吳靜珠，劉 倩，董文菲，王克棟，陳 巖

(北京工商大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，北京100048)

0 引 言

直鏈淀粉是玉米、小麥、大米、高粱、馬鈴薯等農(nóng)作物的主要營(yíng)養(yǎng)成分。直鏈淀粉含量(amylase content，AC)在評(píng)價(jià)糧食品質(zhì)和農(nóng)業(yè)選種、育種以及工業(yè)生產(chǎn)等方面具有實(shí)際意義［1，2］，因此，研制直鏈淀粉含量的快速檢測(cè)裝置具有非常重要的意義。

我國(guó)國(guó)標(biāo)中檢測(cè)直鏈淀粉所用儀器一般都是分光光度計(jì)［3］，儀器自動(dòng)化程度低，且檢測(cè)過(guò)程中需要脫脂的預(yù)處理步驟，耗時(shí)較長(zhǎng)。目前，國(guó)外已經(jīng)有商業(yè)化的直鏈淀粉測(cè)定儀器，如瑞典Foss 公司FLAstar 5000 Analyzer 和美國(guó)O—I公司的FS—IV 化學(xué)自動(dòng)分析儀。但上述儀器價(jià)格昂貴、體積龐大，且同樣需要脫脂的預(yù)處理步驟，不適用于需要流動(dòng)監(jiān)測(cè)或是現(xiàn)場(chǎng)分析的場(chǎng)合。國(guó)內(nèi)在直鏈淀粉測(cè)定儀器的研制方面起步較晚，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的基于比色原理的DPCZ 型直鏈淀粉測(cè)定儀［4］價(jià)格便宜，檢測(cè)準(zhǔn)確，但是需要配備電腦作為上位機(jī)對(duì)儀器操作進(jìn)行控制，不但增加儀器成本，且體積相對(duì)較大，另外，采用蠕動(dòng)泵的自動(dòng)進(jìn)樣方式極易引入氣泡導(dǎo)致檢測(cè)不準(zhǔn)確。

本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種基于光電比色原理的專(zhuān)用型直鏈淀粉測(cè)定儀，擬從小型化、靈活性和準(zhǔn)確性角度提升國(guó)產(chǎn)直鏈淀粉測(cè)定儀的性能，使之成為適合我國(guó)實(shí)際發(fā)展所需要的品質(zhì)快速檢測(cè)儀表。

1 系統(tǒng)工作原理與設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)工作原理采用碘比色法。該方法是最經(jīng)典的直鏈淀粉含量測(cè)定方法，也是最符合中國(guó)國(guó)情的、國(guó)內(nèi)普遍采用的稻谷直鏈淀粉含量的測(cè)定方法。

1.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.2.1 基于STM32 嵌入式平臺(tái)的微系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用STM32 F103 作為直鏈淀粉測(cè)定儀的核心微控制器，直鏈淀粉測(cè)定儀硬件系統(tǒng)總體框圖如圖1 所示。本系統(tǒng)的核心控制器主要功能包括:光電檢測(cè)電路輸出信號(hào)的A/D 轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集控制、數(shù)據(jù)分析和算法處理(定標(biāo)、建模和預(yù)測(cè))，以及人機(jī)交互操作界面等。STM32F103 增強(qiáng)型系列［5］使用高性能的ARM Cortex—M3 32 位的RISC 內(nèi)核，工作頻率為72 MHz，內(nèi)置12 位逐次逼近型A/D 轉(zhuǎn)換器。外接設(shè)備有:一個(gè)24C02EEPROM，2 kbit(256 字節(jié))用于保存模型，一個(gè)HS0038 標(biāo)準(zhǔn)的38 kHz 紅外信號(hào)接收頭，用于接收紅外遙控器的信號(hào)，一個(gè)2.8 in(1 in=2.54 cm)TFTLCD 液晶顯示屏，支持觸摸功能，分辨率為320×240，16 位真彩顯示，4 個(gè)控制按鍵。

圖1 直鏈淀粉測(cè)定儀硬件系統(tǒng)總體框圖Fig 1 Overall block diagram of hardware system of amylose determinator

1.2.2 基于光纖探頭的光路設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的基于比色原理［6］的直鏈淀粉測(cè)定儀中采用比色皿放置待測(cè)溶液，本系統(tǒng)中則采用光纖探頭取樣裝置替代比色皿，重新進(jìn)行光路設(shè)計(jì)，如圖2 所示。采用光纖探頭取樣代替比色皿，系統(tǒng)光路得到了簡(jiǎn)化，而且精簡(jiǎn)了檢測(cè)流程，無(wú)需等待沖洗比色皿和進(jìn)樣的過(guò)程，也不存在氣泡可能流入比色皿影響檢測(cè)結(jié)果。本系統(tǒng)中光纖探頭采用海洋光學(xué)的T300—RT—VIS—NIR 浸入式透射探頭、RT—10MM(10 mm光程)探頭帽。

圖2 光路設(shè)計(jì)圖Fig 2 Optical path design

淀粉溶液對(duì)波長(zhǎng)600 ～650 nm 附近的紅光吸收最強(qiáng)［7］，而對(duì)其他光的吸收明顯減弱。經(jīng)過(guò)比較，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)選用輸出波長(zhǎng)為635 nm 的激光發(fā)生器，輸出功率為2 mW，工作電壓6 V。采用單波長(zhǎng)高穩(wěn)定性的紅外激光光源［8］可以提高系統(tǒng)的檢測(cè)精度，同時(shí)可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性。

激光光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)入射光纖照射到透射探頭的取樣處，一部分被溶液吸收，剩余部分經(jīng)出射光纖到達(dá)光電探測(cè)器(系統(tǒng)選用線性度好的硅光電池做檢測(cè)器，硅光電池型號(hào)為2CR1133—01，這種硅光電池對(duì)635 nm 的入射光相對(duì)響應(yīng)度最大，大于90%)。

由于光電池輸出的是微小的電流信號(hào)，光電檢測(cè)電路中特意選用具有溫度補(bǔ)償?shù)膶?duì)數(shù)放大器AD8304 構(gòu)成的非線性放大電路，完成電流到電壓的對(duì)數(shù)比轉(zhuǎn)換。AD8304 的輸入電流Ipd與輸出電壓VLOG關(guān)系為

其中，K1為系數(shù)。

由式(1)可得，與線性檢測(cè)放大電路相比，AD8304 對(duì)數(shù)放大器可以有效地減小電壓信號(hào)的動(dòng)態(tài)變化范圍，因此，采用位數(shù)較少的A/D 轉(zhuǎn)換模塊即可實(shí)現(xiàn)較高的檢測(cè)精度，與高位數(shù)的A/D 轉(zhuǎn)換模塊相比能在一定程度上降低儀器成本。

1.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件開(kāi)發(fā)使用RealView MDK—ARM 3.80A 工具，采用模塊化的程序設(shè)計(jì)思想。主程序算法程序框圖如圖3 所示。

圖3 主程序算法程序框圖Fig 3 Block diagram of main program algorithm

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量

2.1 樣本制備

從國(guó)家稻谷品質(zhì)檢測(cè)中心杭州水稻研究所購(gòu)買(mǎi)供已知直鏈淀粉含量的大米標(biāo)準(zhǔn)樣本4 個(gè)，直鏈淀粉含量分別為1.5%，10.4%，16.2%和26.5%。分別取第一，二和第二，三兩種標(biāo)樣按照1 ∶1 比例混合得到直鏈淀粉含量為5.95%，13.3%的兩種待測(cè)樣品。

按GB 7648—87［3］分別對(duì)定標(biāo)樣本和待測(cè)樣本進(jìn)行前處理(不經(jīng)脫脂)，得到定容顯色后的溶液。

2.2 建立標(biāo)定曲線

按照系統(tǒng)操作流程，采集待測(cè)溶液的電壓值。采用最小二乘法［9］分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，定標(biāo)樣本的電壓值與標(biāo)樣的擬合曲線如圖4 所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)直鏈淀粉含量與測(cè)量電壓之間的線性關(guān)系很好，相關(guān)系數(shù)的平方為0.995 3。

2.3 測(cè)定待測(cè)樣品

將兩個(gè)待測(cè)樣品在相同實(shí)驗(yàn)條件下分別測(cè)量3 次，取其平均值作為測(cè)量值。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果分析如表1 所示。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出兩種預(yù)測(cè)樣品相對(duì)誤差范圍為1.34%～1.73%，絕對(duì)誤差范圍為－0.08～－0.23。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:本測(cè)定儀完全能滿足日常測(cè)量要求。

圖4 標(biāo)定曲線Fig 4 Calibration curve

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析Tab 1 Experimental data and analysis

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的基于STM32 嵌入式平臺(tái)的直鏈淀粉測(cè)定儀，著眼于儀器的便攜性和準(zhǔn)確性等關(guān)鍵技術(shù)，較其他同類(lèi)儀器有了創(chuàng)新性的改進(jìn):模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，大幅度地減小儀器體積，并提高儀器的自動(dòng)化程度;采用基于光纖探頭的取樣光路設(shè)計(jì)，測(cè)定速度快，檢測(cè)電路靈敏，適合快速測(cè)定;基于嵌入式平臺(tái)系統(tǒng)控制軟件，界面直觀，操作簡(jiǎn)便，可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互操作。

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