基于嵌入式系统的多功能食品安全检测仪.pdf

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1、现代仪器()二八年第二期54基于嵌入式系统的多功能食品安全检测仪张永忠 吴舒辞（中南林业科技大学电子与信息工程学院 长沙 410000）摘 要 本文介绍吸光光度法在食品安全检测中的原理与应用，并利用现代电子技术设计一款适合当前市场需要、功能完善、轻便的多功能多通道食品安全检测仪。关键词 吸光光度法 食品安全检测 多功能食品安全检测仪 食品安全问题已引起国家有关部门的高度关注，加强食品安全的监督管理成为各级政府的重要任务之一。农药残留、亚硝酸盐、二氧化硫、甲醛等物质是食品中严格限制使用的，现在对这些物质的检测方法一般是现场采样带回实验室进行化学分析，这种分析方法检测精度高，但操作复杂，检测速度慢

2、，检测成本高，仪器价格也很高，不适合用于食品现场的检测。现研制的多功能食品安全检测仪能同时、快速地检测目前市场上常用的 12 种有害成分或添加剂：农药残留、亚硝酸盐、二氧化硫、甲醛、吊白块、甲醇、铅、镉、铬、过氧化值、氨基酸态氮、丙二醛。仪器功能齐全，操作方便，使用简单，将成为目前食品安全检测行业的主要仪器。1 检测原理吸光光度法是基于不同物质对光的选择性吸收原理的一种分析检测方法，这种方法具有检测灵敏度、精度高的优点，分析化学领域广为使用的分光光度计就是基于这一原理2。1.1 农药残留检测1,6农药残留物的主要成分是有机磷和氨基甲酸酯，它们能抑制中枢和周围神经系统中乙酰胆碱酯酶的活性，造成神

3、经传导介质乙酰胆碱的积累，影响正常传导，使昆虫中毒致死，根据这一毒理学原理，对农药残留进行检测。根据目前国家标准，使用乙酰胆碱酯酶测定残留农药。以乙酰胆碱为底物，在乙酰胆碱酯酶（ACHE）的作用下，乙酰胆碱水解成胆碱和乙酸，胆碱和二硫双对硝基苯甲酸（DNTB）产生显色反应，使反应液呈黄色（在 420nm 处有最大吸收峰）。根据酶促反应动力学原理，在没有有机磷和氨基甲酸酯类农药存在时，底物在酶的催化作用下发生水解，反应速率可以用吸光度值随时间的变化率K0来表示。当有机磷和氨基甲酸酯类农药加入到酶的显色体系中时，农药抑制酶的活性，影响显色体系的反应速度，此时体系吸光度随时间的变化率为 Kt，则有机

4、磷和氨基甲酸酯类农药对酶的活性的抑制率 Y 的计算公式如下：%10000=KKKYt式中，K0：空白样品的吸光度随时间变化曲线的斜率值;Kt：样品溶液的吸光度随时间变化曲线的斜率值。采用乙酰胆碱酯酶测定残留农药时，当酶完全水解底物乙酰胆碱时，溶液显黄色，其抑制率为0，当酶活性被农药抑制而部分水解乙酰胆碱，测定溶液显淡黄色，出现对应的抑制率，当酶完全被农药抑制，测定溶液显无色，抑制率为 100%，这样就可以建立起农药残留量与酶活性抑制率之间的关系。因而可以通过测定抑制率的大小来显示农药残留的毒性程度。选用波长为 420nm 的光源，再利用光电检测器，就可以直接测量出黄色溶液在 420nm 波长下

5、的吸光度值 A，同时通过计时，测量出单位时间内吸光度的变化率 K A/t。目前实验室采用分光光度计测定时，分别测定空白和不同浓度的农药样品溶液反应 3min 时吸光度的变化值，计算 K0和 Kt，并转换为抑制率值，建立农药残留量和抑制率之间的校正模型，通过抑制率的大小就可以估算出农药的浓度。1.2 其它物质的检测原理1，6其它物质的检测采用试剂显色，分光光度计法。物质吸收由光源发出的特定波长的光，在一定的条件下其吸收程度与该物质的浓度成正比，所以可利用物质的特定吸收光谱对其进行定性定量的分析，这就是吸光度法。物质对单色光吸收的强弱以及溶液浓度与液层厚度的关系，遵循 Lambert-Beer 定

6、律：一束单色光经过溶液后，光能被吸收的程度与溶液的浓度和厚度成正比。其表达式为：二八年第二期55仪器评介A=KrCL式中，A 为吸光度，K 为吸收系数，C 为物质浓度，L 为溶液厚度（比色皿厚度）。如果溶液厚度 L 不变，则：A=KC式中，K 为吸收系数，在一定条件下，K 越大，表示物质对光的吸收越强。A 为吸光度，可以通过检测入射光和透射光来求出：A=lgI0/I，I0：入射光，I：透射光（见图 1）。图 1 光检测原理图仪器设计时入射光强度测量不方便，以没有放置比色皿时的光强代替，由于测量时比色皿等结构的影响，则吸光度与浓度的关系成为：A=KC+b。如果配制一系列已知的不同浓度的测定物溶液

7、，按一定方法显色后，分别测得吸光度。则可确定这种测定物的K值和b值（见图2）。对某一特定的仪器，其 K 和 b 值是一定的，且可以在出厂时测定并保存。图2 吸光度与浓度的关系测量时，仪器根据测定的溶液吸光度值，由图2 即可计算出浓度。2 系统设计2.1 系统光源与光检测设计由于不同物质的敏感波长不同，所以测不同的物质时，采用的波长也不相同，表 1 为本仪器所测项目对应的敏感波长。在分光光度计中，光源由白色光源经过棱镜等光学方法分出所要求的波长。在本仪器中，由于检测的元素已经确定，所需要的光源也就确定。为实现光度测量系统的微型化，使用发射波长固定的发光二极管作为微型单色光源。实验表明，入射光的单

8、色性会影响校正曲线的线性范围，在待测物浓度较高时，会出现对 Lambert-Beer定律的偏离,从而导致分析结果的误差。在光度分光传感器单色光源析中，待测物的浓度一般较低，如果采用单色性满足要求的微型光源，配以高灵敏度的检测器，采用高选择性的分析方法或采用一定的数据处理技术,则完全可以在 max20nm 甚至更宽的范围内对待测物进行定量分析，同时保证分析结果具有足够的精度与准确性。表 1 测不同物质时的对应波长6待测物名称敏感波长（nm）氨基酸态氮400甲醛、吊白块413农药残留420过氧化值440铅、镉510亚硝酸盐513铬540二氧化硫550甲醇590随着电子技术的飞速发展，采用高集成度的

9、光电元件，可以将传统分光光度计上多种功能的部件集成在一块很小的芯片上，完成光电转换、信号放大甚至模数转换等功能，使得仪器更加微型化。本仪器采用 OTP101 作为光电转换器件，可以将光信号转换成 05V 的电压信号。为适应多参数检测，设计可以同时安装 3 组发射/接收光信号的比色池，一台仪器上同时安装 16个比色池，这 16 个比色池分成 4 组，操作时以组为单位同时检测，根据市场需求的不同，每组检测比色池的组合（见表 2）。表 2 比色池检测项目分组组号检测项目波长（nm）1氨基酸态氮400铅、镉510农药残留4202铬540铅、镉510农药残留4203亚硝酸盐513二氧化硫550过氧化值4

10、404甲醇590亚硝酸盐513甲醛、吊白块413理论上检测结果与检测用的入射光强无关，但实际上由于受电路非线性及 AD 转换器的抗噪能力的影响，要求入射光强能保持在一个合适的值，又现代仪器()二八年第二期56由于发光二极管的发光效率会因波长的不同而不同，所以对不同波长的发光二极管要使用不同的电流驱动，为此我们设计以下光源与检测电路（见图 3）。X62X41X3X74VCC16X55EN6X013VEE7GND8X312C9B10A11X215X114U1VDD8OUTB7REF6AGND5DIN1SCLK2CS3OUTA4U3VrefP02P03P04P05P06P07Q1Q2VCCR2C2V

11、CCR112DS1LED0R312DS2LED0Vss1-IN2-V31MF4OUTP5COM8U2VOUT1P10P11P12P13P14IN11IN22IN33IN44IN55IN66IN77IN88IN99IN1011IN1112REF-13REF+14CS15DO16DI17CLK18EOC19VCC20GND10U4VCCVrefC3104C1C4C5图3 光源强度控制与光强检测原理图在 CPU 系统中保存有各种 LED 所需要的电流值（见图 3），CPU 根据用户选择，由 U3（DA 转换器）输出 LED 所需要的电压值，经过八选一开关切换和三极管放大后向 LED 提供电流。U2

12、为光电转换器件，它的输出与光强成正比，可以直接送给 U4 进行 AD 转换，得到光强值，再交给微处理器处理。2.2 系统结构设计4,5为便于扩展，系统采用主从式结构，主机采用ARM 处理器，负责用户界面显示与操作、结果存贮与打印、与计算机通讯等功能，从机采用 51 系列单片机控制，负责光源的控制与光电信号的采集。主机与从机之间采用 CAN 总线连接，以便可以扩展从机的数量。图4 系统框图图 4 中，D1 为主控制 CPU 系统，D2 为电源与看门狗电路，是系统可靠工作的保证，D3 为微型打印机，用于打印检测报告，D4 为彩色液晶显示器，用于操作时的人机交互、显示检测结果，D5 为 CAN 总线

13、通道二，用于需要时与多台检测仪相连，便于集中控制，D6 为 RS232 接口，用于与计算机连接，用户可以在计算机上设置与控制仪器，并保存检测结果，D7 为键盘，D8D11 是分机控制板，每块板控制 4 个比色池，共 12 个光源与光强检测通道。检测时，用户的检测命令通过键盘输入，D1经过判断、选择后，经过 CAN 总线 1 向相应的分板送出检测命令，分板收到命令后，先通过 DA 转换送出 LED 所需要的电源，再起动对应的 AD 转换器检测光电信号，并通过 CAN 总线 1 送回给D1，D1 接收到 DA 结果后，计算机出浓度值并显示、保存，由用户选择可以打印检测报告或将结果通过RS232 送

14、往上位计算机。3 测试结果与结论在实验室，对不同浓度待测物进行检测，并与专业分光光度计（型号：723N）检测结果比较（见表 3）。表 3 检测结果比较检测项目检测样品实际浓度分光光度计检测结果食品检测仪检测结果相对误差（%）农药残留*0.4mg/L32.930.93.00.8mg/L56.552.37.41.6mg/L75.676.51.1甲醛*4mg/L3.824.030.812mg/L12.4612.242.025mg/L25.7926.234.9亚硝酸盐*3mg/L3.023.217.06mg/L6.126.559.212mg/L11.9412.282.3二氧化硫*2.02mg/L1.8

15、82.187.94.04mg/L3.894.449.98.08mg/L7.748.798.8*农药残留:以分光光度计测定数值为准进行比较，检测结果为抑制率，单位：%。*其余为与实际浓度比较，单位：mg/L。由表 3 比较结果可见，误差在 10%以内，完全能满足对食品检测的要求。目前，产品通过有关部门组织的技术鉴定，应用于食品安全检测，具有良好的市场推广前景。参考文献1 刘慧闫，树刚，朱力.食品中农药残留快速检测方法的研究，中国农学通报，2003，19(4)：1381412 姚家彪，赵颖.红外光谱在食品安全检测中的应用，现代仪器，2006，(2)：20223 蔡汝秀，何治柯，刘志洪.分光光度分析

16、，分析实验室，2001，20(5)：961084 杜春雷.ARM 体系结构与编程，北京：清华大学出版社，20035 邬宽明.CAN 总线原理和应用系统设计，北京：北京航空航天大学出版社，19966 食品安全检测相关国家标准：GB/T5009-2003,GB/T7471-1987,GB/T7466-1987（上转第 49 页）二八年第二期49研制与开发7 性能测试以水中总磷的测定为例，对 0.010.4mg/L 浓度范围的工作曲线进行检测，其线性方程为 C=-0.0266A2+10.7634A+1.3682（见图 7），其相关系图 7 总磷分析的工作曲线图数（r）可以达到 0.9999。0.01

17、mg P/L 经 7 次测量的 SD 为 0.0738，根据 EPA 方法 DL=t（n-1,=0.99）*(s)当 n=7 时 t=3.14，测得其检出限为 0.0024mg P/L，取 0.1mg P/L 总磷标液，测定其 RSD，所以计算出 11 次测定平均值为 0.099mg/L，RSD 为 0.92%，结果令人满意。8 结束语本系统充分利用 C8051F060 单片机的强大功能，最大限度降低系统对外围芯片的需求，相应的使得整个控制系统得到简化，缩小 PCB 电路板的总体尺寸。由于 USB 接口技术的应用使得数据传输速度得到明显的提高，也使得多通道的同测成为可能，从而成倍地加快仪器地检

18、测分析效率。参考文献 1 Cypress Semiconductor Corporation，Using Decoupling Ca-pacitors B.Cypress Semiconductor Corporation San Jose CA 1999:1 4 2 刘卫东，刘延冰，刘建国 检测微弱光信号的 PIN 光电检测电路的设计 J，电测与仪表，1999，(4):28 31 3 高稚允，高岳 光电检测技术 B，北京：国防工业出版社，1995，6：172 188 4 潘琢金，施国君。C8051FXXX 高速 SOC 单片机原理与应用 M，北京：北京航空航天大学出版社，20025 胡广书，

19、数字信号处理理论、算法与实践 M，北京：清华大学出版社，19976 周立功，PDIUSBD12 USB固件编程和驱动开发M，北京：北京航空航天大学出版社，20037 陈明计，周立功.嵌入式实时操作系统 Small RTOS51 原理及应用，北京：北京航空航天大学出版社，2004 8 金永生，范明凤.基于 Small RTOS51 的数据采集器设计，单片机与嵌入式系统应用，2004，（5）：5960A multi-channel automatic flow injection analyzer(FIA)system which based on single-chip microcompute

20、r C8051F060Gu Aiping Zhao Ping Cheng Jinhui(Titan Instruments Co.,Ltd BeiJing 100016)Abstract This paper presents a multi-channel automatic flow injection analyzer(FIA)system which based on single-chip microcomputer(SCM).The system using mixed-signal System-on-a-Chip(Soc)MCUs C8051F060 as the the ce

21、ntral IC can control the synergistic operation between turntable automatic sampler,diluter and peristaltic pump through universal serial data bus.The absorbance data real-timely collected and stored by the FIA spectrophotometric method is Bulk transfered to workstation through peripheral USB.The dat

22、a is analysised and treated at the workstation.Key words C8051F060 microprocessor Absorbance data real-timely collect Universal serial bus Flow injection analyzer(FIA)Principle of the multi-function food safety detectorZhang Yongzhong Wu Shuci(Electronics&Information Engineering School Of Central So

23、uth University of Forestry&Technology,Changsha 41000)Abstract This article explains the principle and application of visible spectrometry in the food safety detector,and by using the modern electronic technical,a multi-function food safety detector was designed with characteristic of satisfying market requirements,full functions and easy carrying.Key words Visible spectrometry Food safety detect Multi-function food safety detector（下接第 56 页）