超聲波電路在奶液成分檢測(cè)中的應(yīng)用

摘要：人們對(duì)牛奶的需求不斷增大，從而帶動(dòng)整個(gè)乳品產(chǎn)業(yè)鏈的迅速成長(zhǎng)，因此牛奶成分檢測(cè)的重要性也逐漸顯露出來(lái)。

通過(guò)分析牛奶的化學(xué)成分，給出了非脂固形物、脂肪、蛋白質(zhì)三種營(yíng)養(yǎng)成分含量測(cè)定的數(shù)學(xué)模型及牛奶冰點(diǎn)、密度和摻水率的測(cè)定方法。本文運(yùn)用C8051F020單片機(jī)和超聲波聲速測(cè)定原理對(duì)牛奶中主要營(yíng)養(yǎng)成分實(shí)行自動(dòng)檢測(cè)。

關(guān)鍵詞：牛奶；超聲波；檢測(cè)；C8051F020

作者簡(jiǎn)介：王振，男，1983年10月生于山東德州，2007年畢業(yè)于南通大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)，2010年攻讀青島科技大學(xué)碩士學(xué)位，現(xiàn)為于德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系教師。

[中圖分類號(hào)]：O657.5[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]：A

[文章編號(hào)]：1002-2139(2012)-04-0243-02

一、聲特性和牛奶成分檢測(cè)方法與檢測(cè)系統(tǒng)原理

1.1、超聲傳播特性

材料的基本以用他們的超聲特性（如聲速、聲衰減系數(shù)、聲阻抗）來(lái)表征，它們之間的關(guān)系可以由平面波在材料中傳播的數(shù)學(xué)分析得出

1.2、衰減測(cè)定

聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，能量的衰減決定于聲波的擴(kuò)散、散射和吸收。在理想介質(zhì)中，吸收衰減是由于介質(zhì)黏滯性，使超聲波波介質(zhì)中傳播時(shí)造成質(zhì)點(diǎn)間的內(nèi)摩擦，從而使一部分聲能轉(zhuǎn)換為熱能，通過(guò)熱傳導(dǎo)進(jìn)行熱交換，導(dǎo)致聲能的損耗。

衰減系數(shù)可以表述為A=A0exp(ad)

A0 表示初始振幅；A表示聲波通過(guò)介質(zhì)后檢測(cè)到的振幅；表示聲波通過(guò)的距離。

1.3、超聲輻射的工作原理

當(dāng)聲速與密度聯(lián)合起來(lái)，將會(huì)獲得頻率和其他的許多物理特性（比熱率、熱導(dǎo)點(diǎn)率和比熱）的熱物理數(shù)據(jù)信息。這些參數(shù)包括絕熱縮率、體積系數(shù)、剪切黏性、真假?gòu)椥砸约皸钍希╕oungs）系數(shù)。

二、牛奶主要營(yíng)養(yǎng)成份檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

2.1、超聲波聲速檢測(cè)技術(shù)的基本原理

如圖2.1所示，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)具有一定頻率和振幅的脈沖電子波，在傳至發(fā)送探頭的同時(shí)，也送至?xí)r間計(jì)數(shù)器，記錄開(kāi)始時(shí)間t1。脈沖電子波在發(fā)送探頭被轉(zhuǎn)化成相同頻率的超聲機(jī)械波，通過(guò)樣品壓縮傳遞，被接收探頭接收并再次轉(zhuǎn)化成電子波，然后送至?xí)r間計(jì)數(shù)器記錄停止時(shí)間 t2。則即為超聲波通過(guò)樣品池的時(shí)間。因?yàn)闃悠烦氐挠行?zhǔn)確長(zhǎng)度d已預(yù)先利用已知聲速的物質(zhì)準(zhǔn)確測(cè)知，所以聲速即可求出。在兩相的界面處，因聲波傳遞會(huì)出現(xiàn)通 過(guò)或反射兩種可能性，所以在測(cè)量中往往只使用一個(gè)探頭，既作為發(fā)送，也供接收之用。此時(shí)，測(cè)取的是聲波到達(dá)某一選定界面后再反射折回探頭的時(shí)間，即C=2d／At。

2.2、電路設(shè)計(jì)

該測(cè)試裝置由發(fā)射接收電路、數(shù)據(jù)處理部分、計(jì)數(shù)電路、樣品池和顯示打印等組成。發(fā)射探頭產(chǎn)生符合要求的超聲波信號(hào)，通過(guò)樣品池，由接收探頭接收，單片機(jī)和計(jì)數(shù)電路實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)數(shù)，通過(guò)顯示打印部分完成顯示和打印檢測(cè)結(jié)果，在對(duì)脂肪和蛋白質(zhì)等多種成分的檢測(cè)時(shí)，樣品池需二次加熱。

2.3 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

2.3檢測(cè)電路數(shù)字設(shè)計(jì)部分

為了簡(jiǎn)便操作和系統(tǒng)簡(jiǎn)單，在下面的內(nèi)容里，我們將詳細(xì)介紹基于C8051F020單片機(jī)的檢測(cè)電路。

三、總結(jié)與展望

本論文將超聲波電路和單片機(jī)控制技術(shù)有機(jī)結(jié)合，基本完成了運(yùn)用超聲波對(duì)牛奶成分檢測(cè)的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。采用超聲波技術(shù)，所需要的資金投入比較低，且其測(cè)量參數(shù)比較少，繼而完成了超聲換能器的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，超聲波電路的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)C8051F020作為控制核心，選用HD7279鍵盤(pán)智能控制芯片完成鍵盤(pán)控制，以及采用DS18B20作為數(shù)字溫度傳感器，并且完成了各芯片的驅(qū)動(dòng)。

由于實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和經(jīng)費(fèi)等所限，設(shè)計(jì)上難免有考慮不周之處，還需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改正。在各芯片的選用上可以選擇精度和等級(jí)更高的芯片，這些還需要在今后應(yīng)用時(shí)加以完善。

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