食品檢測試劑自動配制系統設計

陳春義 陳春梅

【摘 要】為了解決人工配制試劑步驟煩瑣、節省查找資料的時間、提高試劑配制準確度等問題，基于現有技術，文章設計開發了食品檢測試劑自動配制系統，以達到化學試劑自動配制的目的。

【關鍵詞】單片機;化學試劑;自動配制;智能定容

【中圖分類號】TS264.21 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）10-0037-03

0 前言

在食品檢測中需要配制很多不同種類的試劑，配制過程包括計算、稱量、混合、定容、清洗等工序。試劑配制工作非常占用實驗員的時間，為此本文設計了一個操作方便的化學試劑自動配制系統。試劑配制常常有一定的先后混合順序，有一定的試劑加入速度要求，有固定的配制比例，化學試劑自動配制系統將這些都存儲在數據庫里，節省實驗員查找資料的時間及人為誤差。

1 食品檢測試劑自動配制系統的總體設計

1.1 系統芯片的選擇

本系統運行在室內、外界干擾小的環境，動力輸出小，對運算能力和存儲能力有一定的要求。綜合需求，本設計選擇單片機為STM32F103ZET6。STM32F103ZET6有flash：512M;Ram：64 M;Pin：144;通用IO：112;定時器：8個;可外擴存儲芯片，含有I2C、U（S）ART，可連接電腦和下位機;含有ADC、DAC，可進行過程檢測。

1.2 系統硬件

食品檢測試劑自動配制系統硬件包括單片機、LCD、觸摸屏、驅動板、X軸運動組件、Y軸運動組件、大功率mos管PWM開關模塊、蠕動泵、抽液管、電源、定容裝置、壓力傳感器、試劑瓶座、試劑瓶。

試劑配制的準確度要求較高，一般選擇210 mL/min小型蠕動泵，通過控制速度和時間來控制流量。小型蠕動泵的單位時間內流量小，便于減小誤差。Norprene管耐強酸、耐強堿，有很好的化學穩定性。

1.3 系統框圖

系統框圖如圖1所示。

1.4 系統功能介紹

化學試劑自動配制系統包含試劑配制方案數據庫，具有校準、清洗、定量配制試劑、定容配制試劑、機械部件快速復位的功能。

1.5 系統操作流程

化學試劑自動配制系統控制方法如下：按照通過觸摸屏操作輸入或者選擇的配制方案和配制數量，以及單片機運行計算公式，算出當前配制數量需要抽液的時間和抽液的速度，根據當前配制方案控制化學試劑自動配制系統運行到指定位置，進行指定操作（如圖2所示）。

2 食品檢測試劑自動配制系統的控制原理

2.1 配試劑的單片機控制流程

系統根據用戶輸入或者選擇的配制方案和配制數量算出當前配制數量需要抽液的時間和抽液的速度，并根據預設的試劑加入順序，抽取對應試劑，逐步添加，直到完成試劑配制，或者被中斷。配制前進行校準，配制完成后進行清洗（如圖3所示）。

2.2 試劑配制用量的計算方法

單片機根據被選中的配制方法和配置數量，運行計算公式：

T2=L×T1×D÷L1

其中，T1是單位時間，T2是理論抽試劑時間，L是需要抽試劑的量，L1是單位時間內抽試劑的量，D是抽試劑的精度。單位時間T1內抽試劑的量L1，是通過運行校準功能得到的值。

T=T2+C（L）

其中，T2是理論抽試劑時間，T是實際抽試劑的時間，C（L）是Accuracy curve曲線在L位置對應的精度校正值。校正曲線圖如圖4所示。

2.3 校準原理

校準抽液管和單個蠕動泵組成的抽試劑單通道在單位時間內抽試劑的體積，化學試劑自動配制系統有多個抽試劑通道，分別對每個通道進行單獨校準。水的重量和體積比例是1∶1，使用百分之一天平稱量單位時間內抽試劑的水的重量，就得到單位時間內抽試劑的體積。通過觸摸屏，輸入將稱量到的體積。此數據就是計算公式里的L1。

2.4 校準的必要原因

每個通道進行單獨校準的原因在于蠕動泵之間存在個體差異，同一型號的蠕動泵在接受相同PWM信號的情況下，單位時間內抽出的試劑量不同，因此要進行單通道校準。每次更換抽液管，由于抽液管的長度不同、生產批次不同，引起在單位時間內傳輸的試劑量不同，所以更換抽液管后要重新校準。

2.5 管道自動清洗方法

單片機按既定軌跡控制蠕動泵和抽液管去到放置純水的地方。抽大量的純水沖刷管道，每次抽純水1 min，可以反復進行清洗，直到清洗干凈。減少人工清洗的時間。

2.6 定容配制試劑的原理

根據光線進入不同介質產生折射的原理，使用槽型光電傳感器，槽口兩邊分別有發光二極管、感光二極管。沒有試劑時，感光二極管接收到發光二極管的光，輸出高電平。有試劑時，光經過液體試劑發生折射，感光二極管失去發光二極管的光，輸出低電平。

向容量瓶加入試劑時會引起液面振動，光電傳感器實時監測液位，當暫停向容量瓶加入試劑后液位信號仍然為高，并維持時間大于2 s時，確定為完成定容。

2.7 定容配制試劑的測量信號

定容配制試劑的測量信號如圖5所示。

2.8 定容配制試劑的控制流程

定容配制試劑的控制流程如圖6所示。

2.9 使用數據庫配制試劑的原理

食品檢測中使用的試劑有明確的國家標準、地方標準、企業標準。單片機系統外掛存儲芯片，存儲這些標準中的配制方法、常用的配制數量。每種配制方法都按照配制標準執行，例如試劑加入的先后順序、固定的比例。按照固定的比例和操作人員需要的試劑量計算出每種試劑對應要抽取的量。試劑配制會遇到發熱的情況，所以試劑加入的速度也要按照設定的標準進行控制。所述的數據庫中每種配制方法都有指定的試劑加入順序、試劑加入速度、試劑配制的基礎數量。

2.10 使用數據庫配制試劑的流程

數據庫配制試劑流程如圖7所示。

3 實例分析

（1）1+1鹽酸溶液配制，即為50 mL鹽酸+50 mL純水。

（2）確定系統已經校準，并觀察操作臺上有足夠的純鹽酸和純水。

（3）在觸摸屏上選擇進入數據庫找到1+1鹽酸的配方列表，打開查看1+1鹽酸的配制方法，輸入需要配制的數量，確定后開始本系統自動配制。

（4）配制結果：500 mL以內的誤差<0.005。

4 結論

食品檢測試劑自動配制系統的準確度滿足食品檢測實驗室常用試劑配制的要求，而且儲存大量試劑配制配方，方便實驗人員查找和調用。食品檢測試劑自動配制系統的應用減少了實驗員查資料的時間，并且由于其采用機械化操作，因此減少了人工配制試劑引起的誤差。

參 考 文 獻

[1]意法半導體集團.ST MCU最新選型手冊[Z].2017.

[2]王化祥.現代傳感技術及應用[M].北京：化學工業出版社，2008.

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