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一种牛乳体细胞数快速检测传感器设计#
吴海云1，左月明2，卫勇1，陈晨2**
基金项目：高等学校博士学科点专项基金（20121403110002）；天津市自然科学基金（13JCYBJC25700）；
天津农学院科技发展基金（2013N02）；天津市高等学校大学生创新创业训练计划项目（201510061140）
通信联系人：左月明. E-
作者简介：吴海云（1985-），女，助理研究员，智能检测与传感器技术
（1. 天津农学院工程技术学院，天津 300384；
2. 山西农业大学工学院，山西太谷 030801） 5
摘要：利用牛乳体细胞的电化学特性，设计了一种基于单片机控制的牛乳体细胞数快速检测
传感器。系统包括单片机部分、体细胞测试电路和人机接口显示电路。利用单片机控制频率
合成芯片产生 0 到 10 MHz 连续交流电压信号，作用于电极两端，获取牛乳阻抗参数。单片
机系统根据阻抗参数与牛乳体细胞数关系模型，计算得出体细胞数值，并通过 1602 液晶显10
示屏显示测试结果。同时，为了消除温度对测试结果产生的误差，提高系统稳定性，增加了
温度检测模块，对系统进行温度补偿。该传感器成本低廉，测试方便，非常适合小型牧场或
者个体奶农对原料奶进行体细胞数快速检测。
关键词：传感器；体细胞；单片机；快速检测
中图分类号：S126; 文献标志码：A 15
Design of a somatic cell count rapid detection sensor
Wu Haiyun
1
, Zuo Yueming
2
, Wei Yong
1
, Chen Chen
2
(1. Engineering and Technology College, Tianjin Agriculture University,Tianjin 300384;
2. Engineering College, Shanxi Agriculture University,Shanxi Taigu 030801) 20
Abstract: A sensor for milk somatic cell count (SCC) rapid detection by single-chip
microcomputer control was designed based on the electrochemical characteristics of SCC. The
system was consisted of a single-chip microcomputer, a somatic cell testing circuit and a
human-computer interface circuit. The frequency synthesizer chip was controlled by the
single-chip microcomputer to produce an AC voltage signal. The excitation voltage from 0 to 10 25
MHz were applied on the electrode and the electrical responses were obtained. According to the
impedance parameters and milk somatic cell count relation model, the SCC was calculated and
showed on the 1602 liquid crystal display (LCD). At the same time, considering the temperature
would affect measurement precision, the temperature compensation circuit was increased to
improve the system stability. The sensor has the advantages of low cost, convenient testing, which 30
was very suitable for small pasture or individual dairy farmers for raw milk somatic cell count
rapid detection.
Key words: sensor; somatic cell count; single-chip microcomputer; rapid detection
0 引言 35
牛乳中的体细胞数是指每毫升原料奶中的细胞总数，包括白细胞（即巨噬细胞、嗜中性
白细胞和淋巴细胞）和乳腺组织脱落的上皮细胞。SCC 与牛乳产量、质量及奶牛的健康状
况密切相关[1]。因此，卫生部门和牛乳销售机构通常将 SCC 作为评价奶牛乳房健康状况及
收购牛乳的重要指标[2]。
目前，较成熟的 SCC 检测方法有显微镜计数法和加利福尼亚测试（CMT）法等，但这40
些方法通常需在实验室由专业技术人员操作，费时费力[3,4,5]。最近，市场上出现了一些商业
化的 SCC 在线测试仪，比如美国的 PORTASCC 体细胞测试仪、Bentley 计数仪、以及韩国
C-reader ADAM 体细胞计数仪等。体细胞计数仪可以对原料奶中体细胞含量进行计数，从而
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指导牧场管理和乳制品的开发。但是，目前这些产品设备价格昂贵，测试成本高，并不适合
在一些小型牧场或者个体奶农中进行大范围推广。研究一种成本低、便携式的家庭型体细胞45
计数仪具有重要意义。
因此，本文提出一种基于单片机的牛乳体细胞数快速检测传感器。这种家庭型牛乳体细
胞数快速检测传感器，成本低廉，测试方便，非常适合小型牧场或者个体奶农对原料奶进行
SCC 测试。目前，乳制品的消费量和潜在的消费量都很大，这种使用方便、自动化程度较
高、成本低廉的检测系统，有着广阔的市场空间。 50
1 系统总体设计
理论依据
牛乳是一种生物非均匀体系。乳桨中悬浮着大量的脂肪、蛋白质、乳糖颗粒、体细胞和
病源微生物，同时也富含 Na+、K+、H+、Cl－、Ca2+等离子[6]。图 1 为体细胞经碘酊染色后电
子显微镜图，其中较大的黄色圆形物质为体细胞。导电离子在乳汁细胞膜上的运动如图 255
所示[7]。当奶牛患乳腺炎或者乳头受到细菌感染，所产牛乳成分将发生变化，尤其是体细胞
数目将显著增加。同时病菌对细胞的损坏导致 Na+和 Cl-泄漏，进入上皮细胞的官腔之中，
K
+和乳糖则从官腔中移出，原来维持的平衡被打破，最终导致乳汁中导电离子浓度（如 Na+、
Cl
-）显著升高[8]。
体细胞传感器检测法是一种基于牛乳中离子导电特性的快速检测方法[9]。本研究团队发60
现，通过一定电压激励，牛乳的导电参数与体细胞数存在线性或非线性关系[10,11]。并且采用
了支持向量回归方法，建立了基于电参数的体细胞数定量检测模型。这些研究为传感器的研
制提供了理论依据。因此，本文设计了一种基于单片机的牛乳体细胞数快速检测传感器，用
于体细胞的电参数快速检测。
65
图 1 体细胞碘酊染色图片
Fig. 1 The image of somatic cells after iodine staining
体细胞
脂肪球
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图 2 导电离子在乳汁细胞膜上的运动示意图
Fig. 2 The schematic diagram of conductive ions movement in the cell membrane 70
方案设计
本文设计的基于单片机的牛乳体细胞数快速检测传感器，包括硬件系统和软件系统两部
分。其中硬件系统由单片机系统、体细胞测试电路、温度检测电路和人机接口显示电路组成。
硬件系统如图 3 所示。其中，体细胞测试电路采用直接数字式频率合成器（Direct Digital
Synthesizer，DDS）产生 0~10 MHz 频率范围内的交流电压激励信号，作用于待测样品中，75
通过 I/V 转换电路、放大电路、阻抗信息提取电路、低通滤波电路等信号调理电路，获得待
测样品的电参数；温度检测电路采用数字式温度传感器，实现温度补偿。单片机系统不仅能
完成温度信号的采集和控制信号的输出，而且还能实时显示温度值及体细胞数测试结果，通
过独立按键实现传感器的开关控制。
传感器工作过程如下：将待测的牛乳样品加入到样品池中，样品池底部固定四电极系统。80
由单片机芯片控制，通过 DDS 信号源给一对外电极提供幅值为 5mV，频率为 0~10 MHz 连
续变化电压信号，驱动样品溶液发生电化学反应，再对两个内电极产生的电流响应信号进行
I/V 转换、信号放大、阻抗提取、滤波、AD 转换后送入到单片机，经过计算得到 SCC 值，
并经过温度检测部分进行温度补偿、可以得到样品中实际 SCC 含量。SCC 和温度值经 1602
点阵字符型液晶显示屏显示出来。 85
图 3 传感器的系统框图
Fig. 3 The sensor system diagram
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2 传感器硬件系统设计
体细胞测试电路 90
体细胞测试部分包括 DDS 信号源、四电极系统、I/V 转换电路、放大电路、阻抗信息
提取电路、低通滤波电路及 A/D 转换电路。下面详细介绍各功能模块。
采用美国 ADI 公司的直接数字频率合成芯片 AD9854 作为交流电压信号源的核心器件。
该芯片测试频带宽，且具有扫频功能。如图 4 所示，单片机通过发送控制字给 DDS 芯片产
生频率范围为 0-10 MHz 的交流电压激励信号，然后通过 AD9854 的 VOUT 引脚输出给传感95
器电极。高速 DDS(AD9854)扩展模块板，主要由一片 2 路模拟输出的 AD9854ASQ（最高时
钟频率可达 300 MHz，双路正交输出）DDS 芯片，以及两片 AD8009 高速运算放大器组成
（可输出较大幅度的高速信号，放大倍数可调，Vpp 最高可达 10V），可以满足用户对于高
速信号产生的要求，用户可以借助单片机，利用通过模式控制和频率字控制实时产生扫频形
式的模拟信号。 100
U3
D3
5
D2
6
D1
7
D0
8
D
V
D
D
9
D
V
D
D
1
0
D
G
N
D
1
1
D
G
N
D
1
2
A5
14
A4
15
A3
16
A2/IORESET
17
A1/SDO
18
A0/SDIO
19
I/O UD
20
D4
4
D5
3
D6
2
D7
1
WRB/SCLK
21
RDB/CSB
22
D
V
D
D
2
3
D
V
D
D
2
4
D
V
D
D
2
5
D
G
N
D
2
6
D
G
N
D
2
7
D
G
N
D
2
8
FSK/BPSK/HOLD
29
SHAPED KEYING
30
A
V
D
D
3
1
A
V
D
D
3
2
A
G
N
D
3
3
A
G
N
D
3
4
VOUT
36
A
V
D
D
3
7
A
V
D
D
3
8
A
G
N
D
3
9
A
G
N
D
4
0
A
G
N
D
4
1
VINP
42
VINN
43
A
V
D
D
4
4
A
G
N
D
4
5
A
G
N
D
4
6
A
G
N
D
4
7
IOUT1
48
IOUT1B
49
A
V
D
D
5
0
IOUT2B
51
IOUT2
52
A
G
N
D
5
3
A
V
D
D
5
4
DACBP
55
DAC RSET
56
A
G
N
D
5
9
A
V
D
D
6
0
D
V
D
D
8
0
D
V
D
D
7
9
D
G
N
D
7
8
D
G
N
D
7
7
D
G
N
D
7
6
D
G
N
D
7
5
D
V
D
D
7
4
D
V
D
D
7
3
D
G
N
D
7
2
MASTER RESET
71
S/P SELECT
70
REFCLOCK
69
REFCLOCKB
68
A
G
N
D
6
7
A
G
N
D
6
6
A
V
D
D
6
5
DIFF CLK ENABLE
64
A
G
N
D
6
2
P
L
L
F
IL
T
E
R
6
1
AD9854
u0
DDS
DGND AGND
REFCLK
CLKB
EA/VP
31
X1
19
X2
18
RESET
9
INT0
12
INT1
13
T0
14
T1
15
1
2
3
4
5
6
7
8
39
38
37
36
35
34
33
32
21
22
23
24
25
26
27
28
RD
17
WR
16
PSEN
29
ALE/P
30
TXD
11
RXD
10
AT89C51
P20
P21
P22
P23
P24
P25
P25
P24
P23
P22
P21
P20
T1
T1
T0
T0
C1
外电极
R2 100
R1 1K
R3 25
R4 25
C3
R6
C4
R5
CRYSTAL
C4
22pF
C5
22pF
P32
P32
R7 1K
R8 1K
R9 100
C6
10uF
R10
220
C7
10uF
S1
SW-PB
R11
10K
RESET
RESET
B
C
A
图 4 信号源电路图
Fig. 4 The signal source circuit
传感器的电极如图 5 所示，由 1mm 厚的铂金片制成的内电极和外电极组成。信号源产
生的交流电压激励信号通过一对外电极作用于测试样品，并测量内电极上的电响应，由于电105
压激励和信号采集来源于两对不同的电极，解决了电子在非平衡状态时运动速度与平衡状态
时相差较大的问题，在一定程度上减小了电极极化。
图 5 传感器电极示意图
Fig. 5 The plot of sensor electrode 110
当信号源的输出电压信号作用在一对外电极上时，则内电极感生出测量电流。I/V 转换
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电路负责将流入被测样品的微弱电流信号转化为电压信号输出。I/V 转换电路由 OPA350 运
算放大器组成。通常 I/V 转换电路输出信号为微弱的电压信号，不能满足后续处理的要求，
因此需要进行信号的放大。放大电路包括信号连接高速放大器和多路选择器。高速放大器采
用高速运放芯片 THS4011，高速放大器的输入端连接 I/V 转换电路的运算放大器的输出端，115
多路选择器采用 8 通道模拟多路选择器 74HC4051 作为模拟开关，模拟开关的地址线 A、B、
C 分别接单片机的 、、 口，电路的放大倍数由 A、B、C 逻辑电平控制。
为了分离阻抗的实部与虚部，增加阻抗信息提取电路和低通滤波电路，如图 6 所示。阻
抗信息提取电路的核心芯片选择视频差分放大器 AD830，通过相乘作用分离出阻抗的实部
和虚部，完成阻抗测量。阻抗信息提取电路输出端连接所述低通滤波电路，用于提取直流分120
量。采用二阶低通滤波电路，并增加 RC 环节，使得滤波器的过渡带变窄，衰减斜率值加大，
更好的还原了输入电压。增加阻抗信息提取电路和低通滤波电路的作用是只允许 I/V 转换电
路转换后的低于截止频率的电压信号通过，把其他的干扰信号过滤掉。
X1
1
X2
2
Y1
3
Y2
4
OUT
7
V-
5
V+
8U6
AD830
R9
Us2
sin
R10
R11
C9
C10
R12
Us3
图 6 阻抗信息提取电路 125
Fig. 6 The circuit of impedance information extraction
温度检测电路
为了消除牛乳温度对交流阻抗测试结果的影响，系统测试前检测牛乳的温度，并进行温
度补偿。温度检测部分包括均与单片机连接的实时时钟和温度传感器，如图 7 所示。选择单
总线芯片 DS18B20 作为温度传感器。 130
人机接口部分
传感器人机接口显示部分包括和单片机进行信息交互的 LCD 显示单元和键盘，如图 7
所示。LCD 显示单元选择 1602 点阵字符型液晶显示屏，温度信息通过 1602 显示，精度为
℃。与单片机 引脚控制一个独立按键按钮 K1，作为外部中断的信号输入，控制整个
系统的启停。 135
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样
品
池
DQ
2
VCC
3
GND
1
U5
DS18B20
RV1
10k
2
3
4
5
6
7
8
9
1
RP1
1K
D
7
1
4
D
6
1
3
D
5
1
2
D
4
1
1
D
3
1
0
D
2
9
D
1
8
D
0
7
E
6
R
W
5
R
S
4
V
S
S
1
V
D
D
2
V
E
E
3
L
C
D
LM016L
XTAL2
18
XTAL1
19
ALE
30
EA
31
PSEN
29
RST
9
39
38
37
36
35
34
33
32
1
2
3
4
5
6
7
8
10
11
12
13
14
17
16
15
28
21
22
23
24
25
26
27
U4
AT89C51
CLOCK=
C1
22pf
C2
22pf
X1
C3
10uF
10k
220
P10
P11
P12
K1
图 7 人机接口电路图
Fig. 7 The man machine interface circuit
3 传感器软件系统设计
图 8 为基于单片机的牛乳体细胞数快速检测传感器的单片机的软件系统工作流程图。程140
序开始时，运行初始化程序，包括单片机初始化、DDS 芯片初始化、中断初始化、定时器
初始化、LCD 显示单元初始化等。启动测试按钮 K1，进行 SCC 阻抗测量及温度测量，温
度传感器负责将样品温度传送给单片机，单片机通过事先设置的温度补偿模型程序进行温度
补偿，并且根据设计的阻抗与 SCC 关系模型软件程序，计算得出 SCC，最后经 1602 液晶显
示器输出显示测量结果。 145
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图 8 传感器软件系统框图
Fig. 8 The diagram of sensor software system
4 结果与讨论
本文给出了一种以单片机为控制核心的传感器，用于牛乳体细胞数的快速检测。利用150
DDS芯片AD9854设计了可在 0~10 MHz范围内对牛乳阻抗信号进行快速扫频测量的体细胞
测试电路。为了减小电极极化，设计制作了铂金片四电极。并对系统进行了温度补偿。该传
感器测试方便快捷，体积轻便小巧，可用于牛乳中体细胞进行快速准确计数，为奶牛乳房疾
病的快速准确在线诊断及牛乳质量的快速检测提供了一种有效方法。
致谢（可选） 155
感谢山西农业大学工学院对本论文的技术支持。
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