变电容cx与电容c和电感l构成振荡电路。
优选的，所述传感器探头采用薄铜片，所述传感器探头贴于所述玻璃容器的内壁上。
优选的，所述振荡电路的振荡频率fs为：
Figure BDA0002481311150000021
其中，公式(1)中，l为电感，取值为18uH，c为电容，cx是可变电容，fs为计算后得到的振荡频率，
所述电容感测传感器通过外接的40MHz有源晶振，计算所述电容感测传感器的通道1参考频率为：
Figure BDA0002481311150000022
其中，公式(2)中，fr为参考频率，fclk为电容感测传感器的输入频率，取值为40MHz，ch0_sel是分频系数，选取二分频，分频后的fr的频率为20MHz；
得到fr，通过公式(3)计算转换后的28位二进制数，
Figure BDA0002481311150000031
其中，公式(3)是将变化的频率转换为二进制数的计算公式，fr经公式(2)计算后是20MHz，fs为用公式(1)计算后的震荡频率，DATA0是转换后对应的28位二进制数；
将公式(1)和fr等于20MHz，代入公式(3)，可得到DATA0和cx的关系如公式(4)：
Figure BDA0002481311150000032
其中，在式(4)中，l取值为18uH，cx是可变电容，对公式(4)进行变换，可得到cx的计算公式(5)：
Figure BDA0002481311150000033
优选的，所述电容c通过公式(6)得到：
Figure BDA0002481311150000034
式(6)中，ε0是一个常数，取值为8.854pF/m。A表示一个电极的面积(单位：m2)，d表示板极之间的距离(单位:m)，εr是相对于空气的介电常数，c为计算后的电容值(单位：F)。
优选的，所述供电单元采用3.3V供电，所述显示屏采用4.3寸TFT显示屏。
优选的，还包括所述糖水浓度测量仪的测试方法，所述方法包括以下步骤：
S1：通过所述的微处理器对与所述微处理器相连接的ICC接口、串口和定时器进行初始化；
S2：所述微处理器将定时器初始化为每间隔50ms，通过ICC接口顺序读取所述电容感测传感器通道0、通道1和通道2的测量值，其中，通道0和通道2的值固定不变，通道1的值会随着液体浓度的变化而变化；
S3：所述微处理器通过公式(5)计算出可变电容cx的值，并将测量的结果发送至电脑，在MATLAB下进行分析处理，也可送到液晶屏上显示。
优选的，所述糖水浓度测量仪的测试方法的步骤S2中需要进行多次测量，并通过均值滤波算法去除干扰。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明基于电容感测原理。根据溶液浓度变化会引起电解质发生变化这个特性，将其转换为对应的电容值，搭建了测量糖水浓度的装置，将一个金属薄片插入糖水中，当糖水浓度发生变化时引起金属薄片上的寄生电容变化，对电容值进行准确测量，确定了电容值与糖水浓度之间的对应关系，测试结果表明：该方法能够快速检测糖水浓度，精度可达0.1％。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明通道0检测电路图；
图3为本发明糖水浓度测量原理图；
图4为本发明糖水浓度测量仪测试方法流程图；
图5为本发明糖水浓度和电容感测值之间拟合曲线图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、微处理器；2、电容传感器；3、传感器探头；4、电脑；5、显示单元；6、供电单元。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种新型糖水浓度测量仪，包括微处理器1、电容传感器2、传感器探头3、电脑4、显示单元5和供电单元6，所述传感器探头3与所述电容传感器2的检测通道相连，通过所述电容传感器2感知置于玻璃容器内糖水的浓度变化而引起铜片上的寄生电容值变化量，经所述电容感测传感器处理后转为28位二进制数，通过IIC接口发送给所述微处理器1进行处理，所述微处理器1处理后的数据通过串口传输给电脑4或者送往显示单元5显示。
其中，所述微处理器1采用STM32H743IIT6作为主控单元，进行数据的采集和处理。所述电容感测传感器型号采用FDC2214，所述电容感测传感器包括四个通道，分别是通道0、通道1和通道3，所述通道0检测当前空气环境，所述通道0检测当前液体环境，所述通道2检测糖水浓度。所述电容感测传感器的通道1检测可变电容cx，所述可变电容cx与电容c和电感l构成振荡电路。所述传感器探头3采用薄铜片，所述传感器探头3贴于所述玻璃容器的内壁上。所述供电单元6采用3.3V供电，所述显示屏采用4.3寸TFT显示屏。
其中，所述振荡电路的振荡频率fs为：
Figure BDA0002481311150000061
其中，公式(1)中，l为电感，取值为18uH，c为电容，cx是可变电容，fs为计算后得到的振荡频率，
所述电容感测传感器通过外接的40MHz有源晶振，计算所述电容感测传感器的通道1参考频率为：
Figure BDA0002481311150000062
其中，公式(2)中，fr为参考频率，fclk为电容感测传感器的输入频率，取值为40MHz，ch0_sel是分频系数，选取二分频，分频后的fr的频率为20MHz；
得到fr，通过公式(3)计算转换后的28位二进制数，
Figure BDA0002481311150000063
其中，公式(3)是将变化的频率转换为二进制数的计算公式，fr经公式(2)计算后是20MHz，fs为用公式(1)计算后的震荡频率，DATA0是转换后对应的28位二进制数；
将公式(1)和fr等于20MHz，代入公式(3)，可得到DATA0和cx的关系如公式(4)：
Figure BDA0002481311150000071
其中，在式(4)中，l取值为18uH，cx是可变电容，对公式(4)进行变换，可得到cx的计算公式(5)：
Figure BDA0002481311150000072
其中，所述电容c通过公式(6)得到：
Figure BDA0002481311150000073
式(6)中，ε0是一个常数，取值为8.854pF/m。A表示一个电极的面积(单位：m2)，d表示板极之间的距离(单位:m)，εr是相对于空气的介电常数，c为计算后的电容值(单位：F)。
还包括所述糖水浓度测量仪的测试方法，所述方法包括以下步骤：
S1：通过所述的微处理器1对与所述微处理器1相连接的ICC接口、串口和定时器进行初始化；
S2：所述微处理器1将定时器初始化为每间隔50ms，通过ICC接口顺序读取所述电容感测传感器通道0、通道1和通道2的测量值，其中，通道0和通道2的值固定不变，通道1的值会随着液体浓度的变化而变化，为了保证数据采集的准确性和可靠性，要对通道1进行多次采集，并用软件滤波算法去除干扰，得到准确值；
S3：所述微处理器1通过公式(5)计算出可变电容cx的值，并将测量的结果发送至电脑4，在MATLAB下进行分析处理，也可送到液晶屏上显示。
整个软件设计采用c语言编写，编译环境是MDK5.2。
其中，软件滤波算法为降低误差、提高测量精度，需对电容感测数值进行多次采集并进行滤波。首先对某一个确定的糖水浓度都要重复测量100次，然后对测量数据按从小到大的顺序排序，去掉最大值和最小值各20个，用剩下的60个数据求取平均值作为最终数值，这样就可有效去除干扰，保证测量数据的准确性和可靠性。
具体工作原理如下所述：
基于非接触式电容感测技术，用新型数字式电容传感器2FDC2214检测糖水液位和浓度变化。将单面覆铜板插入糖水中，当液体浓度发生变化时，覆铜板上的寄生电容将会发生变化。FDC2214能够检测电容值的大小，并将其转换为高达28位的二进制数，用IIC接口输出给微处理器1，对数据进行分析处理后可得到糖水浓度。
测试时，每次配置好不同浓度的糖水，倒入玻璃容器中，然后读取电容感测FDC2214的数据。得到如表1所示数据。
表1测量结果
Figure BDA0002481311150000081
Figure BDA0002481311150000091
从表中可以看出，随着糖水浓度的逐渐增大，电容感测值在逐渐减小，呈现出了一定的规律性。
为得到准确的糖水浓度和电容感测值之间的关系，将这些数据在MATLAB下分析得到如图5所示糖水浓度和电容感测值之间拟合曲线图。图中x轴为电容测量值，y轴为对应的糖水浓度，单位是百分比。
对图5中的斜线进行分析，可得到电容测量值和糖水浓度之间的函数关系如公式(7)所示。
y＝-0.03764x+839.8 (7)
在公式(7)中，x为电容测量值，y为对应的糖水浓度。从公式中可以看出，糖水浓度和电容感测值之间有较好的线性关系。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种新型糖水浓度测量仪，其特征在于：包括微处理器、电容传感器、传感器探头、电脑、显示单元和供电单元，所述传感器探头与所述电容传感器的检测通道相连，通过所述电容传感器感知置于玻璃容器内糖水的浓度变化而引起铜片上的寄生电容值变化量，经所述电容感测传感器处理后转为28位二进制数，通过IIC接口发送给所述微处理器进行处理，所述微处理器处理后的数据通过串口传输给电脑或者送往显示单元显示。
2.根据权利要求1所述的一种新型糖水浓度测量仪，其特征在于：所述微处理器采用STM32H743IIT6作为主控单元，进行数据的采集和处理。
3.根据权利要求1所述的一种新型糖水浓度测量仪，其特征在于：所述电容感测传感器型号采用FDC2214，所述电容感测传感器包括四个通道，分别是通道0、通道1和通道3，所述通道0检测当前空气环境，所述通道0检测当前液体环境，所述通道2检测糖水浓度。
4.根据权利要求3所述的一种新型糖水浓度测量仪，其特征在于：所述电容感测传感器的通道1检测可变电容cx，所述可变电容cx与电容c和电感l构成振荡电路。
5.根据权利要求1所述的一种新型糖水浓度测量仪，其特征在于：所述传感器探头采用薄铜片，所述传感器探头贴于所述玻璃容器的内壁上。
6.根据权利要求4所述的一种新型糖水浓度测量仪，其特征在于：所述振荡电路的振荡频率fs为：
Figure FDA0002481311140000011
其中，公式(1)中，l为电感，取值为18uH，c为电容，cx是可变电容，fs为计算后得到的振荡频率，
所述电容感测传感器通过外接的40MHz有源晶振，计算所述电容感测传感器的通道1参考频率为：
Figure FDA0002481311140000021
其中，公式(2)中，fr为参考频率，fclk为电容感测传感器的输入频率，取值为40MHz，ch0_sel是分频系数，选取二分频，分频后的fr的频率为20MHz；
得到fr，通过公式(3)计算转换后的28位二进制数，
Figure FDA0002481311140000022
其中，公式(3)是将变化的频率转换为二进制数的计算公式，fr经公式(2)计算后是20MHz，fs为用公式(1)计算后的震荡频率，DATA0是转换后对应的28位二进制数；
将公式(1)和fr等于20MHz，代入公式(3)，可得到DATA0和cx的关系如公式(4)：
Figure FDA0002481311140000023
其中，在式(4)中，l取值为18uH，cx是可变电容，对公式(4)进行变换，可得到cx的计算公式(5)：
Figure FDA0002481311140000024
7.根据权利要求6所述的一种新型糖水浓度测量仪，其特征在于：所述电容c通过公式(6)得到：
Figure FDA0002481311140000031
式(6)中，ε0是一个常数，取值为8.854pF/m。A表示一个电极的面积(单位：m2)，d表示板极之间的距离(单位:m)，εr是相对于空气的介电常数，c为计算后的电容值(单位：F)。
8.根据权利要求1所述的一种新型糖水浓度测量仪，其特征在于：所述供电单元采用3.3V供电，所述显示屏采用4.3寸TFT显示屏。
9.根据权利要求1-8任一所述的一种新型糖水浓度测量仪，其特征在于：还包括所述糖水浓度测量仪的测试方法，所述方法包括以下步骤：
S1：通过所述的微处理器对与所述微处理器相连接的ICC接口、串口和定时器进行初始化；
S2：所述微处理器将定时器初始化为每间隔50ms，通过ICC接口顺序读取所述电容感测传感器通道0、通道1和通道2的测量值，其中，通道0和通道2的值固定不变，通道1的值会随着液体浓度的变化而变化；
S3：所述微处理器通过公式(5)计算出可变电容cx的值，并将测量的结果发送至电脑，在MATLAB下进行分析处理，也可送到液晶屏上显示。
10.根据权利要求9所述的一种新型糖水浓度测量仪，其特征在于：所述糖水浓度测量仪的测试方法的步骤S2中需要进行多次测量，并通过均值滤波算法去除干扰。
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