基于STM32 的便攜式直鏈淀粉測定儀設計*

吳靜珠，劉 倩，董文菲，王克棟，陳 巖

(北京工商大學 計算機與信息工程學院，北京100048)

0 引 言

直鏈淀粉是玉米、小麥、大米、高粱、馬鈴薯等農作物的主要營養成分。直鏈淀粉含量(amylase content，AC)在評價糧食品質和農業選種、育種以及工業生產等方面具有實際意義［1，2］，因此，研制直鏈淀粉含量的快速檢測裝置具有非常重要的意義。

我國國標中檢測直鏈淀粉所用儀器一般都是分光光度計［3］，儀器自動化程度低，且檢測過程中需要脫脂的預處理步驟，耗時較長。目前，國外已經有商業化的直鏈淀粉測定儀器，如瑞典Foss 公司FLAstar 5000 Analyzer 和美國O—I公司的FS—IV 化學自動分析儀。但上述儀器價格昂貴、體積龐大，且同樣需要脫脂的預處理步驟，不適用于需要流動監測或是現場分析的場合。國內在直鏈淀粉測定儀器的研制方面起步較晚，中國農業大學研制的基于比色原理的DPCZ 型直鏈淀粉測定儀［4］價格便宜，檢測準確，但是需要配備電腦作為上位機對儀器操作進行控制，不但增加儀器成本，且體積相對較大，另外，采用蠕動泵的自動進樣方式極易引入氣泡導致檢測不準確。

本文設計開發了一種基于光電比色原理的專用型直鏈淀粉測定儀，擬從小型化、靈活性和準確性角度提升國產直鏈淀粉測定儀的性能，使之成為適合我國實際發展所需要的品質快速檢測儀表。

1 系統工作原理與設計

1.1 系統工作原理

本系統工作原理采用碘比色法。該方法是最經典的直鏈淀粉含量測定方法，也是最符合中國國情的、國內普遍采用的稻谷直鏈淀粉含量的測定方法。

1.2 硬件系統設計

1.2.1 基于STM32 嵌入式平臺的微系統設計

采用STM32 F103 作為直鏈淀粉測定儀的核心微控制器，直鏈淀粉測定儀硬件系統總體框圖如圖1 所示。本系統的核心控制器主要功能包括:光電檢測電路輸出信號的A/D 轉換、數據采集控制、數據分析和算法處理(定標、建模和預測)，以及人機交互操作界面等。STM32F103 增強型系列［5］使用高性能的ARM Cortex—M3 32 位的RISC 內核，工作頻率為72 MHz，內置12 位逐次逼近型A/D 轉換器。外接設備有:一個24C02EEPROM，2 kbit(256 字節)用于保存模型，一個HS0038 標準的38 kHz 紅外信號接收頭，用于接收紅外遙控器的信號，一個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 個控制按鍵。

圖1 直鏈淀粉測定儀硬件系統總體框圖Fig 1 Overall block diagram of hardware system of amylose determinator

1.2.2 基于光纖探頭的光路設計

傳統的基于比色原理［6］的直鏈淀粉測定儀中采用比色皿放置待測溶液，本系統中則采用光纖探頭取樣裝置替代比色皿，重新進行光路設計，如圖2 所示。采用光纖探頭取樣代替比色皿，系統光路得到了簡化，而且精簡了檢測流程，無需等待沖洗比色皿和進樣的過程，也不存在氣泡可能流入比色皿影響檢測結果。本系統中光纖探頭采用海洋光學的T300—RT—VIS—NIR 浸入式透射探頭、RT—10MM(10 mm光程)探頭帽。

圖2 光路設計圖Fig 2 Optical path design

淀粉溶液對波長600 ～650 nm 附近的紅光吸收最強［7］，而對其他光的吸收明顯減弱。經過比較，本設計系統選用輸出波長為635 nm 的激光發生器，輸出功率為2 mW，工作電壓6 V。采用單波長高穩定性的紅外激光光源［8］可以提高系統的檢測精度，同時可以保證系統的穩定性和抗干擾性。

激光光源發出的光經過入射光纖照射到透射探頭的取樣處，一部分被溶液吸收，剩余部分經出射光纖到達光電探測器(系統選用線性度好的硅光電池做檢測器，硅光電池型號為2CR1133—01，這種硅光電池對635 nm 的入射光相對響應度最大，大于90%)。

由于光電池輸出的是微小的電流信號，光電檢測電路中特意選用具有溫度補償的對數放大器AD8304 構成的非線性放大電路，完成電流到電壓的對數比轉換。AD8304 的輸入電流Ipd與輸出電壓VLOG關系為

其中，K1為系數。

由式(1)可得，與線性檢測放大電路相比，AD8304 對數放大器可以有效地減小電壓信號的動態變化范圍，因此，采用位數較少的A/D 轉換模塊即可實現較高的檢測精度，與高位數的A/D 轉換模塊相比能在一定程度上降低儀器成本。

1.3 軟件系統設計

軟件開發使用RealView MDK—ARM 3.80A 工具，采用模塊化的程序設計思想。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 實驗測量

2.1 樣本制備

從國家稻谷品質檢測中心杭州水稻研究所購買供已知直鏈淀粉含量的大米標準樣本4 個，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%的兩種待測樣品。

按GB 7648—87［3］分別對定標樣本和待測樣本進行前處理(不經脫脂)，得到定容顯色后的溶液。

2.2 建立標定曲線

按照系統操作流程，采集待測溶液的電壓值。采用最小二乘法［9］分析實驗數據，定標樣本的電壓值與標樣的擬合曲線如圖4 所示。實驗結果表明:實驗數據直鏈淀粉含量與測量電壓之間的線性關系很好，相關系數的平方為0.995 3。

2.3 測定待測樣品

將兩個待測樣品在相同實驗條件下分別測量3 次，取其平均值作為測量值。實驗數據與結果分析如表1 所示。從實驗數據可以看出兩種預測樣品相對誤差范圍為1.34%～1.73%，絕對誤差范圍為－0.08～－0.23。實驗結果表明:本測定儀完全能滿足日常測量要求。

圖4 標定曲線Fig 4 Calibration curve

表1 實驗數據與分析Tab 1 Experimental data and analysis

3 結束語

本文設計開發的基于STM32 嵌入式平臺的直鏈淀粉測定儀，著眼于儀器的便攜性和準確性等關鍵技術，較其他同類儀器有了創新性的改進:模塊化的結構設計，大幅度地減小儀器體積，并提高儀器的自動化程度;采用基于光纖探頭的取樣光路設計，測定速度快，檢測電路靈敏，適合快速測定;基于嵌入式平臺系統控制軟件，界面直觀，操作簡便，可實現人機交互操作。

［1］ 王曉曦，王修法，溫紀平，等.世界小麥產量及加工業發展概況［J］.糧食加工，2008，33(4):11－12.

［2］ 章紹兵，陸啟玉.直鏈淀粉含量對面粉糊化特性及面條品質的影響［J］.河南工業大學學報，2005，26(6):9－12.

［3］ 中華人民共和國農牧漁業部.GB7648—87.水稻、玉米、谷子籽粒直鏈淀粉含量的測定［S］.北京:中國標準出版社，1987.

［4］ 張巧杰，王一鳴，吳靜珠，等.基于比色原理的直鏈淀粉測定儀設計與試驗［J］.農業機械學報，2005，36(7):81－84.

［5］ 孫書鷹，陳志佳，寇 超.新一代嵌入式微處理器STM32F103開發與應用［J］.微計算機應用，2010，31(12):59－63.

［6］ 倪小英，劉 榮，黃黎慧，等.稻米直鏈淀粉含量測定方法探討［J］.糧食與油脂，2008(10):46－48.

［7］ 張巧杰.直鏈淀粉檢測方法與技術研究［D］.北京:中國農業大學.2005.

［8］ 俞寬新，江鐵良，趙啟大，等.激光原理與激光技術［M］.北京:北京工業大學出版社，1998.

［9］ 王新和，程世州.曲線擬合的最小二乘法［J］.新疆職業大學學報，2004，12(2):84－86.