丁國(guó)超，李維民，尚廷義，襲 楊，高云麗

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院，黑龍江 大慶 163319）

0 引 言

隨著人們對(duì)乳制品的需求不斷增加，如何準(zhǔn)確快速地檢測(cè)出牛乳中成分含量得到了廣泛地關(guān)注[1]。本文建立了牛乳中脂肪和蛋白質(zhì)成分含量與光的散透比之間的關(guān)聯(lián)模型，并根據(jù)牛乳成分快速檢測(cè)及檢測(cè)精度的要求，研制了牛乳成分含量檢測(cè)裝置，完成了牛乳成分檢測(cè)裝置的硬件電路設(shè)計(jì)。在實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)過(guò)程中，充分考慮了系統(tǒng)誤差、環(huán)境因素和人為因素的對(duì)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)精度的影響，并采取措施減小了外界因素的干擾，提高了檢測(cè)精度。

1 散透比理論的研究

眾所周知，在均勻介質(zhì)中，光只能沿著折射光線的方向傳播，在這種情況下，光不可能朝各方向散射。光通過(guò)均勻介質(zhì)時(shí)，介質(zhì)中的偶極子發(fā)出的次波具有與入射光相同的頻率，且偶極子之間有一定的相位關(guān)系，因而它們是相干光。在跟折射光線不同的方向上，它們互相抵消，因此均勻介質(zhì)中光是不能發(fā)生散射的。為了能讓光發(fā)生散射，則必須有能夠破壞次波干涉的不均勻結(jié)構(gòu)。鮮乳中脂肪和蛋白質(zhì)等顆粒與其周圍的介質(zhì)之間存在著不均勻結(jié)構(gòu)，故當(dāng)光通過(guò)牛乳時(shí)，必然出現(xiàn)光的散射現(xiàn)象；因此，可利用光散射原理來(lái)測(cè)量牛乳成分含量。但是由于牛乳中存在兩種散射大分子，所以很難準(zhǔn)確地單獨(dú)測(cè)出蛋白質(zhì)含量。從理論上說(shuō)，如果能找到一種快速溶解脂肪且不溶解蛋白質(zhì)的物質(zhì)，就容易測(cè)出蛋白質(zhì)的含量，但實(shí)際中并沒(méi)有這樣的物質(zhì)。本文采用一種快速蛋白質(zhì)熔解液，可以分兩步來(lái)測(cè)量牛乳中的蛋白質(zhì)和脂肪的含量：首先用蛋白質(zhì)快速溶解液把蛋白質(zhì)溶解為小分子[2]，使牛乳稀溶液中只有脂肪是牛乳中不溶的大分子，測(cè)出脂肪；再測(cè)脂肪和蛋白質(zhì)兩相共存的牛乳稀溶液，通過(guò)理論模型便可求出蛋白質(zhì)含量。

利用散透比理論[3]來(lái)表征測(cè)試的光學(xué)參量，可以消除因入射光的光功率漂移而引起的誤差。

當(dāng)一束激光射入牛奶稀溶液中時(shí)，牛乳對(duì)光的吸收不能假定為零，由能量守恒原理可知：

式中：Ⅰ0——入射光光強(qiáng)；

S0——入射光束橫截面面積；

Ⅰsi——脂肪在其散射面ΔSi上的散射光光強(qiáng)；Ⅰsj——蛋白質(zhì)在其散射面ΔSj上的散射光光強(qiáng)；Ⅰt2——出射光光強(qiáng)；Ⅰa——純吸收光強(qiáng)。

令

式中：Ⅰs——垂直入射光線的散射光強(qiáng)；

SR——以光束通過(guò)的試樣中心為球心，半徑為R的一個(gè)假想球面，在此球面上Ⅰs處處相等，它是一個(gè)與牛乳脂肪和蛋白質(zhì)散射特性有關(guān)的量[4-5]。于是：

其中：m2=SR/S0，它和只有脂肪時(shí)的均散系數(shù)m1不同。又知：

其中：k1和k2——純吸收系數(shù)；

c——常數(shù)。

則：

由于是牛乳稀溶液，則ξ1和ξ2的值很小，那么，利用泰勒展公式對(duì)式（5）中右邊兩式進(jìn)行泰勒展開(kāi)，整理可得

其中：A1，A2，B1，B2，M，N 均為常數(shù)，同理脂肪的濃度與純脂肪溶液的散透比的函數(shù)為

由式（6）可知，Y2=f（ζ1，ζ2）經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)換可得ζ2=f（Y2，ζ1），散透比Y2可以直接測(cè)出，而脂肪的濃度ζ1可通過(guò)式（8）求出，然后可求出蛋白質(zhì)的濃度ζ2。

2 實(shí)驗(yàn)裝置的研制

2.1 硬件系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

根據(jù)牛乳成分檢測(cè)系統(tǒng)功能需求，不僅需要牛乳進(jìn)樣出樣控制功能、良好的激光光源、好的信號(hào)采集模塊、良好的人機(jī)交互界面，還應(yīng)該有打印參數(shù)功能，根據(jù)這些功能需求，進(jìn)行總體方案的構(gòu)思和設(shè)計(jì)，其硬件構(gòu)架如圖1所示。

圖1 牛乳成分含量檢測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.2 檢測(cè)放大電路

該檢測(cè)電路以ICL7650為核心檢測(cè)芯片。在電路設(shè)計(jì)中，反饋電阻采用精密的電位器，這樣方便在實(shí)際調(diào)試中改變放大倍數(shù)；根據(jù)AD的參考電壓基準(zhǔn)，并為了使輸出電壓穩(wěn)定，輸出端加了兩個(gè)鉗位二極管，采用兩路放大電路分別對(duì)散射的光強(qiáng)和透射的光強(qiáng)進(jìn)行檢測(cè)[6]。檢測(cè)放大電路如圖2所示。

2.3 乳樣進(jìn)出設(shè)計(jì)

牛乳的進(jìn)出樣設(shè)計(jì)是采用蠕動(dòng)泵來(lái)控制的，通過(guò)控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)控制牛乳的進(jìn)樣和出樣。直流電機(jī)具有優(yōu)越的調(diào)速性能，采用直流電機(jī)，具有調(diào)速方便（可無(wú)級(jí)調(diào)速）、調(diào)速范圍寬、低速性能好（啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，啟動(dòng)電流?。?、運(yùn)行平穩(wěn)、噪音低、效率高等特點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)方面采用內(nèi)部集成有達(dá)林頓管組成的H型的功率變換橋電路的恒壓恒流橋式驅(qū)動(dòng)芯片。

3 系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 光電檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

表1 任務(wù)劃分與優(yōu)先級(jí)

根據(jù)系統(tǒng)任務(wù)的重要性不同對(duì)軟件設(shè)計(jì)劃分不同的優(yōu)先級(jí)，即根據(jù)牛乳檢測(cè)系統(tǒng)的功能需求和特點(diǎn)將應(yīng)用程序劃分為7個(gè)不同的任務(wù)，任務(wù)的劃分和優(yōu)先級(jí)見(jiàn)表1，任務(wù)優(yōu)先級(jí)號(hào)越低，優(yōu)先級(jí)越高。

把系統(tǒng)中不同任務(wù)劃分成不同的模塊來(lái)分別進(jìn)行模塊化的程序設(shè)計(jì)，這樣既明確了任務(wù)目標(biāo)，同時(shí)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，也便于后期的調(diào)試。根據(jù)功能與實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)不同，設(shè)計(jì)完成的各模塊既相互獨(dú)立又相互依賴，本系統(tǒng)采用嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II來(lái)完成軟件設(shè)計(jì)。由于驅(qū)動(dòng)程序封裝在μC/OS-II操作系統(tǒng)下，上層應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)、維護(hù)和軟件升級(jí)都很方便，這樣在一個(gè)成熟的以μC/OS-II為主的軟件平臺(tái)上，很容易開(kāi)發(fā)擴(kuò)展各種實(shí)用的控制應(yīng)用程序[7-8]。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

下面通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)所有設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證。

首先選擇27個(gè)來(lái)自不同奶源的乳樣，每一樣品均分成兩份。一份送國(guó)家乳品質(zhì)量檢測(cè)中心測(cè)出它們的蛋白質(zhì)含量，另一份用本文的測(cè)試系統(tǒng)來(lái)測(cè)定含量，然后進(jìn)行對(duì)比。27個(gè)乳樣的測(cè)試結(jié)果測(cè)試結(jié)果如表2和3所示。

表2 蛋白質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)值與測(cè)量值比較

表3 脂肪的標(biāo)準(zhǔn)值與測(cè)量值比較

圖3 測(cè)量誤差分析

針對(duì)本裝置測(cè)得的脂肪及蛋白質(zhì)測(cè)量值偏差與標(biāo)準(zhǔn)脂肪及蛋白質(zhì)含量值進(jìn)行分析，27個(gè)樣本的誤差分析如圖3所示?？梢钥闯觯^大部分樣本的測(cè)量誤差在2%以內(nèi)，部分測(cè)量誤差介于2%～4%范圍?？傮w來(lái)看，準(zhǔn)確率均在96%以上，符合工業(yè)在線蛋白質(zhì)及脂肪含量檢測(cè)技術(shù)要求。還可以看出，27個(gè)樣本中的誤差圍繞標(biāo)準(zhǔn)值呈隨機(jī)分布狀態(tài)，證明了本實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)的合理性與科學(xué)性。綜合可以看出，利用散透比測(cè)量牛乳中的脂肪和蛋白質(zhì)的方法是可行的。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文中的牛乳大分子含量檢測(cè)試驗(yàn)裝置的研制主要基于散透比理論研究，建立了散透比與牛乳中大分子成分含量的模型、檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)、乳品進(jìn)出的設(shè)計(jì)。由于利用蠕動(dòng)泵實(shí)現(xiàn)牛乳樣本自動(dòng)輸入與輸出，使得檢測(cè)裝置更加精確，而恰當(dāng)?shù)剡x擇硬件使得整個(gè)裝置的可靠性高。實(shí)驗(yàn)證明，牛乳大分子含量檢測(cè)試驗(yàn)裝置能快速準(zhǔn)確地檢測(cè)出牛乳大分子含量。

[1]Grant R.如何提高牛乳的蛋白質(zhì)和脂肪含量[J].周鼎年譯.中國(guó)奶牛，2002（1）：55-56.

[2]Yoshiyama H J.A light-scattering technique for single particle sizing[J].Aerosol Sci，1999，30（1）：357-358.

[3]侯志靈，姬廣舉.激光快速測(cè)定牛乳蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2003（4）：119-122.

[4]韓永輝.牛奶成分近紅外測(cè)量的光學(xué)基理論與實(shí)驗(yàn)研究[D].天津：天津大學(xué)，2005：3-5.

[5]Hiroaki Kurihara.Determination of particle-size distribution by a laser scattering method[J].Pedologist，1999，43（2）：73-81.

[6]楊小容，陳建政.串口AD嵌入式Linux驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)測(cè)試，2010，36（2）：84-87.

[7]李巖.基于S3C44B0嵌入式μCLinux系統(tǒng)原理及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005：197-228.

[8]宋亮，苗瓊.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μc/os-Ⅱ串口通信的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2011，19（5）：42-46.