1、1湖北大学生电子设计竞赛 ALTERA 杯SOPC 专题竞赛设计报告题 目：基于 SOPC 的地沟油检测系统学 校：湖北民族学院2012 年 10 月 19 日2SOPC 大赛设计原创性说明本小组郑重声明：所提交的设计报告，是本小组成员在指导老师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容外，本设计报告不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本设计报告研究作出过重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本小组完全意识到本声明的法律后果由本小组承担。设计报告作者签名： 2012 年 10 月 10 日3目 录第一章 研究背景及基本检测原理 .61.1 研究背景
2、 .61.2 现行的地沟油检测方法 .61.2.1 重金属检测法 .61.2.2 脂肪酸组成检测法 .71.2.3 胆固醇含量检测法 .71.2.4 薄层色谱法 .71.2.5 荧光测试法 .71.2.6 电导率检测法 .81.3 基本检测原理 .81.3.1 食用油与地沟油的电导率 .8第二章 系统设计方案及整体架构 .102.1 电导率检测方案 .102.1.1 相关检测技术 .102.1.2 锁定放大器 .112.1.3 电导率信号转换方案 .132.2 信号源设计方案 .142.3 中央处理部分设计方案 .142.4 显示及输入设计方案 .152.4.1 电阻式触摸屏 .152.4.2
3、 电容式触摸屏 .152.5 系统总体设计方案 .162.5.1 系统整体设计方案框图 .162.5.2 系统工作流程 .162.5.3 系统功能与指标 .17第三章 地沟油检 测系统的总体硬件架构 .183.1 系统硬件组成框图 .183.2 系统硬件结构 .193.2.1 检测电极部分 .193.2.2 信号源部分 .203.2.3 正交矢量型锁定放大器 .213.2.4 CPU 及外设接口 .233.3 系统占用资源情况 .24第四章 地沟油检测系统的软件架构及实现 .254.1 系统软件流程图 .254.2 软件各部分分析 .254.2.1 电导率值计算 .254.2.2 判断地沟油
4、.264.2.3 显示报警 .26第五章 系统测试方案及结果 .275.1 电导率传感器检测校准方案 .275.2 油脂萃取液水相电导率 的测试 .28第六章系统改进方案及其工作的总结、展望 .3346.1 检测电极的非接触式化 .336.2 多传感器多参数检测 .336.3 应用功能扩展 .336.4 工作总结 .34参考文献 .35附录： .365摘要：设计了一种基于 SOPC 的地沟油检测系统。该系统以 DE2 开发平台为集成环境搭建以 Nios II CPU 为核心的数字信号处理系统，外加电极检测模块构成的电导率传感器。通过检测油脂的萃取液水相电导率，判断其是否大于10.0S/cm，如
5、果其大于 10.0S/cm 则被测液为地沟油，否则为非地沟油。本系统以正交矢量锁定放大器为检测信号的核心，以数字化的系统检测微弱信号，通过检测电导率实现地沟油的快速定性检测，并通过触控屏输出检测结果。借助于 Altera 公司的 Cyclone II 2C35 型 FPGA 芯片丰富的片上资源，将本系统的信号处理部分完全数字化，使系统微型化、集成化，便于检测人员操作与携带。本系统可利用微弱信号检测部分进行功能扩展，提高本系统的应用范围。经过实验检测，本系统可在室温环境下对地沟油进行快速准确的判定，达到了预期的功能，且性能稳定。Abstract: A waste oil detection sy
6、stem is designed based on SOPC technology. The system is a digital signal processing system with a conductivity sensor made of The external electrode module that centers on Nios II CPU, and it is built on DE2 development platform. The system detects waste oil by detecting water phase conductivity of
7、 grease extraction liquid. If the water phase conductivity is larger than 10.0S/cm, so the grease is waste oil or it not. This system to orthogonal vector lock-in amplifier is the core of the signal detection, using the digital system detect weak signal. It realizes the rapid qualitative detection f
8、or waste oil by detecting the conductivity, and outputing test results on touch screen. The digital of This system signal processing part owes to the Cyclone II 2C35 FPGA chip from Altera company. Miniaturization and integration of this system makes it easy for user using and carrying. This system c
9、an be extended on function by the Part of weak signal detection, that can improve the application of this system. Through experimental detection, this system can detect waste oil quickly and accurately in Room temperature environment, it achieved the desired function, and it is Stable performance. 第
10、一章 研究背景及基本检测原理1.1 研究背景近几年我国的食品安全问题愈来愈突出。从苏丹红到三聚氰胺再到地沟油，食品安全问题愈演愈烈。特别是地沟油问题，近来影响十分严重，为全民所关注。地沟油，泛指在生活中存在的各类劣质油，如回收的食用油、反复使用的炸油等。地沟油可分为三类：一、是狭义的地沟油，即将下水道中的油腻漂浮物或者将宾馆、酒楼的剩饭、剩菜（通称泔水）经过简单加工、提炼出的油；二、是劣质猪肉、猪内脏、猪皮加工以及提炼后产出的油；三、是用于油炸食品的油使用次数超过一定次数后，再被重复使用或往其中添加一些新油后重新使用的油。“地沟油”是质量极差、极不卫生，过氧化值、酸价、水分严重超标的非食用油。
11、它含有毒素，流向江河会造成水体营养化，一旦食用，则会破坏白血球和消化道黏膜，引起食物中毒，甚至致癌。 “过菜油”之一的炸货油在高温状态下长期反复使用，与空气中的氧接触，发生水解、氧化、聚合等复杂反应，致使油黏度增加，色泽加深，过氧化值升高，并产生一些挥发物及醛、酮、内酯等有刺激性气味的物质，这些物质具有致癌作用。 “泔水油”中的主要危害物 黄曲霉素的毒性则是砒霜的 100 倍。所以“地沟油”是严禁用于食用油领域的。地沟油的化学成分 1 :二甲胺（C2H7N） ，D甘油酯（C3H6O4） ，乙苯（C8H10） ，对二甲苯（C8H10） ，间二甲苯（C8H10） ，甲基乙苯（C9H12） ，二甲基
12、十一烷（C13H28） ，以及大量的 Fe、Pb、Cr、Zn、Mn 元素，其中 Pb、Cr 含量明显超出有关卫生标准。1.2 现行的地沟油检测方法由于地沟油所呈现的特殊的理化性，国内为已有多种检测方法。根据所查资料 2了解有以下方法。1.2.1 重金属检测法重金属含量超标是地沟油主要特征之一。在地沟油回收及加工过程中因受到污染，或接触金属器皿后引入重金属，因此，重金属有可能成为地沟油特征化学成分。王乐 3等对经脱色处理地沟油样品与市售菜籽油、花生油、花生调和油中 15 种重金属元素进行测定，元素 Fe、Pb、Cr、Zn、Mn 在地沟油中含量7很高，其中 Pb、Cr 含量明显超出粮油类食品限量卫
13、生标准。郭岚 4 等发现散装精炼菜籽油较散装菜籽油中金属元素含量明显降低，说明经精炼后可能会将这些金属元素较好除去，因此该法对检测添加经一定处理（如碱炼和添加还原剂降低酸价、过氧化值及脱色处理）地沟油的食用油非常合适。1.2.2 脂肪酸组成检测法地沟油常由多种油脂混合而成，成分复杂，具有多种油脂脂肪酸图谱特征，而单一食用油脂都具特定特征图谱，所以通过对脂肪酸组成进行分析，也可作为鉴别地沟油指标之一。许斌 5等采用 GC 法对广州市不同食品量化分级餐饮单位烹调用油进行分析，结果显示，92.6% 以上单位绝大部分油品都含有棕榈油、动物油或混合油种类。全常春 6等应用 GC/MS 对精炼后地沟油进行
14、检测，发现大量 C9 C14 烷烃（说明该地沟油已被矿物油污染或不法分子掺兑） ，并检测到油脂氧化变质二级物质己醛。王乐 7利用核磁共振对餐饮废油中地沟油、泔水油及三种食用油在 10和 0下测定固体脂肪指数（SFC 值） ，结果表明，地沟油和泔水油 SFC 值远大于食用油。1.2.3 胆固醇含量检测法地沟油通常为多种动、植物油脂混合物，含有大量动物油脂。动物油脂普遍含有相对较高胆固醇，而植物油一般不含或含有极少胆固醇，因此可通过检测胆固醇含量判定植物油是否含有动物油脂。张蕊 8等采用 GC 法利用色谱柱对样品中胆固醇和植物甾醇进行分离，从而鉴别样品是否混有地沟油，结果表明，该法检出限为掺有 1
15、0% 以上地沟油食用植物油样品。郭涛 9等利用 HPLC 对地沟油胆固醇进行测定，继而分析食用油是否掺有地沟油，发现菜籽油样品胆固醇含量大于 50 mg/kg 时，有明显色谱峰。1.2.4 薄层色谱法地沟油经高温加热或反复使用后会产生一些极性物质（如丙稀酰胺、多环芳烃、醛基等） ，虽经精炼也不易除去；而在合格食用植物油中几乎没有。油样在展开剂作用下各种成分在硅胶板上扩散分离，经显色剂显色后可在板上观察到不同斑点。尹平河 10等采用乙酸乙酯与石油醚为展开剂，碘液为显色剂，对食用油、地沟油、煎炸老油进行分析发现，它们在 Rf =0.73 处有共同斑点，地沟油在 Rf =0.4 后有明显拖尾长斑，煎
16、炸老油在 Rf =0.21 处有明显拖尾长斑。黄军 11等利用色谱柱分离拖尾成分进行红外分析，发现潲水油极性化合物远大于食用植物油，是正常食用油所不含醛、酮类化合物。据凤凰网报道，日前，上海一家公司应用此法推出一种 10 分钟便可检测地沟油试纸，当油品有明显极性组分拖尾现象时，即可判别是否为劣质油。81.2.5 荧光测试法考虑到地沟油外源性污染物质特性，针对餐具洗涤剂表面活性剂十二烷基苯磺酸钠混在地沟油中，而食用油不含这种人工合成化学物质。刘薇 12等发现，十二烷基苯磺酸钠在地沟油水相中特征荧光波峰为 ，而食nmemx290/3/用油则不存在，可根据油脂荧光位置和强度进行鉴别是否掺入地沟油；但
17、只能用于潲水油含量 10% 以上样品。1.2.6 电导率检测法油脂属非导电物质，电导率极低，且钠盐难溶于油脂，在正常食用油中含量很少。地沟油中残渣微粒，含有一定量盐，还有酸败产生化合物也会使电导率提高。电导率法操作简单，对仪器与设备要求低，是一种快速检测地沟油方法。刘志金 13等发现泔水油电导率是普通食用油 57 倍，且在低温时，有析出物，使油脂不澄清透明。胡小泓 14等通过研究发现，食用油受到污染程度越严重，电导率就越大，两者呈良好线性关系；但只能用于潲水油含量 20% 以上样品。1.3 基本检测原理重金属检测法、脂肪酸成分检测法、胆固醇含量检测法属于化学生物学检测法，需要通过特殊的化学试剂
18、进行测定，其测定过程繁琐且复杂，耗费时间长，并且需要检测人员具有一定的生物学和化学基础，不适合一般人员操作；薄层色谱法属于物理检测方法，同样操作复杂，耗费时间长，需专业人员操作；荧光测试法属于物理检测法，可用集成的电子设备终端检测，但检测时需对待测液进行试剂调制，却检测环境要求高，不适于快速检测和一般环境下的检测。电导率检测法，只需通过电子设备终端进行测定待测液的电导率，操作简单，检测时间短，易于开发成集成的检测终端，方便普通人员检测地沟油。所以本设计采用电导率检测法鉴别地沟油。1.3.1 食用油与地沟油的电导率根据实验测得地沟油与一般食用油的水溶液的电导率见表 1.3.115。由表1.3.1
19、 可知地沟油与合格食用油经水萃取后的水相电导率有很大区别，合格食用油的水萃取液的水相电导率值都在 10S/cm 以下，而地沟油的水萃取液的水相电导率值都在 33.5S/cm 以上，远大于合格食用油的水萃取液的水下水相电导率。又据王飞艳等 16研究得出：毛地沟油萃取水相电导率为 30.15130.80S/cm，处理后地沟油萃取水相电导率为 22.3744.61S/cm，食用油9萃取水相电导率为 3.189.18S/cm，测定油脂的萃取水相电导率值大于10S/cm 课初步断定其参伪。通过对待测油脂的萃取水相电导率进行测量就可初步判断出其是否为地沟油。表 1.3.1 油样水萃取液的电导值（S/cm）
20、温度/油样24 26 28地沟油 36.29 35.18 33.5鲁花花生油 9.01 8.93 8.46胡姬花花花生油 5.46 6.00 5.21福康星大豆油 3.72 3.61 3.62油烟机烟气油 66.69 71.08 65.310第二章 系统设计方案及整体架构2.1 电导率检测方案依据油脂的萃取水相电导率的大小，可以检测出地沟油。因此，对地沟油的测定最终转变为对油脂的萃取水相电导率的测定。由于油脂的萃取水相电导率所引起的电信号十分微弱，所以本设计涉及到微弱信号的检测问题。2.1.1 相关检测技术对微弱信号的检测常采用相关检测技术，相关检测技术是应用信号周期性和噪声随机性的特点，通过
21、自相关或互相关运算，达到去除噪声检测出有用信号的一种技术。由于检测过程中，信号和噪声是相互独立的过程，根据相关函数与自相关函数可知信号只与信号本身相关，而与噪声不相关。随机噪声之间不相关。由相关资料 17得到：a自相关检测自相关函数： 其中 X(t)为随机过程，E(X(t)为期望，tXsEtsR*,Y(t)为另一随机过程。乘法器 延时器（ ）Xi(t)=Si(t)+Ni(t) Rxn( )图 2.1.1a 自相关检测原理框图由图 2.1.2a 输出：，根据互相关 )()()(1lim2/ nnssnsiTiX RRdtxtR 的性质，由于信号 S（t）与噪声信号 N（t）不相关，并且噪声的平均值为零，得到 ， ，则 Rxx( )= ，随 的增大，0)(sn0)(nsR)(ns 则对充分大的 ，可得 ，就得到了信号 S(t)的自相关函R)(sxR
