食品檢測(cè)試劑自動(dòng)配制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳春義 陳春梅

【摘 要】為了解決人工配制試劑步驟煩瑣、節(jié)省查找資料的時(shí)間、提高試劑配制準(zhǔn)確度等問(wèn)題，基于現(xiàn)有技術(shù)，文章設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了食品檢測(cè)試劑自動(dòng)配制系統(tǒng)，以達(dá)到化學(xué)試劑自動(dòng)配制的目的。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī);化學(xué)試劑;自動(dòng)配制;智能定容

【中圖分類(lèi)號(hào)】TS264.21 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2020）10-0037-03

0 前言

在食品檢測(cè)中需要配制很多不同種類(lèi)的試劑，配制過(guò)程包括計(jì)算、稱(chēng)量、混合、定容、清洗等工序。試劑配制工作非常占用實(shí)驗(yàn)員的時(shí)間，為此本文設(shè)計(jì)了一個(gè)操作方便的化學(xué)試劑自動(dòng)配制系統(tǒng)。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(xué)試劑自動(dòng)配制系統(tǒng)將這些都存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)里，節(jié)省實(shí)驗(yàn)員查找資料的時(shí)間及人為誤差。

1 食品檢測(cè)試劑自動(dòng)配制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)芯片的選擇

本系統(tǒng)運(yùn)行在室內(nèi)、外界干擾小的環(huán)境，動(dòng)力輸出小，對(duì)運(yùn)算能力和存儲(chǔ)能力有一定的要求。綜合需求，本設(shè)計(jì)選擇單片機(jī)為STM32F103ZET6。STM32F103ZET6有flash：512M;Ram：64 M;Pin：144;通用IO：112;定時(shí)器：8個(gè);可外擴(kuò)存儲(chǔ)芯片，含有I2C、U（S）ART，可連接電腦和下位機(jī);含有ADC、DAC，可進(jìn)行過(guò)程檢測(cè)。

1.2 系統(tǒng)硬件

食品檢測(cè)試劑自動(dòng)配制系統(tǒng)硬件包括單片機(jī)、LCD、觸摸屏、驅(qū)動(dòng)板、X軸運(yùn)動(dòng)組件、Y軸運(yùn)動(dòng)組件、大功率mos管PWM開(kāi)關(guān)模塊、蠕動(dòng)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(zhǔn)確度要求較高，一般選擇210 mL/min小型蠕動(dòng)泵，通過(guò)控制速度和時(shí)間來(lái)控制流量。小型蠕動(dòng)泵的單位時(shí)間內(nèi)流量小，便于減小誤差。Norprene管耐強(qiáng)酸、耐強(qiáng)堿，有很好的化學(xué)穩(wěn)定性。

1.3 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.4 系統(tǒng)功能介紹

化學(xué)試劑自動(dòng)配制系統(tǒng)包含試劑配制方案數(shù)據(jù)庫(kù)，具有校準(zhǔn)、清洗、定量配制試劑、定容配制試劑、機(jī)械部件快速?gòu)?fù)位的功能。

1.5 系統(tǒng)操作流程

化學(xué)試劑自動(dòng)配制系統(tǒng)控制方法如下：按照通過(guò)觸摸屏操作輸入或者選擇的配制方案和配制數(shù)量，以及單片機(jī)運(yùn)行計(jì)算公式，算出當(dāng)前配制數(shù)量需要抽液的時(shí)間和抽液的速度，根據(jù)當(dāng)前配制方案控制化學(xué)試劑自動(dòng)配制系統(tǒng)運(yùn)行到指定位置，進(jìn)行指定操作（如圖2所示）。

2 食品檢測(cè)試劑自動(dòng)配制系統(tǒng)的控制原理

2.1 配試劑的單片機(jī)控制流程

系統(tǒng)根據(jù)用戶(hù)輸入或者選擇的配制方案和配制數(shù)量算出當(dāng)前配制數(shù)量需要抽液的時(shí)間和抽液的速度，并根據(jù)預(yù)設(shè)的試劑加入順序，抽取對(duì)應(yīng)試劑，逐步添加，直到完成試劑配制，或者被中斷。配制前進(jìn)行校準(zhǔn)，配制完成后進(jìn)行清洗（如圖3所示）。

2.2 試劑配制用量的計(jì)算方法

單片機(jī)根據(jù)被選中的配制方法和配置數(shù)量，運(yùn)行計(jì)算公式：

T2=L×T1×D÷L1

其中，T1是單位時(shí)間，T2是理論抽試劑時(shí)間，L是需要抽試劑的量，L1是單位時(shí)間內(nèi)抽試劑的量，D是抽試劑的精度。單位時(shí)間T1內(nèi)抽試劑的量L1，是通過(guò)運(yùn)行校準(zhǔn)功能得到的值。

T=T2+C（L）

其中，T2是理論抽試劑時(shí)間，T是實(shí)際抽試劑的時(shí)間，C（L）是Accuracy curve曲線(xiàn)在L位置對(duì)應(yīng)的精度校正值。校正曲線(xiàn)圖如圖4所示。

2.3 校準(zhǔn)原理

校準(zhǔn)抽液管和單個(gè)蠕動(dòng)泵組成的抽試劑單通道在單位時(shí)間內(nèi)抽試劑的體積，化學(xué)試劑自動(dòng)配制系統(tǒng)有多個(gè)抽試劑通道，分別對(duì)每個(gè)通道進(jìn)行單獨(dú)校準(zhǔn)。水的重量和體積比例是1∶1，使用百分之一天平稱(chēng)量單位時(shí)間內(nèi)抽試劑的水的重量，就得到單位時(shí)間內(nèi)抽試劑的體積。通過(guò)觸摸屏，輸入將稱(chēng)量到的體積。此數(shù)據(jù)就是計(jì)算公式里的L1。

2.4 校準(zhǔn)的必要原因

每個(gè)通道進(jìn)行單獨(dú)校準(zhǔn)的原因在于蠕動(dòng)泵之間存在個(gè)體差異，同一型號(hào)的蠕動(dòng)泵在接受相同PWM信號(hào)的情況下，單位時(shí)間內(nèi)抽出的試劑量不同，因此要進(jìn)行單通道校準(zhǔn)。每次更換抽液管，由于抽液管的長(zhǎng)度不同、生產(chǎn)批次不同，引起在單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)脑噭┝坎煌?，所以更換抽液管后要重新校準(zhǔn)。

2.5 管道自動(dòng)清洗方法

單片機(jī)按既定軌跡控制蠕動(dòng)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(fù)進(jìn)行清洗，直到清洗干凈。減少人工清洗的時(shí)間。

2.6 定容配制試劑的原理

根據(jù)光線(xiàn)進(jìn)入不同介質(zhì)產(chǎn)生折射的原理，使用槽型光電傳感器，槽口兩邊分別有發(fā)光二極管、感光二極管。沒(méi)有試劑時(shí)，感光二極管接收到發(fā)光二極管的光，輸出高電平。有試劑時(shí)，光經(jīng)過(guò)液體試劑發(fā)生折射，感光二極管失去發(fā)光二極管的光，輸出低電平。

向容量瓶加入試劑時(shí)會(huì)引起液面振動(dòng)，光電傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液位，當(dāng)暫停向容量瓶加入試劑后液位信號(hào)仍然為高，并維持時(shí)間大于2 s時(shí)，確定為完成定容。

2.7 定容配制試劑的測(cè)量信號(hào)

定容配制試劑的測(cè)量信號(hào)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(shù)據(jù)庫(kù)配制試劑的原理

食品檢測(cè)中使用的試劑有明確的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。單片機(jī)系統(tǒng)外掛存儲(chǔ)芯片，存儲(chǔ)這些標(biāo)準(zhǔn)中的配制方法、常用的配制數(shù)量。每種配制方法都按照配制標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)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(jì)算出每種試劑對(duì)應(yīng)要抽取的量。試劑配制會(huì)遇到發(fā)熱的情況，所以試劑加入的速度也要按照設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制。所述的數(shù)據(jù)庫(kù)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(chǔ)數(shù)量。

2.10 使用數(shù)據(jù)庫(kù)配制試劑的流程

數(shù)據(jù)庫(kù)配制試劑流程如圖7所示。

3 實(shí)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(tǒng)已經(jīng)校準(zhǔn)，并觀(guān)察操作臺(tái)上有足夠的純鹽酸和純水。

（3）在觸摸屏上選擇進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)找到1+1鹽酸的配方列表，打開(kāi)查看1+1鹽酸的配制方法，輸入需要配制的數(shù)量，確定后開(kāi)始本系統(tǒng)自動(dòng)配制。

（4）配制結(jié)果：500 mL以?xún)?nèi)的誤差<0.005。

4 結(jié)論

食品檢測(cè)試劑自動(dòng)配制系統(tǒng)的準(zhǔn)確度滿(mǎn)足食品檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室常用試劑配制的要求，而且儲(chǔ)存大量試劑配制配方，方便實(shí)驗(yàn)人員查找和調(diào)用。食品檢測(cè)試劑自動(dòng)配制系統(tǒng)的應(yīng)用減少了實(shí)驗(yàn)員查資料的時(shí)間，并且由于其采用機(jī)械化操作，因此減少了人工配制試劑引起的誤差。

參 考 文 獻(xiàn)

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