水果腐爛聲光報警裝置

劉煜誠

摘 要：水果批發(fā)市場價格便宜，但是一箱箱看不到實物，怎么判斷是好是壞？成箱的水果買回家慢慢吃怎么知道下面的壞沒壞？儲存運輸過程中怎么知道水果的狀態(tài)？水果腐爛聲光報警裝置將改變這一現(xiàn)狀。其基本工作原理如下：由于各種細菌、霉菌等微生物，接觸到水果，并利用水果中的養(yǎng)分特別是糖分繁殖、發(fā)育，產生很多的生長代謝產物，特別是各種各樣的味道，如酸、臭和酒味等等。腐爛的水果散發(fā)出酒味的主要原因是酵母菌分解水果中的有機物產生了乙烯、乙醇。報警裝置將通過內置的氣味傳感器，感應水果發(fā)出的乙烯、乙醇濃度判斷水果的新鮮程度，并通過聲光報警告訴你。只要將報警裝置接近蘋果、橘子、梨子、葡萄等水果，報警裝置就開始工作了，它能夠讀懂他們的“心”。除此之外，這個報警裝置還能同時監(jiān)控水果儲存環(huán)境的溫度、濕度。

關鍵詞：水果；乙烯；乙醇；傳感器；報警

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）04-0023-05

我老媽有一個我不敢茍同的養(yǎng)生觀念：“每天吃幾種不同的水果利于身體健康”，因此她會經常買各種水果，甚至去批發(fā)市場成箱的買，但是箱子里的水果經常有壞的，或者因為放壞了而扔掉，而我老爹就會像唐僧一樣碎碎念“哎，家里的水果不是吃完了的，都是放爛了的”。而市面上沒有可以隔著紙箱、水果等物體檢測水果狀態(tài)的裝置，這就是我想到做這個水果腐爛聲光報警裝置的緣由。

1 研究背景

批發(fā)市場的水果都是成箱的，從密封著的箱子里選擇水果的時候我們是看不見摸不著的，打開的箱子上面看得見的水果質量好，而下層卻有很多是壞掉的，特別是水果通過集裝箱運輸、貯存過程中，不易觀察其狀態(tài)。所以在這種看不見摸不著的情況下，判斷水果新鮮程度較為可行的方法就是通過水果散發(fā)的氣味。當然用氣味判斷水果腐爛與否可以用鼻子聞，但人工感官方法過分依賴于人的嗅覺系統(tǒng)，受個體主觀因素影響較大，因此重復性和準確性較差。另外一些檢測方法如氣相色譜法、色譜-質譜聯(lián)用法、電化學法等檢測方式都需要取樣，在上述封閉情況下并不適用，而且費力費時成本高。所以尋求一種簡單、易操作且成本較低的檢測方式就很有必要了！

那么怎么設計才能達到此目的呢？經過上網查詢得知，基本上所有的水果都含糖分，而且日常生活中常見的水果含糖量較高。鑒于水果的腐敗與細菌大量生長并分解糖分，同時釋放出C2H4（乙烯）、C2H5OH（乙醇）等氣體的關系密切，因此在包裝完好、儲存運輸較為密封的環(huán)境下，對乙烯、乙醇釋放量的檢測可以作為水果新鮮程度的判別參數(shù)。在這種情況下，使用電子鼻就是一種快捷、方便的選擇[1]。電子鼻主要是由具有特異性的氣體傳感器陣列與模式識別系統(tǒng)所構成，是依靠被測樣品揮發(fā)出的氣體標定樣品類型的儀器。作為人類嗅覺的延伸，電子鼻系統(tǒng)避免了人類主觀因素的干擾，檢測結果更為客觀、準確、穩(wěn)定，因此電子鼻在環(huán)境監(jiān)測等領域得到廣泛的應用。本裝置就是創(chuàng)造性地以探測乙烯、乙醇的電子鼻為基礎，加上聲光元件、顯示模塊和電源所構成的監(jiān)測和報警器。

2 傳感器選擇方案對比

隨著科技的發(fā)展，市場上有著各種各樣的、不同功能的傳感器，我對各種傳感器方案進行了認真對比和篩選。

（1）半導體型氣體傳感器，自從1962年半導體金屬氧化物陶瓷氣體傳感器問世以來，半導體氣體傳感器已經成為當今應用最普遍、最實用的一類氣體傳感器。它具有成本低廉、制造簡單、靈敏度高、響應速度快、壽命長、對濕度敏感低和電路簡單等優(yōu)點。不足之處是必須在高溫下工作、對氣體或氣味的選擇性差、元件參數(shù)分散、穩(wěn)定性不理想、功率高等方面。

（2）接觸燃燒式氣體傳感器只能測量可燃氣體。又分為直接接觸燃燒式和催化接觸燃燒式，原理是氣敏材料在通電狀態(tài)下，可燃氣體在表面或者在催化劑作用下燃燒，由于燃燒使氣敏材料溫度升高從而電阻發(fā)生變化。后者因為催化劑的關系具有廣普特性應用更廣，如KG2100A系列、KG100A系列、KG2100B系列和KG100B系列等。

（3）固態(tài)電解質氣體傳感器，顧名思義，固態(tài)電解質就是以固體離子導電為電解質的化學電池。它介于半導體和電化學之間。選擇性、靈敏度高于半導體而壽命長于電化學，所以也得到了很多的應用，不足之處就是響應時間過長。

（4）光學式氣體傳感器主要包括紅外吸收型、光譜吸收型、熒光型等等，主要以紅外吸收型為主。由于不同氣體對紅外波吸收程度不同，通過測量紅外吸收波長來檢測氣體。目前因為它的結構關系一般造價頗高。

（5）電化學氣體傳感器是通過檢測電流來檢測氣體的濃度，分為不需供電的原電池式以及需要供電的可控電位電解式，目前可以檢測許多有毒氣體和氧氣，后者還能檢測血液中的氧濃度。電化學傳感器的主要優(yōu)點是高靈敏度以及對氣體良好的選擇性。

綜合以上特點和造價，本裝置擬選用電化學氣體傳感器，經過對國內外產品指標的對比，最終選用的是英國CITY環(huán)氧乙烷傳感器7ETO氣體檢測模塊（如圖1所示），其對乙烯、乙醇檢測敏感度達到了0.1ppm，其指標如表1所示。

3 硬件設計

本裝置系統(tǒng)主要由單片機、溫濕度傳感器、7ETO傳感器、聲光報警模塊、按鍵顯示模塊和電源模塊組成，如圖2所示。以STM8單片機為核心控制芯片，通過DHT11采集溫濕度信息，通過英國CITY環(huán)氧乙烷傳感器7ETO氣體檢測模檢測水果腐爛發(fā)出的乙烯、乙醇濃度，并且通過聲光示警，提醒用戶注意，具體的信息在OLED屏上顯示。

該系統(tǒng)的主要傳感器是7ETO環(huán)氧乙烷傳感器，其特性要求驅動的運算放大器零偏移、靜態(tài)輸入電流小、輸入阻抗高，本系統(tǒng)選用TI公司的OPA2333高精度零偏移雙運放，其電路如圖3所示。

本系統(tǒng)使用STMS003F3P6作為控制芯片，STM8是ST意法半導體針對工業(yè)應用和消費電子開發(fā)而推出的8位單片機，其最小系統(tǒng)電路圖如圖4所示。其主要特點是：最高fcpu頻率可達24MHz，高級STM8內核，基于哈佛結構并帶有3級流水線擴展指令集。工作電壓2.95V到5.5V。靈活的時鐘控制，4個主時鐘源帶有時鐘監(jiān)控的時鐘安全保障系統(tǒng)，低功耗模式（等待、活躍停機、停機），強健的GPIO設計，對倒灌電流有非常強的承受能力。開發(fā)支持單線接口模塊（SWIM）和調試模塊（DM），可以方便地進行在線編程和非侵入式調試。相對于現(xiàn)在眾多的8位單片機，STM8的價格與性能比例相對較高。

本系統(tǒng)使用DHT11檢測溫度和濕度，如圖5所示。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專用的數(shù)字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保其可靠性與長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接，因此該產品具有品質高、響應快、抗干擾能力強、性價比高等優(yōu)點。每個DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行了校準。校準系數(shù)以程序的形式儲存在OTP內存中，傳感器內部在檢測信號的處理過程中要調用這些校準系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20米以上，使其成為各類應用甚至最為苛刻的應用場合的最佳選則[2]。產品為4針單排引腳封裝，連接方便。

本系統(tǒng)使用聲音和光示警，通過不同頻率可以反應不同的情況，電路如圖6所示。

本系統(tǒng)選用12864只需要6個腳的OLED，OLED顯示技術具有自發(fā)光、廣視角、高的對比度、較低耗電、極高反應速度等優(yōu)點。本次使用的是0.96寸OLED 藍色6針SPI。如圖7所示。

新版SPI接口OLED模塊！只需6個引腳

本系統(tǒng)選用NCP1117穩(wěn)壓到3.3V給系統(tǒng)供電，通過TPS60400產生負電壓，電路如圖8所示。

4 軟件設計

本系統(tǒng)程序的流程圖如圖9所示，程序進入，首先對時鐘、IO、ADC、OLED、定時器進行初始化，采樣7ETO模塊的值判斷是否初始化完成，如果沒有完成就一直等待，如果已經完成，顯示測量主界面，測試溫度濕度，測試乙烯、乙醇的濃度，判斷是否有水果腐爛，并顯示測試數(shù)據(jù)。

下面是ADC采樣的核心代碼：

unsignedintGet_AD（unsigned char channel）

{

unsignedintdataH， dataL；

unsigned long value = 0；

unsigned intv_adc； //電壓單位為（mV）

ADC_CSR_CH = channel； //AIN3腳

ADC_CR1_ADON = 1； //使能adc

while（ADC_CSR_EOC==0）；

dataL = ADC_DRL； //右對齊數(shù)據(jù)

dataH = ADC_DRH； //讀取寄存器數(shù)據(jù)

ADC_CSR_EOC = 0；

value = dataH<<8|dataL；

v_adc = （value*3300）>>10；//計算實際電壓

returnv_adc；

}

ADC采樣的中值濾波器代碼，能夠有效除去突變干擾信號：

unsignedintSort_detection（unsigned char channel）

{

unsigned char i，j，k；

unsignedinttmp，adc_buf[7]；

asm（“nop”）；

asm（“nop”）；

asm（“nop”）；

for（i=0；i<7；i++）

{

adc_buf[i] = Get_AD（channel）；

delay（15）；

}

for（j=6；j>0；j--）

{

for（k=0；k

{

if（adc_buf[k]>adc_buf[k+1]）

{

tmp = adc_buf[k+1]；

adc_buf[k+1] = adc_buf[k]；

adc_buf[k] = tmp；

}

}

}

return adc_buf[3]；

}

5 實驗

5.1 實物展示

如圖10、11、12、13、14所示。

5.2 數(shù)據(jù)分析

進行數(shù)據(jù)分析前，首先需要對實驗的水果進行新鮮度分類，由于目前國內外沒有可行的新鮮度標準，我根據(jù)日常生活經驗大致將個體新鮮度其分為四類：

（1）新鮮：果皮鮮亮，無明顯傷痕，水分足，口感好。（2）輕微腐爛：顏色暗淡，有明顯變色點或腐爛點，切除腐爛點及周邊后剩余部分正常。（3）腐爛：顏色暗淡，變色部分或腐爛部分不超過三分之一，切除后尚余有相對正常部分。（4）嚴重腐爛：三分之一以上發(fā)霉、潰爛。

實驗結果：為保證實驗數(shù)據(jù)的準確性，我查詢了相關資料，收集了含糖量較高的幾種水果如柚子、臍橙、葡萄、蘋果、砂糖橘、香蕉等，其中臍橙、蘋果、砂糖橘、香蕉的4種新鮮度狀態(tài)齊全，數(shù)量也較多，可以提供較多的實驗數(shù)據(jù)，因此選用這四種水果并經過多次測量，得到了下表中的平均結果。如表2所示。

實驗數(shù)據(jù)分析：通過上表可以看出，采樣的新鮮水果輸出電壓測試值都小于12毫安，實驗中絕大部分在3—7毫安，輕微腐爛水果輸出電壓測試平均值介于18至42毫安之間，腐爛水果輸出電壓測試平均值介于39至87毫安之間，有幾次測試值超過100毫安，嚴重腐爛水果輸出電壓測試平均值都大于200毫安，最高平均值到了1350毫安，有幾次測試值超過1800毫安。

5.3 實驗結論

輸出電壓和水果腐爛程度基本對應，即輸出電壓越高水果腐爛越嚴重，基本上測試時水果一旦開始腐爛，輸出電壓即可達到20毫安以上。水果糖分越高，腐爛時測出的輸出電壓越高，即釋放的氣體濃度越高。

另外在實驗中，發(fā)現(xiàn)采樣距離對數(shù)據(jù)有較大影響，這跟氣體的擴散有關，為此專門對采集距離作了實驗分析。

以腐爛的蘋果為例，經多次測量，得出距離對測量結果的影響，如表3所示。

結論：由于氣體的擴散受采集環(huán)境風力影響，采集距離對結果的影響較大，但在30mm以內基本能夠取得有效數(shù)據(jù)，建議采集氣體時盡量靠近檢測對象，如水果箱的開口處、成堆水果的縫隙處等。

5.4 裝置設定

綜上所述，考慮輸出電壓和水果腐爛程度對應關系，以及氣體采集時距離帶來的誤差，設定本裝置的報警參數(shù)為：

新鮮水果：輸出電壓值小于20毫安，只顯示數(shù)值，不報警；

輕微腐爛：輸出電壓值大于20毫安小于40毫安，顯示數(shù)值，指示燈亮；

腐爛水果：輸出電壓值大于40毫安小于80毫安，顯示數(shù)值，指示燈閃爍，發(fā)出滴滴聲；

嚴重腐爛：輸出電壓值大于80毫安，顯示數(shù)值，指示燈閃爍，發(fā)出急促的滴滴聲。

6 應用前景和需改進之處

因為一個水果的腐爛會影響它周圍水果的腐爛速度，所以較早地發(fā)現(xiàn)篩選出已經腐爛的水果是十分必要的。在水果攤販、超市水果部門、水果批發(fā)市場、水果凍庫以及水果運輸過程等環(huán)境中，及時發(fā)現(xiàn)腐爛水果的可以挽救一定的經濟損失。而本裝置集腐爛報警、溫度、濕度顯示為一體，對監(jiān)控水果儲存運輸?shù)沫h(huán)境十分有用。

因條件和能力有限，此報警裝置還有很多有待改進的地方。首先，對于只爛了芯，外面還沒有腐爛的水果，因為散發(fā)的氣體量不足夠，所以無法靈敏地監(jiān)測到。其次，采樣距離對數(shù)據(jù)有較大影響。最后，如果要應用到實際生產工作中，對反應速度和外形還需進一步的改進。最初我也想制作成便于用于超市、水果庫房、集裝箱運輸?shù)葓鏊谋銛y式的小巧圓錐或柱狀成品，在制作成商品時可提高美觀度及測試靈敏度。也曾構思過做成果盤狀，便于家庭使用，但限于加工條件，未能進行。這些想法在實際應用中有待進一步探索。

7 我的收獲

利用氣體傳感器能夠有效的檢測出水果腐爛變質的狀態(tài)，減少水果腐爛的損失。我從萌發(fā)這個想法，經過各位老師的耐心、認真的指導，到最終做出水果腐爛聲光報警裝置為止，收獲頗豐。

（1）在老師們的指導培訓中進一步學習了相關知識，如：電學、編程等。并加強了動手能力，親自操作了線路的設計、嘗試了電路板的制作、焊接、熱成像、腐蝕等等。在這幾個月中，對單片機的了解也隨之加深，對它在報警系統(tǒng)中的應用，以及芯片的結構也有了一定的了解。（2）學會了鍥而不舍、在失敗中前進的精神。在制作過程中無數(shù)次的失敗，無數(shù)次的嘗試，就拿制作電路板為例（雖然最后用的是在深圳嘉立創(chuàng)定制的），在熱力和藍光成像階段，多次失敗，多次重新制作。焊接的水平也在一次又一次的練習中提高。為了靈敏度的試驗，跑了很多水果攤，要來了盡可能多品種的腐爛水果。甚至是外殼的創(chuàng)意也是反復思索、反復嘗試。手一次又一次地被弄傷。然而我在堅持中走到了最后。（3）從老師身上感受到了為師者的知識淵博，為師者的愛生之道。也在這個過程中慢慢尋摸到了自己職業(yè)的方向---工科。（4）創(chuàng)新之難，難于上青天。從尋找恰當?shù)恼n題開始，以及在學習制作過程中，深深地感受到為什么國家對創(chuàng)新特別是科技創(chuàng)新如此地鼓勵、如此地重獎。千軍易得創(chuàng)新之才難求！

在此深深地謝謝在此過程中給予我?guī)椭乃欣蠋焸儯〔煌鼛煻鳎降檬冀K！

參考文獻

[1]李全利.單片機原理及應用技術[M].北京：高等教育出版社，2004.

[2]金發(fā)慶.傳感器技術與應用[M].北京：建設工業(yè)出版社，2004.