基于生物阻抗的淡水鱼新鲜度单片机检测系统

论文摘要

鱼类及其制品不耐保藏，容易发生腐败和变质。新鲜度是评价鱼肉质量的一个重要指标，对最终产品的质量有极大的影响。现阶段采用的如化学法、感观法、传感器法等检测方法存在着适应性不足、检测过程繁琐及具有破坏性等诸多问题，需要开展进一步的研究。生物阻抗是反映生物组织、器官、细胞电学性质的物理量，随着生物组织病变的发生，其电阻抗特性会发生显著变化。因此，通过对生物基体电阻抗特性测量，能快速、准确、无损地检测其组织发生的变化情况。该项研究以淡水鱼新鲜度检测为主要研究内容，分析了目前各种淡水鱼新鲜度检测方法存在的问题，提出了基于生物阻抗原理的淡水鱼新鲜度检测的新方法；建立了基于虚拟仪器的淡水鱼电阻抗测量平台；并以鲢鱼为研究对象，研究了鲢鱼电阻抗特性与其新鲜度之间的关系；确定了激励频率、测量部位、测量方向及环境温度对鲢鱼电阻抗特性的影响；建立了基于电阻抗特性的鲢鱼新鲜度评价指标；并以此为理论基础，设计了基于生物阻抗的淡水鱼新鲜度单片机检测系统，并对建立的单片机检测系统进行试验验证，得出的主要结论有：1．贮藏于25℃的鲢鱼，鱼体各部位所测得的电阻抗特性值（阻抗幅值和相位）存在差异，但其值都随贮藏时间的增加而减少；鱼体鳃部平行于侧线方向测得的阻抗与贮藏时间之间的变化规律性最强，为最佳测量部位；当死亡时间超过9h，激励频率为5．7kHz时的鳃部阻抗幅值小于65Ω，相位差小于3．5°，鱼体内的挥发性盐基氮（TVBN）含量>20mg／100g，表明鱼体腐败。2．鲢鱼阻抗随着激励频率的增大而减小，在频率大于50kHz时，不同贮藏时间内的鱼体阻抗差异较小，因此，5kHz左右是研究鱼体阻抗随贮藏时间变化较为理想的频率范围。3．贮藏于25℃的鲢鱼，在5kHz和50kHz激励频率下，环境温度对鱼体阻抗测量值有影响，分别在5℃和30℃环境温度中所测得的阻抗幅值存在差异，但这种差异随着鱼体腐败的进行而逐渐减小，当鱼体完全腐败时，差异皆小于2Ω，环境温度对鱼体阻抗幅值影响不显著；而对5．7kHz和48．9kHz激励频率下的阻抗幅值比Z5.7kHz／Z48．9kHz进行方差分析表明，环境温度对其影响不显著。4．贮藏于25℃的鲢鱼，在5．7kHz和48．9kHz频率下，分别在5℃和30℃坏境温度中所测得的相位差值有差异，但这种差异在贮藏时间超过6h后皆小于1°。在从新鲜到完全腐败过程中，测量环境温度对相位差的影响不显著，因此，环境温度不会影响判别结果。5．当激励频率为5．7kHz时的鱼体阻抗值Z5.7kHz<65Ω或激励频率为5．7kHz和48．9Hz时阻抗幅值比Z5．7kHz／Z48．9kHz<1．16时时可以判定该鲢鱼腐败；当Z5.7kHz>85Ω或Z5．7kHz／Z48．9kHz>1．27判定该鲢鱼新鲜。激励频率为5．7kHz时的阻抗幅值以及阻抗幅值比Z5.7Hz／Z48．9kHz作为新鲜度评价指标。6．利用S51单片机为主芯片建立淡水鱼新鲜度检测系统，试验结果表明该系统能够无损、准确检测鲢鱼的新鲜度，正确率为90％，且检测速度快，检测成本低廉。软件部分采用了C语言和LabVIEW来进行模块化设计，具有简单、直观明了的特点，可以方便地进行修改和调用。同时，该装置提供了RS232数据传输接口，为后续研究提供可靠的数据显示和保存方式，为进一步研究开发打下基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 鱼肉新鲜度评价法
• 1.2.2 生物阻抗技术的现状和发展
• 1.3 研究内容与研究目标
• 1.4 研究方法与技术路线
• 1.4.1 研究方法
• 1.4.2 技术路线
• 第二章 基于生物阻抗的淡水鱼电阻抗特性的试验研究
• 2.1 激励频率对淡水鱼电阻抗特性影响的试验研究
• 2.1.1 试验材料与试验方法
• 2.1.2 试验结果与分析
• 2.2 贮藏时间和测量部位对淡水鱼电阻抗特性影响的试验研究
• 2.2.1 试验材料和方法
• 2.2.2 试验结果与分析
• 2.3 测量环境温度对淡水鱼电阻抗特性影响的试验研究
• 2.3.1 试验设备与方法
• 2.3.2 试验结果与分析
• 2.4 基于电阻抗特性的淡水鱼新鲜度评价指标的建立
• 2.4.1 试验材料和方法
• 2.4.2 试验结果与分析
• 2.4.3 鲢鱼新鲜度的电阻抗特性评价指标
• 2.5 鲢鱼新鲜度的电阻抗特性指标的验证
• 第三章 基于单片机的淡水鱼新鲜度检测系统
• 3.1 恒流源的设计
• 3.1.1 信号发生器
• 3.1.2 恒流源转化电路
• 3.2 测量电极的设计
• 3.3 信号调理电路的设计
• 3.3.1 放大电路
• 3.3.2 滤波电路
• 3.4 有限值变换电路的设计
• 3.5 模/数转换电路的设计
• 3.6 单片机测量电路的设计
• 3.7 串口通信电路的设计
• 3.7.1 通信系统原理
• 3.7.2 串口通信系统硬件配置
• 3.7.3 通信协议
• 3.7.4 下位机的串行通信程序设计
• 3.7.5 上位机通信程序
• 3.8 电源
• 3.9 基于单片机的淡水鱼新鲜度检测系统的精度验证
• 第四章 结论与讨论
• 4.1 结论
• 4.2 讨论
• 参考文献
• 致谢
• 附录