CN105717314B - 一种用于饮料检测的自动电子舌设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于饮料检测的自动电子舌设备，步进电机驱动器分别与三个步进电机丝杆滑台的步进电机相连，用于驱动三条步进电机丝杆滑台工作；调理电路分别与电极模块和采集卡相连，采集卡与计算机相连，计算机控制采集卡向调理电路输入激发信号，调理电路向电极模块施加激发检测信号，所述采集卡实时采集调理电路上的反馈信号；采集卡将采集到的检测数据通过数据线传输给计算机；半导体制冷制热器、步进电机驱动器、水泵、槽体内的温度传感器均与单片机相连；单片机与计算机相连；开关电源给各个部件供电。本发明能够自动完成样品温度调节、自动进样和检测、清洗电极等工作，能有效降低操作人员的工作强度。
Description
技术领域
本发明涉及一种饮料检测的电子舌设备，尤其涉及一种用于饮料检测的自动电子舌设备，该设备能够在计算机的控制下自动完成样品温度调节、自动进样和检测、电极清洗等工作。
背景技术
随着经济发展和生活水平不断提高，人们对饮料需求量越来越大，同时对其安全和品质要求也越来越高。因此，市场对各类饮料的检测需求也在快速增长。
电子舌作为一种新型的检测设备，相对于传统的检测设备和检测手段，具有检测速度快、应用范围广、价格适中、能够反映样品整体特性等优点，是饮料品质检测的理想设备。
现阶段的电子舌研究主要停留在实验室阶段，普遍存在自动化、智能化程度较低的问题，不具备自动进样检测、清洗电极、自动控制样品温度等功能。检测人员使用电子舌检测时，需要长时间在一旁值守，定时手工完成进样、清洗电极、保持样品温度等操作，其检测过程麻烦，工作量大。
发明内容
本发明的目的在于针对现有电子舌自动化、智能化程度不高，检测过程需要大量手工操作，检测人员工作量大的不足，提出了一种具备自动调节样品温度、进样检测和清洗电极的功能的用于饮料品质检测的电子舌。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种用于饮料检测的自动电子舌设备，它包括半导体制冷制热器、第三步进电机丝杆滑台、开关电源、步进电机驱动器、单片机、水泵、第一步进电机丝杆滑台、第二步进电机丝杆滑台、电极模块、槽体、采集卡、主框架、四个调理电路、电极支架、计算机；
其中，所述槽体为中空结构，其内设置有温度传感器；所述第一步进电机丝杆滑台横向安装在主框架中间上部位置，第二步进电机丝杆滑台竖直安装在第一步进电机丝杆滑台的滑台上，第三步进电机丝杆滑台纵向安装在主框架底部中间位置；所述电极支架安装在第二步进电机丝杆滑台的滑台上，所述电极模块安装在电极支架上；所述槽体安装在第三步进电机丝杆滑台的滑台上，所述半导体制冷制热器和水泵均安装在槽体下部；
所述步进电机驱动器分别与第一步进电机丝杆滑台、第二步进电机丝杆滑台和第三步进电机丝杆滑台的步进电机相连，用于驱动三条步进电机丝杆滑台工作；
所述调理电路分别与电极模块和采集卡相连，采集卡与计算机相连，计算机控制采集卡向调理电路输入激发信号，调理电路向电极模块施加激发检测信号，所述采集卡实时采集调理电路上检测回路的反馈信号；采集卡将采集到的检测数据通过数据线传输给计算机；半导体制冷制热器、步进电机驱动器、水泵、槽体内的温度传感器均与单片机相连；单片机与计算机相连；开关电源给各个部件供电。
进一步的，所述电极模块由第一工作电极、辅助电极、第二工作电极、第三工作电极、参比电极和第四工作电极组成；所述四根工作电极和辅助电极外部被铁氟龙材料包裹，仅头部平面漏出，电极基础材料为铜柱，电极头部平面分别镀有不同种类的贵金属材料；在铁氟龙材料包裹的外部，安装有参比电极。
进一步的，所述调理电路包括电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R102、R103、R104，可变电阻Rt1、Rt2、Rt3、Rt4，极性电容C3、C4、C5，非极性电容C101、C102，运算放大器U1A、U1B、U1C、U1D、U2A；
其中，电阻R1一端和参比电极相连，另一端和运算放大器U1A的正向输入端相连；电阻R2一端和运算放大器U1A的反向输入端相连，另一端和运算放大器U1A的输出端相连后与可变电阻Rt1的一个固定端相连；可变电阻Rt1的滑动端和电阻R6的一端相连后与运算放大器U1C的反向输入端相连；
电阻R3的一端和采集卡的激发信号输出端相连，另一端和运算放大器U1B的正向输入端相连；电阻R4一端和运算放大器U1B的反向输入端相连，另一端和运算放大器U1B的输出端相连后与可变电阻Rt2的一个固定端相连；可变电阻Rt2的滑动端和电阻R5的一端相连后与运算放大器U1C的正向输入端相连；电阻R5的另一端接地；
电阻R6的另一端、运算放大器U1C的输出端、极性电容C3的正极和极性电容C4的正极均与电阻R8的一端相连，电阻R8的另一端与运算放大器U1D的正向输入端相连；极性电容C3的负极和极性电容C4的负极均接地；
电阻R7一端接地，另一端与可变电阻Rt3的一个固定端相连后与运算放大器U1D的反向输入端相连，可变电阻Rt3的滑动端、极性电容C5的正极和运算放大器U1D的输出端相连后与一根工作电极相连；极性电容C5的负极接地；
电阻R104的一端接地，另一端分别与电阻R103的一端和辅助电极相连；电阻R103的另一端和运算放大器U2A的正向输入端相连；电阻R102的一端接地，另一端同时和运算放大器U2A的反向输入端、非极性电容C101的一端、可变电阻Rt4的一个固定端相连；非极性电容C101的另一端、可变电阻Rt4的滑动端、运算放大器U2A的输出端以及非极性电容C102的一端相连后接采集卡的一路信号采集口；非极性电容C102的另一端接地；
所述运算放大器U1A，U1B，U1C，U1D，U2A的正电源端均接+5v电源，负电源端均接-5v电源。
进一步的，还包括第一护罩、第二护罩、OLED显示屏、左面板、键盘、前面板、后面板、右面板、上面板；其中，所述左面板安装在主框架的左面、右面板安装在主框架的右面、上面板安装在主框架的上面、前面板安装在主框架的前面、后面板安装在主框架的后面；OLED显示屏和键盘均安装在前面板上；第一护罩安装在主框架上部中间位置，第二护罩安装在主框架前部；OLED显示屏和键盘均与单片机相连。
进一步的，所述槽体为中空结构，其上开有若干个圆孔。
本发明具有的有益效果：能够自动调节样品温度、完成进样检测、电极清洗操作。用户仅需要将样品和清洗用超纯水放置在设备内，整个检测过程无需人工干预操作，极大地减轻了操作人员的工作量。
附图说明
图1是本发明的正面轴测图；
图2是本发明的背面轴测图；
图3是本发明的控制结构关系图；
图4是电极模块结构图；
图5是调理电路电路图；
图中，第一护罩1、第二护罩2、半导体制冷制热器3、第三步进电机丝杆滑台4、开关电源5、步进电机驱动器6、单片机7、OLED显示屏8、水泵9、左面板10、第一步进电机丝杆滑台11、第二步进电机丝杆滑台12、电极模块13、槽体14、采集卡15、主框架16、键盘17、前面板18、调理电路19、后面板20、右面板21、上面板22、电极支架23、第一工作电极24、辅助电极25、第二工作电极26、第三工作电极27、参比电极28、第四工作电极29。
具体实施方式
下面结合附图对本发明专利做进一步说明。
如图1-3所示，本发明包括半导体制冷制热器3、第三步进电机丝杆滑台4、开关电源5、步进电机驱动器6、单片机7、水泵9、第一步进电机丝杆滑台11、第二步进电机丝杆滑台12、电极模块13、槽体14、采集卡15、主框架16、四个调理电路19、电极支架23、计算机(图中未示出)；
其中，所述开关电源5、步进电机驱动器6、单片机7、采集卡15和调理电路19均安装在主框架16上；所述槽体14为中空结构，其上开有若干个圆孔，其内设置有温度传感器。
所述第一步进电机丝杆滑台11横向安装在主框架16中间上部位置，第二步进电机丝杆滑台12竖直安装在第一步进电机丝杆滑台11的滑台上，第三步进电机丝杆滑台4纵向安装在主框架16底部中间位置；所述电极支架23安装在第二步进电机丝杆滑台12的滑台上，所述电极模块13安装在电极支架23上；所述槽体14安装在第三步进电机丝杆滑台4的滑台上，所述半导体制冷制热器3和水泵9均安装在槽体14下部；
所述步进电机驱动器6分别与第一步进电机丝杆滑台11、第二步进电机丝杆滑台12和第三步进电机丝杆滑台4的步进电机相连，用于驱动三条步进电机丝杆滑台工作；
所述调理电路19分别与电极模块13和采集卡15相连，采集卡15通过USB接口与计算机相连，计算机控制采集卡15向调理电路19输入激发信号，调理电路19向电极模块13施加激发检测信号，所述采集卡15实时采集调理电路19上检测回路的反馈信号；采集卡15将采集到的检测数据通过数据线传输给计算机；半导体制冷制热器3、步进电机驱动器6、水泵9、槽体14内的温度传感器均与单片机7相连；单片机7通过RS232接口与计算机相连；开关电源5给各个部件供电。
还包括第一护罩1、第二护罩2、OLED显示屏8、左面板10、键盘17、前面板18、后面板20、右面板21、上面板22；其中，所述左面板10安装在主框架16的左面、右面板21安装在主框架16的右面、上面板22安装在主框架16的上面、前面板18安装在主框架16的前面、后面板20安装在主框架16的后面；OLED显示屏8和键盘17均安装在前面板18上；第一护罩1安装在主框架16上部中间位置，第二护罩2安装在主框架16前部；OLED显示屏8和键盘17均与单片机7相连。
如图4所示为电极模块结构图，电极模块13由第一工作电极24、辅助电极25、第二工作电极26、第三工作电极27、参比电极28和第四工作电极29组成；四根工作电极和一根辅助电极外部被铁氟龙材料包裹，仅头部平面漏出，电极基础材料为铜柱，电极头部平面分别镀有不同种类的贵金属材料。四根工作电极和一根辅助电极尾部的铜柱伸出铁氟龙材料，用于分别连接电路导线。在铁氟龙材料包裹的外部，安装有一根Ag/Agcl参比电极28。所述辅助电极25的作用的是与工作电极形成导通回路；参比电极28的作用是为工作电极提供电位参考。
如图5所示，是该电子舌的调理电路电路图，调理电路19包括电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R102、R103、R104，可变电阻Rt1、Rt2、Rt3、Rt4，极性电容C3、C4、C5，非极性电容C101、C102，运算放大器U1A、U1B、U1C、U1D、U2A；
其中，电阻R1一端和参比电极相连，另一端和运算放大器U1A的正向输入端相连；电阻R2一端和运算放大器U1A的反向输入端相连，另一端和运算放大器U1A的输出端相连后与可变电阻Rt1的一个固定端相连；可变电阻Rt1的滑动端和电阻R6的一端相连后与运算放大器U1C的反向输入端相连；
电阻R3的一端和采集卡15的激发信号输出端相连，另一端和运算放大器U1B的正向输入端相连；电阻R4一端和运算放大器U1B的反向输入端相连，另一端和运算放大器U1B的输出端相连后与可变电阻Rt2的一个固定端相连；可变电阻Rt2的滑动端和电阻R5的一端相连后与运算放大器U1C的正向输入端相连；电阻R5的另一端接地；
电阻R6的另一端、运算放大器U1C的输出端、极性电容C3的正极和极性电容C4的正极均与电阻R8的一端相连，电阻R8的另一端与运算放大器U1D的正向输入端相连；极性电容C3的负极和极性电容C4的负极均接地；
电阻R7一端接地，另一端与可变电阻Rt3的一个固定端相连后与运算放大器U1D的反向输入端相连，可变电阻Rt3的滑动端、极性电容C5的正极和运算放大器U1D的输出端相连后与一根工作电极相连；极性电容C5的负极接地。
电阻R104的一端接地，另一端分别与电阻R103的一端和辅助电极25相连；电阻R103的另一端和运算放大器U2A的正向输入端相连；电阻R102的一端接地，另一端同时和运算放大器U2A的反向输入端、非极性电容C101的一端、可变电阻Rt4的一个固定端相连；非极性电容C101的另一端、可变电阻Rt4的滑动端、运算放大器U2A的输出端以及非极性电容C102的一端相连后接采集卡15的一路信号采集口；非极性电容C102的另一端接地。
所述运算放大器U1A，U1B，U1C，U1D，U2A的正电源端均接+5v电源，负电源端均接-5v电源。
图5为其中一路工作电极与调理电路的电路连接图，其余三路工作电极与与调理电路的电路连接图相同。
所述开关电源5可以采用汕头市万森电源科技有限公司型号为s-360-24的开关电源，但不限于此；所述单片机7可以采用51单片机，但不限于此；所述采集卡15可以采用美国国家仪器公司NI-6009型号的产品，但不限于此。
采集卡15接收计算机的指令，在采集卡15的激发信号输出端输出一定规律的扫描波形作用于调理电路19的电阻R3的一端。调理电路19主要有四个部分组成。第一部分，运算放大器U1A，U1B所在的部分主要是起信号阻抗转换作用。第二部分，运算放大器U1A所在部分起比较跟随作用，使输出到下一级的信号跟随输入采集卡输入的激发信号。第三部分，运算放大器U1D所在的部分是一个放大电路，用于最后调整作用于工作电极的信号的幅值。第四部分，运算放大器U2A所在的部分是一个电流转电压电路，用于将回路的电流信号转换成电压信号，便于采集卡的信号采集口采集信号。
四个工作电极在调理电路17的作用下，被施加了跟随采集卡15激发信号变化的电压。工作电极表面的贵金属与待测溶液间会形成变化的双电层和发生氧化还原反应。工作电极回路会形成充放电电流和氧化还原电流。不同的工作电极材料和待测溶液间的双电层特性和氧化还原特征不同，在相同的激发信号下，会采集到不同的检测信号。通过分析采集到的信号，能区分识别不同的物质和预测溶液中相关成分的含量。
本发明的工作过程如下：
如图1所示，槽体14上部开有4行6列的圆孔。待测饮料样品盛放在样品杯中，并将样品烧杯置于左边4行5列的圆孔中。清洗电极用的超纯水盛放在清洗杯中，并将清洗杯放置在最右侧4行1列的圆孔中。槽体14为中空结构，其中预先盛放约一半的水，作为对样品水浴调温的工作介质。当待测样品需要调温时，如果安置在槽体14内部的温度传感器检测到槽内水温低于设定温度时，单片机7启动水泵9，同时开启半导体制冷制热器3的加热模式，槽内的水通过水泵9和管道在槽体14内部和半导体制冷制热器3之间循环，以达到调节槽内水度。对槽内水温的调节也间接调节了浸在槽内的样品杯中的样品温度。当槽内水温高于设定温度时，单片机7启动半导体制冷制热器3的制冷模式。当槽内温度等于设定温度时，水泵9和半导体制冷制热器3停止工作。通过不断检测槽内水温和切换制冷、加热、停止三种工作模式，保持槽内水温在设定温度上下波动，间接控制了在水浴中的样品温度。
该设备启动后，单片机7和采集卡15完成初始化，第一步进电机丝杆滑台11、第二步进电机丝杆滑台12、第三步进电机丝杆滑台4归零，OLED显示屏8上开始显示设备的工作状态，设备等待下一步操作。操作人员按下键盘17中放置样品键，单片机7检测到键盘17操作，控制第三步进电机丝杆滑台4带动槽体14向外移。槽体14移动至指定位置并停止，等待放置样品杯和清洗杯。
完成放置样品杯和清洗杯后，操作人员按下键盘17上自动检测按钮，设备开始全自动运行。水泵9和半导体制冷制热器3在单片机7的控制下，调节槽体14内水温以控制放置在槽内的样品温度。
当槽体14内的温度传感器检测到槽内水度达到指定温度并保持一段时间后，就认为样品达到所需温度。单片机7控制第一步进电机丝杆滑台11和第三步进电机丝杆滑台4工作将电极模块13移动到第一个样品杯上空，然后驱动第二步进电机丝杆滑台12带动电极模块13插入样品中。整个流程即完成了第一个进样。此时，单片机7向计算机反馈进样完毕的信息,计算机控制采集卡15向调理电路19输入激发信号，调理电路19向电极模块13施加激发检测信号。采集卡15实时采集调理电路19上检测回路的反馈信号，并将反馈信号通过数据线传输回计算机，并通过软件分析数据。
完成一个样品的检测后，单片机7驱动第二步进电机丝杆滑台4提起电极模块13，驱动第一步进电机丝杆滑台11和第三步进电机丝杆滑台12将电极模块13移动至清洗杯上空，然后再驱动第二步进电机丝杆滑台4将电极模块13插入清洗杯中浸泡，同时驱动第三步进电机丝杆滑台4带动槽体14前后小幅循环往复运动，使清洗杯中超纯水晃动，以加速电极模块13清洗。待清洗完成后，单片机7驱动第二步进电机丝杆滑台4提起电极模块13。
之后的各个样品的检测流程与第一个样品的过程相似，在单片机7的控制下，依次完成之后的多次重复。在每一个阶段中，单片机7不断向OLED显示屏8发送数据，控制其实时显示设备工作进度。待全部样品检测完成后，第三步进电机丝杆滑台4带动槽体14在向外移，等待操作人员取出放置在槽体14中的样品杯和清洗杯。单片机7等待下一步的键盘17的输入。
Claims (3)
1.一种用于饮料检测的自动电子舌设备，其特征在于：包括半导体制冷制热器（3）、第三步进电机丝杆滑台（4）、开关电源（5）、步进电机驱动器（6）、单片机（7）、水泵（9）、第一步进电机丝杆滑台（11）、第二步进电机丝杆滑台（12）、电极模块（13）、槽体（14）、采集卡（15）、主框架（16）、四个调理电路（19）、电极支架（23）、计算机；
其中，所述槽体（14）为中空结构，其内设置有温度传感器；所述第一步进电机丝杆滑台（11）横向安装在主框架（16）中间上部位置，第二步进电机丝杆滑台（12）竖直安装在第一步进电机丝杆滑台（11）的滑台上，第三步进电机丝杆滑台（4）纵向安装在主框架（16）底部中间位置；所述电极支架（23）安装在第二步进电机丝杆滑台（12）的滑台上，所述电极模块（13）安装在电极支架（23）上；所述槽体（14）安装在第三步进电机丝杆滑台（4）的滑台上，所述半导体制冷制热器（3）和水泵（9）均安装在槽体（14）下部；
所述步进电机驱动器（6）分别与第一步进电机丝杆滑台（11）、第二步进电机丝杆滑台（12）和第三步进电机丝杆滑台（4）的步进电机相连，用于驱动三条步进电机丝杆滑台工作；
所述调理电路（19）分别与电极模块（13）和采集卡（15）相连，采集卡（15）与计算机相连，计算机控制采集卡（15）向调理电路（19）输入激发信号，调理电路（19）向电极模块（13）施加激发检测信号，所述采集卡（15）实时采集调理电路（19）上检测回路的反馈信号；采集卡（15）将采集到的检测数据通过数据线传输给计算机；半导体制冷制热器（3）、步进电机驱动器（6）、水泵（9）、槽体（14）内的温度传感器均与单片机（7）相连；单片机（7）与计算机相连；开关电源（5）给各个部件供电；
所述电极模块（13）由第一工作电极（24）、辅助电极（25）、第二工作电极（26）、第三工作电极（27）、参比电极（28）和第四工作电极（29）组成；所述四根工作电极和辅助电极外部被铁氟龙材料包裹，仅头部平面漏出，电极基础材料为铜柱，电极头部平面分别镀有不同种类的贵金属材料；在铁氟龙材料包裹的外部，安装有参比电极（28）；
所述调理电路（19）包括电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R102、R103、R104，可变电阻Rt1、Rt2、Rt3、Rt4，极性电容C3、C4、C5，非极性电容C101、C102，运算放大器U1A、U1B、U1C、U1D、U2A；
其中，电阻R1一端和参比电极相连，另一端和运算放大器U1A的正向输入端相连；电阻R2一端和运算放大器U1A的反向输入端相连，另一端和运算放大器U1A的输出端相连后与可变电阻Rt1的一个固定端相连；可变电阻Rt1的滑动端和电阻R6的一端相连后与运算放大器U1C的反向输入端相连；
电阻R3的一端和采集卡（15）的激发信号输出端相连，另一端和运算放大器U1B的正向输入端相连；电阻R4一端和运算放大器U1B的反向输入端相连，另一端和运算放大器U1B的输出端相连后与可变电阻Rt2的一个固定端相连；可变电阻Rt2的滑动端和电阻R5的一端相连后与运算放大器U1C的正向输入端相连；电阻R5的另一端接地；
电阻R6的另一端、运算放大器U1C的输出端、极性电容C3的正极和极性电容C4的正极均与电阻R8的一端相连，电阻R8的另一端与运算放大器U1D的正向输入端相连；极性电容C3的负极和极性电容C4的负极均接地；
电阻R7一端接地，另一端与可变电阻Rt3的一个固定端相连后与运算放大器U1D的反向输入端相连，可变电阻Rt3的滑动端、极性电容C5的正极和运算放大器U1D的输出端相连后与一根工作电极相连；极性电容C5的负极接地；
电阻R104的一端接地，另一端分别与电阻R103的一端和辅助电极25相连；电阻R103的另一端和运算放大器U2A的正向输入端相连；电阻R102的一端接地，另一端同时和运算放大器U2A的反向输入端、非极性电容C101的一端、可变电阻Rt4的一个固定端相连；非极性电容C101的另一端、可变电阻Rt4的滑动端、运算放大器U2A的输出端以及非极性电容C102的一端相连后接采集卡（15）的一路信号采集口；非极性电容C102的另一端接地；
所述运算放大器U1A，U1B，U1C，U1D ，U2A的正电源端均接+5v电源，负电源端均接-5v电源。
2.根据权利要求1所述的用于饮料检测的自动电子舌设备，其特征在于：还包括第一护罩（1）、第二护罩（2）、OLED显示屏（8）、左面板（10）、键盘（17）、前面板（18）、后面板（20）、右面板（21）、上面板（22）；其中，所述左面板（10）安装在主框架（16）的左面、右面板（21）安装在主框架（16）的右面、上面板（22）安装在主框架（16）的上面、前面板（18）安装在主框架（16）的前面、后面板（20）安装在主框架（16）的后面；OLED显示屏（8）和键盘（17）均安装在前面板（18）上；第一护罩（1）安装在主框架（16）上部中间位置，第二护罩（2）安装在主框架（16）前部；OLED显示屏（8）和键盘（17）均与单片机（7）相连。
3.根据权利要求1-2任一项所述的用于饮料检测的自动电子舌设备，其特征在于，所述槽体（14）上开有若干个圆孔。
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