朱娟花，吳 昂，李艷花，胡小寧，李會芹，鄒彩虹，李 鵬

(1.河南農業(yè)大學機電工程學院，河南鄭州450002;2.河南農業(yè)大學計劃財務處，河南 鄭州450002;3.河南農大迅捷測試技術有限公司，河南鄭州450002)

0 引言

化學發(fā)光方法具有靈敏度高、線性范圍廣以及準確性等優(yōu)點，廣泛應用于食品安全檢測［1］.目前國際常用的化學發(fā)光分析儀幾乎都是基于流動注射進樣［2-3］.國外有美國 Maxwell(MSL)化學發(fā)光儀 Luminmax、德國的 Luminstar、美國的Dynex化學發(fā)光酶標儀等.這些發(fā)光儀都不能記錄化學發(fā)光的全過程，采樣頻率低，價格昂貴.國內如西安瑞邁的IFFM-D型等.這種分析儀需要專人操作，調試過程繁復費時，價格較貴，不便基層推廣［4-6］.針對流動注射化學發(fā)光儀存在的缺點，河南農大迅捷測試技術有限公司研發(fā)一種用于現(xiàn)場檢測的小型便攜式單片機型的高靈敏食品安全測試儀.儀器以瞬穩(wěn)靜態(tài)注射進樣方式取代流動注射，極大地簡化了化學發(fā)光儀結構，具有近似流動注射的穩(wěn)定性、重復性、調試快捷和節(jié)約藥劑等特點［7］.便攜式食品安全測試儀內部采用32 k字節(jié)的FM1808鐵電存儲器，存儲容量有限，無法保存和處理大量數(shù)據(jù).另外，儀器自帶顯示屏無法完全顯示復雜的圖表.針對這個問題，筆者開發(fā)一款配套的上位機通信軟件，將數(shù)據(jù)傳輸至計算機，由用戶通過軟件設定相關參數(shù)并保存、處理數(shù)據(jù).

1 食品安全檢測儀器構成

便攜式食品安全檢測儀器包括3個單元：進樣單元、光電轉換單元和信號處理及控制單元.儀器系統(tǒng)結構框圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)結構框圖Fig.1 The system structure

進樣單元用于將檢測試劑加入樣品池，本系統(tǒng)采用的是瞬穩(wěn)靜態(tài)注射式進樣機構.光電轉換單元用于將化學發(fā)光信號轉換為電信號.信號處理及控制單元以單片機為中心，用于信號的采集、處理、保存和顯示.儀器的檢測過程為：待測液體經(jīng)過進樣機構送入樣品池中，通過光電二極管傳感器將化學發(fā)光信號轉換為電信號;放大電路對微弱的化學發(fā)光進行放大，選用的PIC18F4520單片機內置10位A/D轉換模塊，放大后的信號可以直接送入單片機進行處理;LCD顯示器可以實時顯示化學反應的動力曲線和測試數(shù)據(jù);測試結果由隨機存儲器保存，可以通過RS232串口上傳計算機進行數(shù)據(jù)處理［8-9］.

2 通信系統(tǒng)的設計

根據(jù)系統(tǒng)開發(fā)的需求分析，本系統(tǒng)主要包括參數(shù)設置、串口設置、數(shù)據(jù)接收等部分，如圖2所示.數(shù)據(jù)保存時，分別保存為“測試數(shù)據(jù)信息表”、“實驗員信息表”和“標準濃度信息表”3個表格，3個表的主鍵都為學號、實驗名、日期.刪除數(shù)據(jù)時可以刪除某個測試項或刪除整行數(shù)據(jù).

圖2 系統(tǒng)的功能結構Fig.2 The system functional block diagram

3 通信系統(tǒng)的實現(xiàn)

系統(tǒng)采用RS232串口通信方式實現(xiàn)測試儀和上位機(微機)通信軟件的數(shù)據(jù)傳輸，通信軟件用VB 6.0和SQL Sever2000工具開發(fā).利用VB 6.0的MSComm控件的事件驅動方式接收數(shù)據(jù)，以增加傳輸效率，減少對CPU的占用.通信軟件可以實現(xiàn)串口、參數(shù)的設置以及數(shù)據(jù)的接收、查詢、回歸分析、修改、保存、重測等功能.

軟件的界面如圖3所示，主要有4部分組成.A為測試人員信息和測試參數(shù)輸入部分;B為接收數(shù)據(jù)的顯示框;C和D為命令按鍵部分.其中C主要有“串口設置”、“開始檢測”、“保存數(shù)據(jù)”和“回歸分析”等功能;D部分是對查詢內容的操作按鍵;E是查詢后數(shù)據(jù)所顯示表格.

3.1 串口及測試參數(shù)設置

MSComm控件有事件驅動方式和查詢方式2種的通信方式，本軟件采用事件驅動的方式設置串口.串口參數(shù)可以通過點擊軟件中的“串口設置”按鍵，打開設置界面來選擇.可以選擇傳輸速率、校驗位、數(shù)據(jù)位和停止位，傳輸速率最大為115 200 b/s，默認參數(shù)設定為“9 600，n，8，1”，串口可以選擇COM1和COM2口，能夠自動選擇空閑的端口.測試參數(shù)包括測試人員編號、姓名、標準個數(shù)和標準濃度.

圖3 軟件通信界面Fig.3 Software communications interface

3.2 數(shù)據(jù)接收

利用MSComm控件的Oncomm事件(接收觸發(fā)事件)來判斷緩沖區(qū)的情況，若有數(shù)據(jù)，則將接收的數(shù)據(jù)顯示在接收數(shù)據(jù)的文本框中.儀器向微機傳送的數(shù)據(jù)是二進制數(shù)、十進制數(shù)、科學計數(shù)法和ASC‖碼等的混合格式，顯示數(shù)據(jù)前需要根據(jù)數(shù)據(jù)定義做相應的轉換，變成文本格式后顯示.

3.3 數(shù)據(jù)保存

保存數(shù)據(jù)前，要對接收的每一行數(shù)據(jù)逐一進行判斷、識別，根據(jù)設置的關鍵字在接收的一行數(shù)據(jù)中查找、截取，分別得到“實驗名稱”、“實驗項目”、“序號”、“平行次數(shù)”和“測試值”等信息，然后分類存入數(shù)據(jù)庫.

3.4 回歸分析

化學發(fā)光法測定溶液濃度主要是根據(jù)已知濃度的溶液及其發(fā)光值及待測溶液的發(fā)光值，求待測溶液的濃度.

先配置好已知濃度的標準溶液后，測得其發(fā)光值，通過對不同濃度的數(shù)據(jù)運算，得到濃度和發(fā)光值之間的對應關系，從而得到未知溶液的濃度.分析發(fā)現(xiàn)濃度和發(fā)光值之間存在線性關系.根據(jù)需要，筆者采用最小二乘法擬合回歸方程.

樣本是幾組標準測發(fā)光值(yi)和標準濃度(xi).一元一次線性回歸方程為，其中：

曲線的擬合效果根據(jù)相關系數(shù)r來檢驗，r的值越接近于1擬合效果越好.

r的計算公式為：

在通信界面，點擊“生成標準曲線”，將在新的窗口顯示此學生測試標準數(shù)據(jù)和濃度值的回歸標準曲線、標準方程和相關系數(shù)等信息，如圖4所示.

圖4 回歸分析結果Fig.4 Regression results

3.5 數(shù)據(jù)查詢和刪除

(1)數(shù)據(jù)查詢

為了分析測試數(shù)據(jù)的可靠性，在“數(shù)據(jù)查詢”里，增加了“標準偏差S”和“相對標準偏差RSD”的運算.點擊“查詢”按鍵后，在查詢表格中會顯示保存的數(shù)據(jù)，在每行測試數(shù)據(jù)的后面還顯示數(shù)據(jù)的處理結果，如：經(jīng)過計算得到平行數(shù)據(jù)(發(fā)光值)中被舍棄數(shù)據(jù)的個數(shù)、保留數(shù)據(jù)的均值、標準偏差S和相對標準偏差RSD.

標準偏差S是用來衡量數(shù)據(jù)值偏離算術平均值的程度，相對標準偏差RSD是標準偏差與測量結果算術平均值的比值.

(2)數(shù)據(jù)刪除

根據(jù)回歸分析和查詢的結果，如果對某些實驗結果不滿意，可以在查詢表格中選中相應行或數(shù)據(jù)項，點擊“刪除此行”或“刪除此項”刪除相應數(shù)據(jù)，然后再點擊“補充測試”重新測試，再次通過串口接收測試數(shù)據(jù)，點擊“重新保存”后補充到數(shù)據(jù)庫.

4 實驗結果分析

本系統(tǒng)在河南農大迅捷測試有限公司進行實際測試.測試溶液中高錳酸鉀的含量，采用高錳酸鉀-魯米諾體系.Luminol分析液的濃度為2.5×10-4mol/L，PH=13，KMnO4分析液濃度為 3.00×10-7g/mL，每次測量時各取2 ml混合后測試.儀器工作方式設為：增益倍數(shù)：2，測試時間：20S.標準 1～6的濃度分別為 0 mg/L，3.00E-08 mg/L，9.00E-08 mg/L，1.50E-07 mg/L，2.10E-07 mg/L，3.00E-07 mg/L.通信系統(tǒng)對測試數(shù)據(jù)的處理結果如表1所示.

表1 發(fā)光數(shù)據(jù)運算結果Tab.1 Data operation results

由表1可以看出，由軟件計算的棄值個數(shù)、均值標準偏差和RSD數(shù)據(jù)正確.RSD≤5%，儀器穩(wěn)定性高.

回歸分析如圖4所示.圖中顯示了由6個標準濃度和發(fā)光值得到的6個測試點及由此擬合的回歸曲線，還顯示了回歸方程和相關系數(shù)及6個標準濃度值和發(fā)光值.由圖可知，擬合的回歸方程為：Y=7.701 154 ×1 013X+55 755.32，相關系數(shù)為：r=0.999 7.可以看出，此圖坐標設置合理，回歸曲線及各個數(shù)值點顯示清楚，數(shù)據(jù)計算準確，滿足實驗要求.

5 結論

針對便攜式單片機型食品安全檢測儀存在的無法保存和處理大量數(shù)據(jù)及無法精確顯示復雜圖表等問題，采用VB 6.0和SQL Sever2000數(shù)據(jù)庫語言，開發(fā)一套上位機通信軟件.通信軟件實現(xiàn)了串口、參數(shù)設置、數(shù)據(jù)的接收、轉換、保存、查詢、回歸分析、修改、重測和重新保存等功能.

采用RS232串口通信方式，不用考慮增加測試儀的硬件配置，降低了成本，方案簡單易實現(xiàn)，具有實用性和可普及性.采用MSComm控件的事件驅動方式簡化了編程，縮短了軟件的開發(fā)周期，增加傳輸效率，減少了軟件運行時對系統(tǒng)的占用.處理測試數(shù)據(jù)時，用Q檢驗法舍棄偏離均值較遠的值，用最小二乘法擬合回歸方程求待測溶液的濃度.實驗表明，串口通信軟件界面友好、糾錯能力強、穩(wěn)定性高、數(shù)據(jù)傳輸計算準確無誤.

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