基于生物阻抗技术的淡水鱼新鲜度测量系统设计

基于生物阻抗技术的淡水鱼新鲜度测量系统设计
杨春兰;薛大为
【摘要】对于目前淡水鱼新鲜度测量存在的精度低、速度慢等问题，设计了一种基于生物阻抗技术的测量系统。

系统利用AT89C52单片机分别产生1KHz和
10KHz的激励电流信号，施加在鲫鱼鱼体腮部平行于测线方向，通过测量电极的电压值，最终得到鱼体的新鲜度。

并与化学法的测试结果进行对比，系统测量准确度达95％，可以作为淡水鱼新鲜度检测使用。

%The freshness measurement system of freshwater fish is developed for the problem of low precision and speed system. And the 1KHz and 10KHz current pumping signals generated by AT89C52 microcontroller are applied to electrode contacting gills paralleled to the line direction. The voltage across the measuring electrode is measured to obtain the fish freshness. Compared with test results measured by chemical method, the system accuracy reached to 95%. Hence, it could be used to test the freshness of freshwater fish availably.
【期刊名称】《河西学院学报》
【年(卷),期】2015(000)005
【总页数】6页(P74-78,86)
【关键词】淡水鱼;生物阻抗;新鲜度;测量系统
【作者】杨春兰;薛大为
【作者单位】蚌埠学院机械与电子工程系，安徽蚌埠 233030;蚌埠学院机械与电子工程系，安徽蚌埠 233030
【正文语种】中文
【中图分类】TM938.84
引言
淡水鱼是中国盛产的水产品，有很高的营养价值.但是新鲜的鱼类很难保存，容易出现死亡甚至腐败变质.因此，新鲜度是评判鱼类及鱼肉质量的一个重要指标［1］.通常使用的淡水鱼新鲜度的检测方法有感官法、微生物法与化学法等［2］.感官法常常受到人的主观意志及各种因素的影响，测量的准确性不高；微生物法测量的方式比较复杂，成本高，并且破坏了被测量对象；化学法检测结果准确度高，但是速度慢，并且破坏性强，是有损的检测方法.生物阻抗技术是探讨随着生物的组织状态的改变而变化的生物的导电性能，并且可以展现生物组织、器官以及整个生物机体的电学性能［3-4］.鲫鱼是我国大量出产的淡水鱼类之一，文中以鲫鱼为参考样本对淡水鱼新鲜度进行测定，经过对鲫鱼的测试试验发现，鱼体的阻抗参数特性随着死亡时间的改变而呈现规律性变化，同时确立了鲫鱼的新鲜度评价指标.基于生物阻抗技术的淡水鱼新鲜度测量系统是使用生物阻抗技术测量鱼体阻抗特性参数对鱼体的新鲜度进行判别，是一种速度快且无损的检测系统.
1 新鲜度评价指标
经过对鲫鱼的测试试验发现鱼体阻抗幅值的变化规律，当激励信号取不同的频率值时，鲫鱼的阻抗幅值将随鱼体死亡时间的延长而变小；当死亡时间相同时，鲫鱼的阻抗幅值将随着激励信号频率的增加而变小；当死亡时间增长到一定值，不同频率的鲫鱼的阻抗幅值差值减小最终保持相同.基于激励信号频率取1kHz时鲫鱼阻抗
幅值变化的规律性非常明显，频率取10kHz时阻抗幅值变化趋于缓慢的特征，选
取1kHz时鲫鱼阻抗幅值与10kHz时鲫鱼阻抗幅值的比值作为新鲜度的评价参数.如图1所示为不同死亡的变化曲线.
图1 和阻抗比值随死亡时间的变化曲线Fig.1 and impedance ratio curves of death time
系统还使用了化学法测试了鱼体的TVB-N（挥发性盐基氮，为国际公认的鱼肉腐
败性的标准评价指标）［5］.参考GB2736-94标准，假如鲫鱼鱼肉中TVB-N大
于20mg/100g时，就认定鱼体腐败.根据测试的TVB-N的含量为标准，与1kHz 时鲫鱼阻抗幅值与10kHz时鲫鱼阻抗幅值对照，可以得出鲫鱼新鲜度评价指标为：如果≥84Ω并且≥1.23，则鱼体特别新鲜（SF）；如果并且≥1.12或者≥1.23并
且≥64Ω，则鱼体新鲜（F）；如果64Ω＜84Ω 并且1.12＜1.23，则鱼体次新鲜（BF）；如果＜64Ω 或者＜1.12，则鱼体腐败（S）.
2 系统设计方案
2.1 测量电极的选择
图2 鱼体阻抗测量电极示意图Fig.2 Schematic diagram of fish body impedance measuring electrode
鱼体阻抗的测量是在鱼体表面经过输入电极引入激励电流，然后读出测量的电压信号从而计算得到鱼体的阻抗.经常使用的测量方法有电桥测量法以及双电极测量法［6］，电桥测量法在使用时很难调节电桥的平衡，测量的精度相对比较低；双电极法测量时会出现极化现象，并容易产生接触电阻，使得测量的准确度下降.设计
选用四电极测量法［7］，使用输入电极引入激励信号，并通过测量电极得到电压信号从而测量鱼体阻抗，该方法能够减小接触电阻，提高阻抗测量的准确性.鱼体
阻抗测量电极的示意图如图2所示，图中测量电极处于电流均衡分布的中部位置. 试验中测量电极的测量方向及测量部位的选取将会影响鱼体阻抗幅值的大小，通过
试验测试可知沿鱼体腮部平行于侧线方向的阻抗测量结果稳定［8］，因此选取沿着鱼体腮部平行于侧线方向对鱼体进行阻抗的测量.
2.2 测量频率选择
在测试过程中，鱼体的阻抗测量值和选取的激励电源信号的频率值有很大的关系.当死亡时间相同时，鲫鱼的阻抗幅值将随着激励信号频率的增加而变小；当死亡时间增长到一定值，不同频率的鲫鱼的阻抗幅值差值减小最终保持相同.随着鱼体死亡时间的增长，激励信号不同频率对鱼体阻抗的影响越来越小.因为激励信号频率取1kHz时鲫鱼阻抗幅值变化的规律性非常明显，频率取10kHz时阻抗幅值变化趋于缓慢的特征，所以选取1kHz和10kHz的频率作为系统的激励信号，测定鱼体的阻抗值，从而判定鱼体的新鲜程度.
3 测量电路
测量系统的硬件电路采用单片机进行控制，电路主要由单片机模块、电压电流转换模块、信号处理模块、模数转换模块以及显示模块组成，电路框图如图3所示. 图3 系统电路框图Fig.3 Circuit diagram of the system
系统选取高性能的8位AT89C52单片机，运用单片机的定时功能，在P1.0口分别输出1KHz和10KHz方波信号.并通过滤波器产生对应频率的正弦波信号，再通过电压电流转换电路将其转换为电流信号加在输入电极.其中电压电流转换选用AD844芯片，AD844是精度高及宽带宽的运放，在电路中加入了DCFB（由二阶低通滤波器组成的直流反馈单元），转换电路如图4所示.
信号处理模块由放大电路及滤波电路组成，因为电路的输入激励电流是μA级的电流，要和下级电路配合，所以需要对电路进行相应的放大.放大电路选用宽带宽及高共模抑制比的AD620［9］运放芯片，电路调节外接电阻值从而改变增益.滤波电路能够去除干扰信号，选用OP07运放设计二阶有源高通滤波器.
系统选取TLC1543［10］芯片设计模数转换电路，该芯片分辨率高、速度快，为
逐次逼近型ADC，芯片通过P1口与单片机通信.显示电路显示鱼体的新鲜度，单片机的P2口驱动不同颜色的LED小灯显示四个不同等级的新鲜度，如图5所示为单片机与显示模块及模数转换模块的连接电路.
图4 电压电流转换电路Fig.4 Circuit diagram of V/I conversion
图5 显示模块及数模转换模块Fig.5 Circuit diagram of display and A/D conversion
4 试验分析
试验选取20条新鲜度不相同的鲫鱼，采用设计的测试系统检测鱼体新鲜度，并同步进行鱼体的TVB-N检测，结果如表1所示.试验采用测试的TVB-N含量衡量鱼体的新鲜度.测试中样本9的结果为误判，化学方法检测为次新鲜，临界于腐败状态，测试结果准确率95%，能够完成鲫鱼的新鲜度检测任务.
表1 测试结果Tab.1 Experiment result样本＜1.12（Y/N） TVBN Z （）Ω ＜64 （Y/N）ΩZ Z/（mg/100g）检测结果结果准确性（Y/N）1 210.13 N 1.74 N 9.535 SF Y 2 172.37 N 1.57 N 11.452 SF Y 3 163.45 N 1.51 N 12.343 SF Y 样本＜1.12（Y/N） TVBN Z （）Ω ＜64 （Y/N）ΩZ Z/（mg/100g）检测结果结果准确性（Y/N）4 256.31 N 2.11 N 8.471 SF Y 5 125.36 N 1.28 N 18.538 F Y 6 108.27 N 1.19 N 18.943 F Y 7 89.02 N 1.16 N 19.269 BF Y 8 77.51 N 1.14 N 19.426 BF Y 9 70.95 N 1.11 Y 19.952 S N 10 54.59 Y 1.08 Y 22.539 S Y 11 208.63 N 1.71 N 9.583 SF Y 12 245.97 N 2.06 N 8.561 SF Y 13 232.81 N 2.01 N 8.642 SF Y 14 55.69 Y 1.09 Y 22.533 S Y 15 201.33 N 1.69 N 9.617 SF Y 16 82.56 N 1.15 N 19.359 BF Y 17 92.32 N 1.17 N 19.131 F Y 18 116.61 N 1.22 N 18.732 F Y 19 75.97 N 1.13 N 19.704 BF Y 20 101.36 N 1.18 N 19.025 F Y 5 结论
系统选取1kHz时鲫鱼阻抗幅值与10kHz时鲫鱼阻抗幅值的比值作为新鲜度的评
价参数，设计了基于生物阻抗技术的淡水鱼新鲜度测试系统，并将测试结果与化学法测定的TVB-N结果进行比较，反映了系统能够实现对鲫鱼的快速且无损检测.为获得更加精确的测试结果，今后可以将相位角特性纳入测试系统进行研究.
【相关文献】
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