專利名稱：自定語音提示的便攜式食品酸性檢測儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
自定語音提示的便攜式食品酸性檢測儀屬于日常生活領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
從生物學(xué)角度可以知道，富含豐富的蛋白質(zhì)、脂肪和碳水化合物的食品，無論其是新鮮的還是變質(zhì)的，都具有一定的弱酸特性。當(dāng)食品產(chǎn)生腐敗變質(zhì)時，其中富含的脂肪的變質(zhì)主要是酸敗。而其中富含的碳水化合物的酸變通常稱為酸發(fā)酵和酵解。這些變質(zhì)過程的主要結(jié)果就是酸性增強(qiáng)，如果食品腐敗的越嚴(yán)重，則酸性越強(qiáng)。因此測定食品的酸性程度可作為一般食品腐敗變質(zhì)的主要指標(biāo)。尤其是對于富含蛋白質(zhì)、脂肪和碳水化合物的肉質(zhì)類食品以及大量含糖類食品。其酸性程度幾乎就對應(yīng)著其新鮮程度。如肉質(zhì)類食品，一般情況下，其酸性PH值在5.5～6.7之間，但是一旦產(chǎn)生腐敗變質(zhì)后，其PH值遠(yuǎn)小于5。
目前，這些食品的檢測工作主要由國家工商部門采用專門的大型儀器，利用化學(xué)分析的方法來完成，專業(yè)檢測機(jī)構(gòu)主要采用的技術(shù)有電子鼻技術(shù)、表面熒光法、固相酶反應(yīng)器和NSPEs電極檢測以及專用PH儀表檢測等。但是基于這些技術(shù)的儀器有很多缺點(diǎn)a.絕大多數(shù)儀器構(gòu)造比較復(fù)雜、體積比較大、不利于攜帶。只能在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行檢驗(yàn)。同時測試的環(huán)境也對它們具有一定的影響。
b.pH儀表價格昂貴，但使用的時候需要化學(xué)緩沖溶液校準(zhǔn)。大多數(shù)的pH值探測器都是敏感溫度和需要適當(dāng)調(diào)整的。pH紙雖然便于攜帶、又便宜、但信賴度卻是最小的。而且pH測試紙的準(zhǔn)確程度也許因制造商的不同而不同。且其只能對溶液類的食品進(jìn)行測量，具有很大的局限性。
c.雖然這些檢測的結(jié)果非常精確，但是對于一般的消費(fèi)者來說，很多檢測的結(jié)果是不需要的，造成了一定的資源浪費(fèi)。
d.這些特殊用途的檢測儀器價格非常昂貴，同時使用者還必須具有一定的專業(yè)知識等等。
這些都是普通的消費(fèi)者一般都不具有專門檢測食品質(zhì)量好壞的儀器的原因。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型利用原電池的工作原理設(shè)計(jì)了一個易于攜帶、操作簡單并且能夠按照自己設(shè)定的語音給出提示音的食品酸性檢測儀。由于這些食品都具有一定的酸性，所以這類食品可以作為一種電解質(zhì)，再設(shè)計(jì)兩個探頭作為原電池的電極，當(dāng)把探頭插進(jìn)食品中的時候，由于食品的弱酸性，兩極間便產(chǎn)生電動勢，當(dāng)其產(chǎn)生腐敗、變質(zhì)的時候，電解質(zhì)酸性增強(qiáng)，相應(yīng)的原電池產(chǎn)生的電流便會增強(qiáng)，腐敗的越嚴(yán)重，酸性越強(qiáng)，產(chǎn)生的電流也越高。再通過電流一電壓轉(zhuǎn)換電路，通過區(qū)別電壓的大小，再轉(zhuǎn)向?qū)?yīng)的已經(jīng)編制好的語音信息，從而實(shí)現(xiàn)對食品酸性或者新鮮度的檢測。
本實(shí)用新型由三部分組成電源部分、信號處理電路以及語音錄放電路；其中電源部分的電池負(fù)極接地，正極連接在開關(guān)的一端，開關(guān)的另一端和用于穩(wěn)定整個電路工作電壓的三端穩(wěn)壓器IC1的輸入端相連接，IC1的輸出端并聯(lián)用于濾除其輸出電流中的高頻雜波的電容后，為整個系統(tǒng)提供工作電源；信號處理電路中，用于檢測食品酸性的兩個電極安裝在絕緣體上，負(fù)極接地，在兩電極之間接采樣變阻器RP1，該變阻器的中間輸出端接到運(yùn)算放大器IC2的正輸入端，IC2的負(fù)輸入端接電阻構(gòu)成放大電路，該電阻另一端接到該運(yùn)算放大器的輸出端；運(yùn)算放大器IC2的輸出端接到與之相匹配的、用于電壓跟隨的運(yùn)算放大器IC3的正輸入端，IC3的負(fù)輸入端和IC3輸出端相連；IC3的輸出端再接采樣變阻器RP3一端，RP3另一端接地，RP3的中間輸出端與電平指示集成芯片IC4相連接；IC4外部接其正常工作所必須的電阻和電容，電平指示集成芯片IC4的輸出端和語音錄放電路中單片機(jī)的輸入輸出口相連接；語音錄放電路包括由單片機(jī)通過地址鎖存器和語音芯片相連接構(gòu)成的電路，該單片機(jī)的外圍器件采用常規(guī)接到單片機(jī)上，語音芯片的外圍器件也采用常規(guī)的連接方式連接到語音芯片上。
放大電路中，運(yùn)算放大器IC2的負(fù)輸入端并聯(lián)兩個電阻R1、R2，同時將R1的另一端接地，電阻R2的另一端再并聯(lián)電阻R3和變阻器RP2，RP2的中間端和另一端接地，而R3的另一端則接到運(yùn)算放大器IC2的輸出端。
放大電路中所用電阻選擇溫度特性及頻率特性均較好的低噪聲高精度金屬膜電阻。


圖1電源及信號處理電路圖2語音錄放電路圖具體實(shí)施方式
的電源及信號處理電路圖具體實(shí)施方式
的語音錄放電路具體實(shí)施方式
具體實(shí)施方式
的電源及信號處理電路如圖3，圖中的探頭是由銅(Cu)和鋁(Al)做成的兩根金屬棒。這里分別取直徑約為6mm、長約10cm且一端已經(jīng)磨尖的銅棒和鋁棒作為正、負(fù)極，二者以約2cm的距離平行固定在一個絕緣體上，Rp1是0～100MΩ的變阻器，IC2為一只采用8腳TO-99金屬殼形式封裝的集成低功耗的運(yùn)算放大器OPA128，由于本設(shè)計(jì)中，利用原電池原理檢測所產(chǎn)生的電流一般都是以微安(uA)甚至于皮安(pA)和納安(nA)來計(jì)量，同時，由于測得的信號微弱且極易受到環(huán)境因素的干擾，甚至被淹沒在背景噪聲中。因此，要將測得的微電流轉(zhuǎn)換成電壓，并能不受環(huán)境的影響，一般處于μA～mA級的運(yùn)算放大器顯然難以滿足本設(shè)計(jì)的要求。而電流-電壓變換器電路的最基本要求就是開環(huán)輸入電阻要高，特別當(dāng)電流低到pA級時，運(yùn)算放大器的輸入偏置電流應(yīng)遠(yuǎn)小于被測電流，因此pA級電流測量用運(yùn)算放大器均采用場效應(yīng)管作為輸入級的運(yùn)算放大器。以上種種必然對運(yùn)算放大器的性能及參數(shù)提出更高要求，這也是本設(shè)計(jì)采用原電池工作原理實(shí)現(xiàn)檢測的關(guān)鍵。而運(yùn)放OPA128的性能參數(shù)輸入偏置電流＜±75fA；輸入失調(diào)電壓＜±500uV；輸入失調(diào)漂移＜5uV/C；差模輸入阻抗1013∥1pF；共模輸入阻抗1015∥2pF；開環(huán)電壓增益＞110dB；正好能完全滿足本設(shè)計(jì)的特殊要求。故選用OPA128運(yùn)算放大器。
IC2、R1、R2、R3以及RP2的作用是將探頭兩極間測試到的微弱電信號放大，由于Rf過大會使放大器的響應(yīng)時間增長，影響快速變化電流信號的測量。同時，電路中的寄生電容及噪聲也將影響測量的精度和穩(wěn)定性，甚至引起電路產(chǎn)生自激振蕩。所以為了要得到合理的放大倍數(shù)，設(shè)計(jì)如圖所示的由R1、R2、R3、RP2所組成的放大電路。圖中所示的放大倍數(shù)為Vout=(1+R2R1)(1+R3Rp2)Vin,]]>只要稍微調(diào)動RP2，便可以獲得較大的放大倍數(shù)。此外，由于輸入信號具有很高阻抗，因而需要采取如圖中所示的屏蔽措施，屏蔽隔離環(huán)將完全環(huán)繞運(yùn)放的輸入端②和高阻抗的輸入引線端③，再經(jīng)管腳⑧與器件的管殼短接在一起，使放大器自身完全被屏蔽保護(hù)電位所包圍，以盡可能減小噪聲干擾。同時，電路中所用電阻應(yīng)選擇溫度特性及頻率特性均較好的低噪聲高精度金屬膜電阻。因?yàn)闉V波和相位校正引入的電容也會不可避免地帶來噪聲，因此應(yīng)盡量選擇低噪聲電容，如云母或瓷片電容及漏電小的鉭電容，同時各元件之間的參數(shù)需注意匹配。
IC3的功能是以其高的輸入阻抗和低的輸出阻抗使得器件IC2和器件IC4的阻抗得以相匹配。為了保證電路的匹配性能，仍采用OPA128運(yùn)算放大器。RP3作用是防止輸入電壓過大損壞器件IC4。IC4是5點(diǎn)LED電平指示的集成芯片YD2284，它隨著輸入電壓的不斷升高，其輸出端①、②、③、④、⑥腳依次變?yōu)榈碗娖?，如果將其按照①、②、③、④、⑥順序?dāng)作一組數(shù)據(jù)來處理的時候則可以看成 YD2284輸出口數(shù)據(jù)隨輸入電壓增高變化示意如果將被檢測的食品酸性或新鮮度分為五個檔次(0～2.0)-(2.0～3.0)-(3.0～4.0)-(4.0～5.0)-(5.0～6.0)非常新鮮——新鮮——普通——變質(zhì)——嚴(yán)重變質(zhì)則其正好對應(yīng)YD2248的五個不同輸出。再將數(shù)據(jù)再送入單片機(jī)進(jìn)行檢測，便可以知道對應(yīng)的酸性或者新鮮度的大小，然后通過自動尋址去進(jìn)行下一步語音播放操作。
整個電路的電源由15V電池提供，器件IC1是三端正穩(wěn)壓器件LM7812，該器件內(nèi)部含有過流、過熱和過載保護(hù)電路，輸出電流最大可以達(dá)到1A。完全滿足整個系統(tǒng)對電源的需求。不使用時，將鍵K斷開即可以斷開整個電源的連接，起到節(jié)省電能的目的。
具體實(shí)施方式
的語音錄放電路如圖4所示器件IC5是單片機(jī)AT89C51，該器件內(nèi)部含有4K程序存儲器，不需要外接程序存儲器。這里選擇作為主控制器。將YD2248的輸出信號與IC5的P1.1～P1.5相連接。IC6為8D地址鎖存器74HC573。IC7可以為ISD2500系列語音芯片的任何一種，它是一種永久記憶型語音錄放電路，錄音時間據(jù)型號不同分60、90、120s，可重復(fù)錄放10萬次。該芯片采用多電平直接模擬量存儲專利技術(shù)，每個采樣值可直接存儲在片內(nèi)單個EEPROM單元中，因此能夠非常真實(shí)、自然地再現(xiàn)語音、音樂、音調(diào)，從而避免了一般固體錄音電路因量化和壓縮造成的量化噪聲和“金屬聲”。此外，它還省去了A/D和D/A轉(zhuǎn)換器。其集成度較高，內(nèi)部包括前置放大器、內(nèi)部時鐘、定時器、采樣時鐘、濾波器、自動增益控制、邏輯控制、模擬收發(fā)器、解碼器和480k字節(jié)的EEPROM。而且ISD2500系列還具備微控制器所需的控制接口。通過操縱地址和控制線可完成不同的任務(wù)，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的信息處理功能，同時最方便的是還可以直接驅(qū)動小喇叭。結(jié)合要實(shí)現(xiàn)的自定義語音提示功能，可見ISD2500系列語音芯片是實(shí)現(xiàn)所需功能的最佳選擇。
具體實(shí)施中選擇的是ISD2560芯片。單片機(jī)IC5的PO口通過鎖存器與ISD2560的地址線相連，P2.1、P2.2直接和A8、A9相連。用以設(shè)置語音段的起始地址。P2.3～P2.6用以控制錄放音狀態(tài)。P3.7口擴(kuò)展一個錄音鍵。當(dāng)錄音時，按下該鍵，單片機(jī)通過口線設(shè)置語音段的起始地址，再使PD端、P/R端和CE端為低電平啟動錄音；結(jié)束時，松開按鍵，單片機(jī)又讓CE端回到高電平，即完成一段語音的錄制。同樣的方法可錄取第二段、第三段等等。ISD2560內(nèi)部EEPROM存儲單元均勻分為600行，有600個地址單元，每個地址單元指向其中一行，每一個地址單元的地址分辨率為100ms。由此，我們可以設(shè)計(jì)5段錄音分別對應(yīng)YD2248的5個輸出不同電壓值。其中每段時間最多可以錄入12秒語音(最后一段達(dá)不到12秒)。按照這樣的設(shè)計(jì)，消費(fèi)者便可以隨意錄入5段自己想設(shè)置的任意語音。
當(dāng)開始檢測的時候，隨著食品酸性或者腐敗程度的加深，器件IC4輸出端①、②、③、④、⑥腳依次變?yōu)榈碗娖?，所以相連接的P1.1～P1.5口也會依次變?yōu)榈碗娖?，通過檢測P1.1～P1.5口的狀態(tài)(初始的時候都設(shè)置為高電平)，便可以知道知道食品酸性或者腐敗程度信號，同時根據(jù)編好的程序去選擇已經(jīng)錄好的相應(yīng)的語音程序進(jìn)行播放，方便的提示使用者，而且這些語言的含義也只有使用者自己才明白。極大的保護(hù)使用者的權(quán)利。
最后，本設(shè)計(jì)電路所用元器件均可以采用貼片形式的封裝，所以很容易設(shè)計(jì)成一個非常小的電路塊，便于攜帶。同時操作簡單、總體制作成本也比較低、應(yīng)用范圍廣。這些都是一般的專業(yè)檢測產(chǎn)品所不能比擬的。
權(quán)利要求1.自定語音提示的便攜式食品酸性檢測儀，其特征在于，它由三部分組成電源部分、信號處理電路以及語音錄放電路；其中電源部分的電池負(fù)極接地，正極連接在開關(guān)的一端，開關(guān)的另一端和用于穩(wěn)定整個電路工作電壓的三端穩(wěn)壓器IC1的輸入端相連接，IC1的輸出端并聯(lián)用于濾除其輸出電流中的高頻雜波的電容后，為整個系統(tǒng)提供工作電源；信號處理電路中，用于檢測食品酸性的兩個電極安裝在絕緣體上，負(fù)極接地，在兩電極之間接采樣變阻器RP1，該變阻器的中間輸出端接到運(yùn)算放大器IC2的正輸入端，IC2的負(fù)輸入端接電阻構(gòu)成放大電路，該電阻另一端接到該運(yùn)算放大器的輸出端；運(yùn)算放大器IC2的輸出端接到與之相匹配的、用于電壓跟隨的運(yùn)算放大器IC3的正輸入端，IC3的負(fù)輸入端和IC3輸出端相連；IC3的輸出端再接采樣變阻器RP3一端，RP3另一端接地，RP3的中間輸出端與電平指示集成芯片IC4相連接；IC4外部接其正常工作所必須的電阻和電容，電平指示集成芯片IC4的輸出端和語音錄放電路中單片機(jī)的輸入輸出口相連接；語音錄放電路包括由單片機(jī)通過地址鎖存器和語音芯片相連接構(gòu)成的電路，該單片機(jī)的外圍器件采用常規(guī)連接方法連接到單片機(jī)上，語音芯片的外圍器件也采用常規(guī)的連接方式連接到語音芯片上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自定語音提示的便攜式食品酸性檢測儀，其中放大電路中的運(yùn)算放大器IC2的負(fù)輸入端并聯(lián)兩個電阻R1、R2，同時將R1的另一端接地，電阻R2的另一端再并聯(lián)電阻R3和變阻器RP2，RP2的中間端和另一端接地，而R3的另一端則接到運(yùn)算放大器IC2的輸出端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的自定語音提示的便攜式食品酸性檢測儀，其中放大電路中所用電阻選擇溫度特性及頻率特性均較好的低噪聲高精度金屬膜電阻。
專利摘要自定語音提示的便攜式食品酸性檢測儀屬日常生活領(lǐng)域。檢測儀包括三部分電源部分、信號處理電路及語音錄放電路；電源部分電池連接開關(guān)，和三端穩(wěn)壓器IC1相連接，IC1并聯(lián)電容；信號處理電路中，兩電極連接絕緣體，負(fù)極接地，之間接采樣變阻器RP1，RP1中間輸出端接到運(yùn)算放大器IC2的正輸入端，IC2接電阻構(gòu)成放大電路；運(yùn)算放大器IC2的輸出端接運(yùn)算放大器IC3的正輸入端，IC3的負(fù)輸入端和IC3輸出端相連；IC3的輸出端接采樣變阻器RP3一端，RP3的中間輸出端與電平指示集成芯片IC4相連接；IC4輸出端和語音錄放電路中單片機(jī)的相連接；語音錄放電路包括由單片機(jī)通過地址鎖存器和語音芯片相連接構(gòu)成的電路。本實(shí)用新型易于攜帶、操作簡單并能夠按設(shè)定的語音給出酸性提示。
文檔編號G01N27/26GK2758764SQ20042011888
公開日2006年2月15日 申請日期2004年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月30日
發(fā)明者李建國 申請人:北京工業(yè)大學(xué)