基于边缘电场传感器的食品安全检测系统设计与实现

摘要

边缘电场(Fringing Electric Field，FEF)传感器是一种具有单边穿透、信号强度可调及层析成像等优点的电容式传感器，广泛应用于产品性能的非接触测量。本文将边缘电场传感器应用于食品安全性，如含水量、新鲜度、毒素等检测。食品的安全性能直接影响食品的介电特性，介电特性的变化引起传感器极间电容的变化，设计测量系统可以实现食品安全检测。
　　测量系统选用低功耗单片机为处理核心，通过简化电源供电电压等级，优化电源电路设计以及选择低功耗器件降低系统功耗。设计了扫频驱动模块、信号调理模块、同步采样模块、人机接口模块、串行通讯、电源管理电路等。
　　采用自适应带通滤波算法提高感应输出信号的信噪比;校准单片机主频，分段设置采样率，采用频谱分析方法计算驱动信号及感应信号的幅值、相位，提高计算精度。
　　本文设计了测量系统软件，包括主监控程序、初始化模块、中断模块、驱动调理控制模块、单片机主频设置模块、数据采集模块、算法模块、人机接口模块及看门狗模块。主要实现了扫频驱动信号产生、测量通道切换、主频设置、极间电容计算及结果显示等功能。
　　将设计的测量系统与FEF传感器结合，用于霉变食品毒素检测。通过系统标定实验选择反馈通道电容值，设计食品安全检测实验，结果表明，测量系统能够有效进行食品安全检测，功耗测量结果表明系统达到了低功耗的要求。

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 目的及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 课题来源及本文主要内容

第二章 FEF传感器测量原理及系统设计方案

2．1 FEF传感器简介

2．2 系统设计方案

2．3 小结

第三章 系统硬件设计

3．1 单片机最小系统

3．2 驱动模块

3．3 调理模块

3．4 采样模块

3．4．1 前级滤波电路

3．4．2 AD选型

3．5 人机接口模块

3．5．1 键盘设计

3．5．2 液晶显示

3．6 串口通讯模块

3．7 电源电路设计

3．8 系统功耗估算

3．9 测量系统抗干扰设计

3．10 小结

第四章 系统软件设计

4．1 软件总体框图

4．2 主监控程序

4．3 初始化

4．4 人机接口

4．5 单片机主频设置

4．6 驱动调理控制

4．7 中断模块

4．8 数据采集模块

4．9 算法模块

4．10 看门狗模块

4．11 软件调试

4．12 小结

第五章 信号处理方法

5．1 基于二阶模型构造自适应滤波器

5．1．1 构造二阶模型

5．1．2 滤波实现方式

5．1．3 基于二阶模型构造自适应滤波器的滤波效果

5．2 格型自适应滤波算法

5．2．1 格型自适应滤波算法函数模型

5．2．2 格型自适应滤波器滤波效果

5．2．3 原因分析

5．3 算法选择

5．4 频谱分析

5．5 小结

第六章 系统测量实验

6．1 测量系统标定实验

6．1．1 反馈电容标定实验

6．1．2 重复性误差标定实验

6．2 食品安全检测实验

6．3 系统功耗实验

第七章 总结和展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况