楊 潔黃海深 李陽(yáng)軍

(1. 遵義師范學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院，貴州 遵義 563002；2. 重慶郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，重慶 400065)

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基于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體的高精度地溝油檢測(cè)計(jì)

楊 潔1,2黃海深1李陽(yáng)軍1

(1. 遵義師范學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院，貴州 遵義 563002；2. 重慶郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，重慶 400065)

利用地溝油與正常食用油的導(dǎo)電率不同導(dǎo)致單位體積電阻不同，提出一種基于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體工藝(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)的線(xiàn)性檢測(cè)模塊。由于使用直接選擇與短接到地的方法實(shí)現(xiàn)電阻串分壓，使得分壓線(xiàn)性度更高。在脈沖計(jì)數(shù)的作用下，電阻分壓通過(guò)與參考電壓相比較可以得到不同的高電平數(shù)，不僅可以區(qū)分地溝油與正常食用油，還可以得出正常油摻入地溝油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。在檢測(cè)計(jì)核心電路設(shè)計(jì)方面，由于采用CMOS工藝設(shè)計(jì)，所以可以實(shí)現(xiàn)低面積和低功耗的檢測(cè)。

地溝油；互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體；電導(dǎo)率；電阻分壓

廣義的地溝油，泛指各種廢棄的劣質(zhì)食用油；狹義的地溝油，指日常生活中的餐廳、酒樓等場(chǎng)所從地溝隔油池中撈取的呈黑褐色液膏狀，有惡臭氣味的油膩漂浮物[1-3]。地溝油摻雜或冒充食用油現(xiàn)象在中國(guó)屢見(jiàn)不鮮，暴利是一個(gè)主要原因，但是缺乏有效的檢測(cè)技術(shù)也是重要原因之一。目前常用的幾種地溝油檢測(cè)方法包括[4-5]：常規(guī)油脂理化指標(biāo)法、膽固醇含量判定法、薄層色譜檢測(cè)極性物法、電導(dǎo)率法、測(cè)真菌毒素法、表面活性劑殘留法等。除此之外，還有低場(chǎng)核磁共振技術(shù)[6]、電子鼻[7]、光譜技術(shù)[8]等技術(shù)，其中核磁共振法是一種基于原子核的波譜技術(shù)，常用于鑒定有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)。核磁共振法通過(guò)檢測(cè)各類(lèi)油的H-NMR (Hydrogen Magnetic Resonance Spectroscopy，氫譜核磁共振)，得到油中雙鍵H的相對(duì)含量，從而作為作鑒別植物油和地溝油的指標(biāo); 電子鼻技術(shù)采用氣敏傳感器和模式識(shí)別相結(jié)合的方法進(jìn)行地溝油檢測(cè)，具有無(wú)損、速度快、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)[6]，其原理是進(jìn)入電子鼻的氣體通過(guò)傳感器產(chǎn)生電信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大器和模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換，最終進(jìn)入信號(hào)處理模塊與模式識(shí)別系統(tǒng)，完成對(duì)氣體的檢測(cè)和判定。但電子鼻方法發(fā)展尚不成熟，尤其是傳感器靈敏度和判別分析方法的特異性尚需進(jìn)一步完善[7]。光譜技術(shù)利用檢測(cè)油的光譜來(lái)鑒別地溝油與正常油，具有靈敏度高、速度快等特點(diǎn)[8]，主要有紅外光譜法、近紅外光譜法、原子吸收光譜法、紫外線(xiàn)吸收光譜法、熒光吸收光譜法等，但同時(shí)也存在許多缺點(diǎn)，例如，紅外光譜法存在特征峰選取困難，不易區(qū)分各類(lèi)植物油的光譜圖；近紅外光譜法在進(jìn)行化學(xué)計(jì)量學(xué)分析時(shí)，變量的選取較難等。雖然這3種方法從原理上是可行的，但各有優(yōu)缺點(diǎn)，而且三者涉及的儀器設(shè)備價(jià)格都比較昂貴，操作要求高，其研究發(fā)展尚需進(jìn)一步提高。

油脂屬于非導(dǎo)電物質(zhì)，電導(dǎo)率極低，且鈉鹽難溶于油脂，在正常食用油中含量很少[9]。地溝油中殘?jiān)⒘＃幸欢}，還有酸敗產(chǎn)生化合物也會(huì)提高導(dǎo)電率[9-11]。經(jīng)研究[12-13]發(fā)現(xiàn)，地溝通電導(dǎo)率是普通食用油的5～7倍，食用油受污染程度越大，電導(dǎo)率就越大。電導(dǎo)率法[12-14]快速可靠，而且可重復(fù)性和顯著性都較好，是一種比較可靠的地溝油檢測(cè)方法。劉志金等[15]提出一種0.5 h鑒別地溝油的檢測(cè)方法，但精度不夠高。黃偉等[16]從折光指數(shù)和電導(dǎo)率兩個(gè)指標(biāo)對(duì)地溝油進(jìn)行檢測(cè)，但方法較為復(fù)雜。目前，市場(chǎng)上檢測(cè)地溝油的儀器很多，比如DDS-307電導(dǎo)率儀、CD169測(cè)油管、CSY-SD檢測(cè)儀、TCO-L6檢測(cè)儀等，其中DDS-307與CSY-SD都是利用導(dǎo)電率進(jìn)行檢測(cè)，前者通過(guò)檢測(cè)油與正常油的水相平均電導(dǎo)率進(jìn)行比較，檢測(cè)地溝油；后者利用極性物質(zhì)與非極性物質(zhì)的導(dǎo)電能力不同，通過(guò)測(cè)量?jī)蓸O的電價(jià)差，精確判斷極性物質(zhì)與非極性物質(zhì)的百分比，準(zhǔn)確計(jì)算極性物質(zhì)的含量，再與正常的油對(duì)比。但是由于價(jià)格、檢測(cè)時(shí)間、操作復(fù)雜度等許多因素導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用并不廣泛。

因此，研究一種高精度、快速的地溝油檢測(cè)方法具有重要的意義。CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)[17]是在PMOS(Positive Metal Oxide Semiconductor，P型溝道金屬氧化物半導(dǎo)體)和NMOS( Negative Metal Oxide Semiconductor，N型溝道金屬氧化物半導(dǎo)體)工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的工藝技術(shù)。CMOS集成電路具有功耗低、速度快、抗干擾能力強(qiáng)、集成度高等優(yōu)點(diǎn)[18-19]，已成為當(dāng)前大規(guī)模集成電路的主流工藝技術(shù)，絕大部分集成電路都是基于CMOS工藝制造的。本試驗(yàn)充分利用CMOS工藝靈活度高、功耗低、特征尺寸小、工作電壓范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合地溝油與食用油電導(dǎo)率不同的特點(diǎn)，提出一種直接選擇與短接到地相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)電阻串線(xiàn)性分壓，以單片機(jī)(MCU)為控制系統(tǒng)，提出了一種低成本、高精度檢測(cè)計(jì)，能夠快速檢測(cè)出食用油中地溝油的摻入百分比。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

如圖1所示，為以單片機(jī)(MCU)為控制核心的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，包括本文提出的盛油模塊(Oiler)、CMOS測(cè)量計(jì)芯片模塊(Detector)、單片機(jī)以及顯示屏，其中測(cè)量計(jì)模塊由帶隙基準(zhǔn)、比較模塊、時(shí)鐘模塊和振蕩器四部分組成。振蕩器用于產(chǎn)生初始時(shí)鐘，時(shí)鐘模塊產(chǎn)生不同相位的時(shí)鐘，帶隙基準(zhǔn)為比較模塊產(chǎn)生穩(wěn)定的參考電壓，比較模塊內(nèi)部有一個(gè)比較器，在雙相不交疊時(shí)鐘的控制下將檢測(cè)電壓VOUT經(jīng)盛油模塊內(nèi)部的電阻分壓后由高到低逐次比較，具有offset抵消功能；當(dāng)比較結(jié)果一旦出現(xiàn)低電平，則將當(dāng)前時(shí)鐘模塊的計(jì)數(shù)狀態(tài)鎖存，通過(guò)單片機(jī)處理后顯示在顯示屏上，數(shù)值越大則地溝油質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，反之越小。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

時(shí)鐘模塊產(chǎn)生10個(gè)不同相位的時(shí)鐘信號(hào)clk1～clk10(0001～1010)，從低位到高位逐次進(jìn)行比較，比較結(jié)果為高電平則繼續(xù)比較，反之則將VCOMP置高，鎖存當(dāng)前的計(jì)數(shù)狀態(tài)，當(dāng)前的狀態(tài)即為最終的結(jié)果。10位脈沖產(chǎn)生器的輸入為計(jì)數(shù)器的4個(gè)輸出信號(hào)，通過(guò)邏輯設(shè)計(jì)產(chǎn)生10個(gè)脈沖。此外，由時(shí)鐘模塊產(chǎn)生兩個(gè)兩相不交疊時(shí)鐘F1和F2以及上升沿觸發(fā)的信號(hào)作為采樣時(shí)鐘Fdd；當(dāng)F1為高電平時(shí)將比較模塊中的比較器被接為單位增益放大器，F(xiàn)2為高電平時(shí)比較器開(kāi)始比較。當(dāng)Termb為低時(shí)，將F1置高和F2置低，此時(shí)計(jì)數(shù)器停止工作，并鎖存當(dāng)前計(jì)數(shù)狀態(tài)。

比較模塊中的比較器在雙相不交疊時(shí)鐘的控制下將盛油模塊的電阻分壓Vfb由高到低進(jìn)行逐次進(jìn)行比較，具有offset抵消功能。整個(gè)電路在EN控制下工作，并在最多10個(gè)時(shí)鐘周期后進(jìn)入鎖存狀態(tài)。Termb信號(hào)剛開(kāi)始時(shí)為高電平，當(dāng)比較結(jié)果VCOMP出現(xiàn)低電平時(shí)，則Termb變?yōu)榈碗娖剑蝗绻懊?個(gè)周期都比較出高電平，當(dāng)clk10來(lái)臨時(shí)，將置低Termb信號(hào)，從而將F0置為高電平，從而進(jìn)入鎖存狀態(tài)。鎖存部分開(kāi)始工作后，當(dāng)輸入時(shí)鐘為高時(shí)，則保持輸出為低，當(dāng)輸入時(shí)鐘跳變到低電平時(shí)(第一個(gè)觸發(fā)起采樣到低電平)，則將輸出置高，此時(shí)進(jìn)入鎖存狀態(tài)。

1.2 檢測(cè)模塊原理

如表1所示，菜籽油中摻入地溝油的電導(dǎo)率測(cè)定結(jié)果，可以看出菜籽油的電導(dǎo)率隨摻入地溝油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正比關(guān)系。

由電導(dǎo)率公式可知：

(1)

式中：

R——電阻，Ω；

ρ——電導(dǎo)率，Ω·m；

表1 菜籽油中地溝油質(zhì)量分?jǐn)?shù)與電導(dǎo)率測(cè)定結(jié)果

L——長(zhǎng)度，m；

S——橫截面積，m2。

本文盛油箱的長(zhǎng)度L取0.1 m，橫切面積S取0.1 cm2，對(duì)應(yīng)電阻用Roil表示，如表2所示，列出了菜籽油中摻入不同百分比地溝油時(shí)對(duì)應(yīng)的Roil。

由表2可知，單位體積的電阻與地溝油質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈線(xiàn)性反比，本文正是利用此特點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)檢測(cè)模塊。圖2為本文提出的檢測(cè)計(jì)中的檢測(cè)模塊，其中R代表盛油箱對(duì)應(yīng)的電阻，故由圖2可知：

(2)

其中，Rb取22 kΩ，Vref取1 V。結(jié)合表2和圖2可得出菜籽油中地溝油質(zhì)量分?jǐn)?shù)與對(duì)應(yīng)Vo統(tǒng)計(jì)表以及Vo變化曲線(xiàn)，見(jiàn)表3。

圖2(a)和(b)分別為盛油模塊和檢測(cè)計(jì)中的比較模塊結(jié)構(gòu)圖，其中圖2(a)的VIN與圖2(b)的Vo相連，圖2(a)的Vfb

表2 菜籽油中地溝油質(zhì)量分?jǐn)?shù)與電阻統(tǒng)計(jì)表

表3 菜籽油中地溝油質(zhì)量分?jǐn)?shù)與Vo統(tǒng)計(jì)表

與2(b)的Vfb相連，圖2(b)中的Vref接帶隙基準(zhǔn)產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓。圖2(a)中的R1～R10以及RL和RS是用來(lái)盛放待檢測(cè)油的容器的不同等分，每個(gè)等分之間用絕緣片隔開(kāi)，由上面的分析可知，不同等分容器具有不同的電阻。其中RF和RS為等效主電阻和限流電阻，其中RS的大小取決于功耗。clk1～clk10為圖1中產(chǎn)生的10個(gè)控制信號(hào)，依次改變電阻分壓的電壓值Vfb。將每一個(gè)控制信號(hào)對(duì)應(yīng)Vfb由與參考電壓Vref進(jìn)行比較，直到出現(xiàn)低電平為止，同時(shí)通過(guò)計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)高電平數(shù)目，最終得到4位二進(jìn)制數(shù)。因此，當(dāng)菜籽油中地溝油的摻入比發(fā)生變化時(shí)，電阻勢(shì)必會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致Vo變化，從而使Vfb發(fā)生變化，得到不同的4位二進(jìn)制數(shù)。

圖2 盛油模塊和比較模塊結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)F1為高時(shí)，比較模塊相當(dāng)于單位增益放大器，將運(yùn)放的offset電壓和電阻分壓Vfb采樣到電容C1上，C1容值為2 pF，主要起補(bǔ)償作用；當(dāng)F2為高時(shí)，將Vref電壓接到比較器正相端，將Vfb與Vref進(jìn)行比較；下一周期改變分壓電阻的阻值，由高到低逐次比較。在開(kāi)始的比較周期，由于Vfb高于Vref，輸出經(jīng)過(guò)一個(gè)反相器后變?yōu)楦唠娖剑钡絍fb低于Vref，輸出變?yōu)榈碗娖健?/p>

電阻分壓Vfb與Vo的關(guān)系見(jiàn)式(3)。

(3)

其中K為clk1～clk10控制信號(hào)分別對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)。

圖3為Vo分別為3.9，2.09，1.59 V所對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)K與Vfb關(guān)系圖。由圖3可知，當(dāng)Vo=3.9 V時(shí)，每個(gè)開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)的電阻分壓Vfb都大于參考電壓Vref，當(dāng)Vo=2.09 V時(shí)，前7個(gè)開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)的電阻分壓Vfb大于參考電壓Vref，當(dāng)Vo=1.59 V時(shí)，前3個(gè)開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)的電阻分壓Vfb都大于參考電壓。因此，通過(guò)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)可以分別得到10，7，3個(gè)高電平脈沖，從而得到不同的4位二進(jìn)制數(shù)。

圖3 不同Vo對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)K與Vfb關(guān)系圖

將地溝油質(zhì)量分?jǐn)?shù)分為10個(gè)區(qū)間，分別用二進(jìn)制代碼表示，表4為地溝油摻入百分比對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制代碼值。

圖4為控制系統(tǒng)連接圖，其中核心控制器采用STC89C51，其P10～P14口為CMOS檢測(cè)計(jì)模塊的5位二進(jìn)制信號(hào)輸入口，開(kāi)關(guān)S2控制CMOS庫(kù)侖計(jì)芯片的關(guān)閉與開(kāi)啟。顯示屏為 TFT液晶顯示屏，其驅(qū)動(dòng)電路為S6D0144芯片。

表4 地溝油摻入百分比對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制代碼值

圖4 控制系統(tǒng)連接圖

2 軟件設(shè)計(jì)

圖5為系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)序圖，其時(shí)序以地溝油質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%～60%以及0%～10%為例，結(jié)合圖2可知，第1個(gè)波形為EN信號(hào)，即EN為高電平時(shí)開(kāi)始轉(zhuǎn)換，第2個(gè)波形Termb為終止信號(hào)，當(dāng)EN從低電平跳變到高電平Termb也會(huì)跳變到高電平，Termb為0指示進(jìn)入鎖存狀態(tài)，等待數(shù)據(jù)被讀??；可以看出當(dāng)?shù)販嫌唾|(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)(50%～60%)時(shí)轉(zhuǎn)換出0101，地溝油質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)(0%～10%)轉(zhuǎn)換出1010。第3個(gè)波形為采樣信號(hào)Fd，設(shè)為在其上升沿采樣，一旦采樣到Vcomp為低電平，則將Termb置低。由于當(dāng)F1為高電平時(shí)進(jìn)行比較，因此在F1為高后延遲一段時(shí)間才采樣比較的結(jié)果。第4個(gè)波形為F2信號(hào)為高電平時(shí)將比較器接為單位增益放大器，并輸出比較結(jié)果，F(xiàn)1信號(hào)為高電平時(shí)進(jìn)行比較，并將Vcomp信號(hào)置高。計(jì)數(shù)器電路由5個(gè)D觸發(fā)器級(jí)聯(lián)而成，其中這5個(gè)D觸發(fā)器都是下降沿觸發(fā)。Vd1～Vd4為F1信號(hào)分頻后的信號(hào)，以形成10個(gè)不同相位(0001～1010)，由低位到高位逐次比較。如1.1所述，如果比較結(jié)果為高電平時(shí)則繼續(xù)比較，當(dāng)比較出現(xiàn)低電平時(shí)則將F1置高，鎖存當(dāng)前狀態(tài)，此時(shí)的計(jì)數(shù)結(jié)果即最終的結(jié)果。例如，當(dāng)10次比較都輸出高電平，說(shuō)明此時(shí)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)已經(jīng)小于10%，則鎖存住第10個(gè)狀態(tài)，即此時(shí)為1010。

3 測(cè)試結(jié)果

圖6為CMOS檢測(cè)計(jì)的芯片縮影圖，基于上華0.5 μm工藝，芯片面積為1.4 mm2。

圖5 系統(tǒng)時(shí)序圖

本研究涉及的地溝油來(lái)自于地方食品藥品監(jiān)督局管提供的菜籽油類(lèi)型的地溝油，為了試驗(yàn)需要，采用的是沒(méi)有精煉后的地溝油，標(biāo)志物含量相對(duì)較多，這樣才能導(dǎo)致電導(dǎo)率與正常食用油不一致。用如圖2所示的盛油模塊中的R1～R10以及RL和RS盛油容器來(lái)盛放待檢測(cè)油，每個(gè)盛油容器具有不同等分，且用絕緣片隔開(kāi)，使得電阻不一樣。由1.2的檢測(cè)原理分析可知，clk1～clk10為圖1中產(chǎn)生的10個(gè)控制信號(hào)，依次控制S1～S10產(chǎn)生不同的電阻分壓值Vfb與參考電壓Vref進(jìn)行比較，直到出現(xiàn)低電平為止，同時(shí)利用計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)高電平數(shù)目，最終得到4位二進(jìn)制數(shù)。如圖7所示，(a)、(b)、(c)分別為地溝油質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%，32%，84%時(shí)的Fd波形測(cè)試圖，其Fd出現(xiàn)的高電平數(shù)分別為10，7，2個(gè)。由圖5可知，F(xiàn)d出現(xiàn)的高電平數(shù)就代表采樣的次數(shù)，從而可知產(chǎn)生的高電平數(shù)，所以地溝油質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為15%，32%，84%時(shí)對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制代碼為1001，0111，0010，與表4相符合。

圖6 CMOS檢測(cè)計(jì)芯片縮影圖

圖7 不同摻入比例地溝油的測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

針對(duì)當(dāng)前地溝油檢測(cè)方面存在的不足，本研究設(shè)計(jì)了一種的高精度地溝油檢測(cè)計(jì)，并結(jié)合AT89C51為MCU，以TFT-LCD為終端顯示，通仿真和測(cè)試結(jié)果顯示，此檢測(cè)計(jì)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)快速、精確檢測(cè)菜籽油中地溝油的摻入百分比，而且具有低功耗、低面積的特點(diǎn)，并獲得了多項(xiàng)國(guó)家專(zhuān)利，已經(jīng)準(zhǔn)備開(kāi)始應(yīng)用于市場(chǎng)，具有廣闊的應(yīng)用前景和商業(yè)價(jià)值。

本研究基于單片機(jī)和相關(guān)電路檢測(cè)地溝油，利用電阻分壓在終端得到不通的電平數(shù)來(lái)鑒別地溝油。雖較市面上檢測(cè)儀的精確差，但該方法簡(jiǎn)單，新穎，成本較低，可為今后地溝油以及其他物質(zhì)的檢測(cè)提供參考。

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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

貴州省教育廳自然科學(xué)研究項(xiàng)目[編號(hào)：黔教合KY字(2013)200號(hào)]；省級(jí)重點(diǎn)學(xué)科(編號(hào)：黔學(xué)位辦[2013]18號(hào))；貴州省聯(lián)合基金項(xiàng)目(編號(hào)：黔科合LH字[2015]7025號(hào))

楊潔(1987—)，男，遵義師范學(xué)院講師，重慶郵電大學(xué)在讀博士研究生。E-mail: 530966074@qq.com

2016-06-29