本发明涉及电子自动化测量系统及方法，特别涉及一种基于电参数的肉类新鲜度检测系统及检测方法。
背景技术：
0、技术背景
1、随着经济的发展和生活水平的提高，人们对肉类新鲜度检测的要求越来越高，对采用非破坏性的，可以实现自动化肉类新鲜度测量方法的需求也不断提升。现有的肉类新鲜度检测方法主要使用大体积的台式lcr检测仪，或使用多种传感器搭建检测电路，存在成本高，很难做成可嵌入式的小型检测设备的缺点，也不具备智能化、自动化测量的功能。
技术实现思路
1、发明目的：本发明的目的是为了提供一种自动化、智能化检测肉类新鲜度的基于电参数的肉类新鲜度检测系统及检测方法。
2、该方法以阻抗检测电路为基础，通过电极连接肉类形成待测对象，测量待测肉类的多个频率点下的阻抗和相位角，利用不同频率下，肉类的阻抗、相位角及环境温度与肉类新鲜度之间的模型关系，实现肉类新鲜度的状态检测与显示功能，同时阻抗检测电路将肉类新鲜度数据通过蓝牙通信的方式进行短距离的无线传输，可以应用于冷冻室中肉类的新鲜度检测。
3、技术方案：本发明一方面提供的所述的基于电参数的肉类新鲜度检测系统，包括：电源管理模块、激励信号产生模块、mcu、自平衡电桥电路、仪表放大电路、两级放大电路和温度传感器，
4、所述电源管理模块负责给系统提供电源；所述激励信号产生模块用于给待测肉类提供电信号激励，从而在待测肉类两端产生电阻抗；所述mcu用于完成电压参数的采集和运算；所述自平衡电桥电路的作用是使通过待测肉类和内阻的电流值相同，电流通过待测肉类和内阻时会产生电压，通过测量电压值完成后续阻抗的计算；所述仪表放大电路用于获取待测肉类和内阻两端的电压值；所述两级放大电路用于将待测肉类和内阻两端的电压信号放大，并输入到mcu中；所述温度传感器用于检测环境的温度值。
5、进一步地，所述电源管理模块，采用dc-dc转换模块结合ldo模块的方式，从12伏输入电源中得到正负5伏和3.3伏电源。dc-dc转换模块采用的是tps5430，ldo模块采用的有78m05，79m05以及xc6206。所述电源管理模块通过接线端子获得12伏电压，然后通过u01，模块tps5430获得8伏电压，通过u02模块tps5430获得负8伏电压，正8伏电压通过78m05模块u03生成正5伏电压，负8伏电压通过79m05模块u04生成负5伏电压，正5伏电压通过xc6206模块u05，获得正3.3伏电压。
6、进一步地，激励信号产生模块，信号由微控制器内置的dac模块生成，信号为正弦波，该正弦波通过一个无源低通滤波器和一个有源低通滤波器电路后，得到激励信号。激励信号产生模块由微控制器、电阻、电容和运放构成，产生频率可调的正弦波，电阻r11、r12、r13、r14、r15，电容c11、c12、c13、c14、c15以及三极管d11、d12、d13构成一个二阶可调低通滤波器，运放和电阻r16、r17，电容c16、c17构成一阶有源低通滤波器，微控制器内置dac模块生成正弦波，通过上述二阶可调低通滤波器、一阶有源低通滤波器，生成正弦波。
7、进一步地，mcu电路，由mcu芯片、晶振电路、滤波电容、下载调试接口以及复位电路组成。晶振电路用于给mcu提供时钟，滤波电容用于滤除电源的杂波，下载调试接口用于mcu的程序下载以及调试功能，复位电路用于mcu的系统复位。
8、通过串口通信协议控制蓝牙模块将微控制器计算得到的各数据发送到手机app上，其中tx口用来发送数据，rx口用来接收数据；同时微控制器通过spi协议控制oled模块显示测量结果，其中cs为片选信号，mosi为微控制器向oled显示器发送数据端口，sck为时钟信号端口，微控制器通过iic协议读取温度传感器，获取当前的温度值，其中scl为时钟信号，sda为数据信号。
9、进一步地，仪表放大电路，由三个运放及电阻构成，用于实现减法器的功能，在待测肉类和内阻两端分别设有一个仪表放大电路，从而可以获取待测肉类和内阻两端的电压值。
10、进一步地，两级放大电路，一个两级放大电路由2个运放、2个模拟开关以及电阻组成，两个运放分别构成电压放大电路，通过串联的方式进行连接，模拟开关用于选择接入的电阻值，从而控制放大的倍数。
11、进一步地，oled显示电路，oled模块与mcu通过spi协议进行连接，用于显示mcu计算得到的数据包括待测肉类的阻抗值以及新鲜度级别。
12、进一步地，蓝牙传输电路，蓝牙模块与mcu通过串口通信协议进行连接，将mcu获取的数据包括待测肉类的阻抗值以及新鲜度级别发送到手机app中。
13、本发明另一方面提供的所述的基于电参数的肉类新鲜度的检测方法，包括如下步骤：
14、(1)电源管理模块
15、输入直流电源的电压为12伏，通过两个dc-dc转换模块分别得到正8伏和负8伏的电压，正8伏负8伏的电压再通过ldo模块分别产生电压为正5伏和负5伏的供电电源，正5伏电源再通过ldo模块生成3.3伏电源。
16、(2)激励信号产生
17、mcu通过内置dac在定时器中断控制下，生成频率可调的正弦波，该正弦波通过二阶可调低通滤波和一个一阶有源低通滤波器形成激励信号。
18、(3)通过电桥获得待测肉类的阻抗与相位角
19、将肉类与电极相连形成待测肉类，待测肉类与内阻串联，构成自平衡电桥电路，(2)中所述的激励信号，首先设置频率为100hz，激励信号通过该自平衡电桥电路，在待测肉类两侧、内阻两侧分别产生电压差，其中共设有6个内阻，通过模拟开关选择内阻接入电路，通过2个仪表放大器分别获得待测肉类两侧和内阻两侧的电压差值，两个电压经过两级放大电路的放大后，进入mcu内置的两个adc，mcu再对adc模块获得的电压信号进行快速傅里叶变换，获取电压，然后通过内阻自动选择算法和放大倍数自动选择算法，得到肉类两侧电压的幅值和相位。内阻自动选择算法如公式(1)。
20、
21、其中，rr是内阻值，rc是当前测量得到的电阻，单位均为欧姆。两级放大电路中，第一级放大倍数自动选择算法如公式(2)。
22、
23、其中av是选择的放大倍数，vm是当前测得的电压值，第二级放大电路的放大倍数只有1和10两种，当前内阻为5.1欧姆时，选择10倍放大，其他内阻下选择1倍放大。
24、由于内阻的阻值、两侧电压的幅值和相位都是己知的，流过内阻和待测肉类的电流相同，通过欧姆定律可以获得待测肉类两侧阻抗和相位角值，接下来将频率设置为1khz，10khz和100khz，分别测量这些频率点下，待测肉类的阻抗值和相位角值，不同频率下的阻抗值分别为z100，z1k，z10k，z100k，相位角分别为θ100，θ1k，θ10k，θ100k，实部值分别是re100＝|z100|*|cos(θ100)|，re1k＝|z1k|*|cos(θ1k)|，re10k＝|z10k|*|cos(θ10k)|，re100k＝|z100k|*|cos(θ100k)|，虚部值分别为im100＝|z100|*|sin(θ100)|，im1k＝|z1k|*|sin(θ1k)|，im10k＝|z10k|*|sin(θ10k)|，im100k＝|z100k|*|sin(θ100k)|；
25、(4)通过温度传感器获得环境温度：
26、mcu通过spi协议控制温度传感器，获得环境温度t；
27、(5)计算肉类新鲜度
28、根据数学模型如公式(3)。
29、
30、计算得到新鲜度，x为新鲜度值，t为温度，a、b的取值范围是[0，1]，也就是大于等于0且小于等于1；c11、c12、c21、c22、d11、d12、d21、d22、e11、e12、e21、e22、fi1、f12、f21、f22为的取值范围为[-1，1]，也就是大于等于-1且小于等于1，n为正整数。新鲜度共有4个挡位，通过三个阈值来划分，分别是x0、x1、和x2，当x＜x0、x0＜x＜x1、x1＜x＜x2、和x＞x3时，分别表示不同的新鲜度。
31、进一步地，dc-dc转换模块为tps5430，用于生成正8伏和负8负的电源，ldo模块包括78m05、79m05和xc6206模块，其中78m05用于将正8伏电压转换为正5伏电压，79m05用于将负8伏电压转换为伏5伏电压，xc6206用于将正5伏电压转换为正3.3伏电压，3.3伏电源为微控制器供电，正5伏和负5伏电压用于运放和模拟开关的供电。
32、进一步地，检测中的低通滤波电路，由1个运放、7个电阻、7个电容和3个三极管构成，电阻取值包括2个2k欧姆，4个5.1k欧姆，1个30k欧电阻，电容包括4个1纳法、1个10纳法、1个100纳法和1个10微法。
33、进一步地，检测方法中的内阻选择电路，由两个ch4051模拟开关和6个电阻组成，电阻的阻值分别为5.1欧姆、10欧姆、100欧姆、1k欧姆、10k欧姆和100k欧姆，所述两级放大电路由2个tp2271运放、2个cd4052模拟开关、1个cd4053模拟开关和电阻、电容组成。
34、进一步地，构建的肉类新鲜度数学模型与环境温度、5个频率下，待测肉类的阻抗值、相位角由测量的数据的拟合获得，常数参数存储在微控制器的数组中，微控制器获得待测肉类的阻抗、相位角和环境温度后，通过数学模型计算得到新鲜度值，根据设定阈值实现肉类新鲜度分类。
35、本发明相对于现有技术的优势在于：
36、本发明具有小型化、智能化的特点，以微控制器为核心设计小型的检测电路系统，将多个频率点下的肉类阻抗、相位角与温度、肉类新鲜度进行建模，建立肉类新鲜度检测算法，能够自动测量肉类的新鲜度，满足冰箱、冷冻室等嵌入式场景的肉类新鲜度检测的需求。使用本发明方法，为肉类新鲜度检测提供了一种有效的途径，同时提升了检测设备小型化、自动化，满足了对肉类新鲜度实时监控的要求。
1.一种基于电参数的肉类新鲜度检测系统，其特征在于，该系统包括电源管理模块、激励信号产生模块、微控制器mcu、自平衡电桥电路、仪表放大电路、两级放大电路和温度传感器，
2.根据权利要求1所述的基于电参数的肉类新鲜度检测系统，其特征在于，所述电源管理模块采用直流-直流dc-dc转换模块结合低压线性稳压芯片ldo模块的方式，从12伏输入电源中得到正负5伏和3.3伏电源。
3.根据权利要求1所述的基于电参数的肉类新鲜度检测系统，其特征在于，所述激励信号产生模块信号由mcu内置的数模转换模块dac生成，信号为正弦波，该正弦波通过一个无源低通滤波器和一个有源低通滤波器电路后，得到激励信号。
4.根据权利要求1所述的基于电参数的肉类新鲜度检测系统，其特征在于，mcu电路由mcu芯片、晶振电路、滤波电容、下载调试接口以及复位电路组成，所述晶振电路用于给mcu提供时钟，滤波电容用于滤除电源的杂波，下载调试接口用于mcu的程序下载以及调试功能，复位电路用于mcu的系统复位。
5.根据权利要求1所述的基于电参数的肉类新鲜度检测系统，其特征在于，所述自平衡电桥电路是将肉类与电极相连形成待测肉类，待测肉类与内阻串联，构成自平衡电桥电路。
6.根据权利要求1所述的基于电参数的肉类新鲜度检测系统，其特征在于，所述仪表放大电路用于获取内阻以及待测肉类两端的电压值；两级放大电路用于放大电压信号。
7.根据权利要求1-6任一项所述的基于电参数的肉类新鲜度检测系统的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
8.根据权利要求7所述的基于电参数的肉类新鲜度检测系统，其特征在于，步骤(1)中，所述dc-dc转换模块为tps5430，用于生成正8伏和负8伏的电源，ldo模块包括78m05、79m05和xc6206模块，其中78m05用于将正8伏电压转换为正5伏电压，79m05用于将负8伏电压转换为伏5伏电压，xc6206用于将正5伏电压转换为正3.3伏电压，3.3伏电源为微控制器供电，正5伏和负5伏电压用于运放和模拟开关的供电。
9.根据权利要求7所述的基于电参数的肉类新鲜度检测系统，其特征在于，步骤(2)中，所述低通滤波电路，由1个运放、7个电阻、7个电容和3个三极管构成，优选地，电阻包括2个2k欧姆、4个5.1k欧姆、1个30k欧电阻，电容包括4个1纳法、1个10纳法、1个100纳法和1个10微法。
10.根据权利要求7所述的基于电参数的肉类新鲜度检测系统，其特征在于，步骤(3)中，内阻选择电路，由两个ch4051模拟开关和6个电阻组成，优选地，电阻的阻值分别为5.1欧姆、10欧姆、100欧姆、1k欧姆、10k欧姆和100k欧姆，所述两级放大电路由2个tp2271运放、2个cd4052模拟开关、1个cd4053模拟开关和电阻、电容组成；或，所述步骤(5)中，肉类新鲜度数学模型与环境温度、5个频率下，待测肉类的阻抗值、相位角有关，由测量的数据的拟合获得，所述常数参数存储在微控制器的数组中，微控制器获得待测肉类的阻抗、相位角和环境温度后，通过数学模型计算得到新鲜度值，根据设定阈值实现肉类新鲜度分类。
