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《電子器件雜志》2014年第三期

1檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

一般為了提高測(cè)量精度和靈敏度，會(huì)增加相當(dāng)?shù)哪M電路、硬件電路復(fù)雜，大量分立元件的使用使系統(tǒng)的寄生電容增大。本文利用集成電路芯片電容檢測(cè)芯片AD7746，配以相應(yīng)外圍電路。并利用PIC18F452單片機(jī)進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)處理。

1．1AD7746簡(jiǎn)介AD7746采用24bitΣ－Δ技術(shù)，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，其結(jié)構(gòu)如圖。標(biāo)準(zhǔn)的Σ－Δ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Σ－Δ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［3］，如圖3所示。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)在片內(nèi)編程補(bǔ)償設(shè)置0～17pF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［4］。AD7746采用I2C串行接口，可以方便地利用單片機(jī)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。

1．2硬件電路設(shè)計(jì)AD7746采用I2C串行接口，方便單片機(jī)進(jìn)行控制和修正，本設(shè)計(jì)由叉指電容傳感器、電容檢測(cè)芯片、微控制器、LCD顯示組成［5］。其系統(tǒng)框圖如圖4所示。單片機(jī)選擇帶有I2C串行接口的PIC18F452單片機(jī)，PIC18F452是一款具有低功耗、抗干擾能力強(qiáng)、內(nèi)部資源豐富的高性能精減指令集位單片機(jī)，16bit寬度指令，8bit寬度數(shù)據(jù)。其指令兼容PIC16系列和PIC17系列單片機(jī)。內(nèi)部32KFLASH，1．5KRAM，振蕩頻率最大可達(dá)40MHz，8通道10bitA/D，采樣速率高，可編程［6］。PIC18F452單片機(jī)對(duì)AD7746內(nèi)部寄存器進(jìn)行設(shè)置和測(cè)量電容值的讀取，再進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，通過(guò)LCD1602C顯示出來(lái)。在單端浮地測(cè)量方式下，AD7746的電容器輸入“CIN”和激勵(lì)“EXC”分別接待測(cè)電容器的叉指兩極板，AD7746測(cè)得電容值C包含待測(cè)極板電容C1和附加電容。

2串行通信軟件實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)用Microchip公司為其PIC系列微控制器專門配備的MPLAB集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，用PIC系列微控制器的C語(yǔ)言在MPLABIDEV8．60集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下運(yùn)行調(diào)試完成的。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)完成的。AD7746內(nèi)部共有19個(gè)8bit寄存器，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。AD7746寄存器的讀寫應(yīng)嚴(yán)格按照器件的讀寫時(shí)序。讀寫時(shí)序如圖5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8bit，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)。器件的讀寫應(yīng)按圖6進(jìn)行操作。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3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)加1的功能［8］。圖7主程序流程圖圖7和圖8分別表示主程序流程圖和AD7746讀數(shù)字電容寄存器流程圖。

3實(shí)驗(yàn)與分析

先對(duì)不同食用油品進(jìn)行測(cè)量，如表1所示。再根據(jù)其中一種介電常數(shù)最小的油品向里依次加地溝油測(cè)量電容值，如表2所示。然后再對(duì)煎炸次數(shù)不同的使用油測(cè)量其電容值，如表3所示。用超市購(gòu)買的新鮮的花生油1L和超市購(gòu)買的雞腿每份質(zhì)量約100g進(jìn)行試驗(yàn)，室溫取為25℃，每次都采用相同的煎炸溫度150℃，每次煎時(shí)間都控制在0．5h，煎炸過(guò)程中不放任何調(diào)味品防止Na等金屬離子對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。分別對(duì)雞腿煎炸1次、2次、3次、4次，取出油樣、過(guò)濾、冷卻到室溫后，放入事先備好的容器內(nèi)以備使用。首先檢測(cè)不同食用油品電容值，好的食用油不同種類間的電容值也不相同，結(jié)果發(fā)現(xiàn):(1)花生油的電容值最小，調(diào)和油的電容值最大，說(shuō)明調(diào)和油往往里面摻有其他油成分，極化分子多，花生油比較優(yōu)質(zhì)，摻有其他成分較少，極化分子少。(2)我們又選用電容值較小的花生油向其中依次添加地溝油測(cè)量其電容值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著添加的地溝油滴數(shù)的增加，電容值依次增加。油品兩次測(cè)量數(shù)據(jù)波動(dòng)范圍較小。(3)加熱溫度越高，介電常數(shù)增加越快，說(shuō)明在高溫下，油分子的化學(xué)反應(yīng)更加劇烈，生成較多的極化成分。(4)經(jīng)過(guò)加熱煎炸處理后，電容值普遍增大，隨著煎炸次數(shù)增加，從健康角度考慮，煎炸時(shí)間長(zhǎng)極化分子增多，當(dāng)超出一定范圍時(shí)對(duì)健康構(gòu)成潛在威脅，因此食用油煎炸時(shí)間、次數(shù)應(yīng)盡量減少，食用油加工的炸油應(yīng)定期更換，不要長(zhǎng)期煎炸。(5)用食用油的介電常數(shù)的變化來(lái)判定油在高溫加熱使用質(zhì)量變化是一種比較簡(jiǎn)單易行的方法。

作者：彭玉峰趙麗麗楊少歌周軍曉單位：河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院