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文檔簡介
1、小型直鏈淀粉測定儀的設(shè)計(jì)與研究現(xiàn)狀摘 要本文介紹的DPCZ-II型直鏈淀粉測定儀是針對目前的直鏈淀粉檢測儀器體積大,價(jià)格昂貴的現(xiàn)狀而設(shè)計(jì)的體積小型,價(jià)格經(jīng)濟(jì)的檢測儀器,井對其檢測裝置進(jìn)行了大膽的改進(jìn)。該儀器由托普儀器代理銷售,它采用MCS一51系列的單片機(jī)AT89C51作為CPtI,系統(tǒng)由檢測裝置部分,單片機(jī)基本系統(tǒng),光電流信號放大,AD轉(zhuǎn)換,時(shí)鐘,液晶顯示,鍵盤擴(kuò)展,打印機(jī)擴(kuò)展以及RS232串口通信等部分組成。其中對檢測裝置的改進(jìn)主要包括:(1)采用單色性良好的635nm的激光光源; (2)連續(xù)進(jìn)樣裝置采用重力勢能原理自動進(jìn)樣器;(3)吸收池采用126微升(以)微量吸收池;(4)信號檢測器采
2、用硅光電池;(5)對光電流采用單路信號放大。軟件采用C51語言編寫,通信部分的PC機(jī)軟件則采用vc+6。0實(shí)現(xiàn)。該小型直鏈淀粉測定儀具有良好的人機(jī)對話功能,由鍵盤控制實(shí)現(xiàn)直鏈淀粉含量的測定,液晶顯示測量進(jìn)程中的計(jì)算結(jié)果并提示所要進(jìn)行的下一步操作,測量結(jié)果可以打印,能實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的通信并將結(jié)果保存為TXT文檔。另外,液體的流速可由自動進(jìn)樣器調(diào)節(jié)并能夠?qū)崿F(xiàn)液體的自動進(jìn)樣及連續(xù)數(shù)據(jù)采集。儀器能夠達(dá)到國標(biāo)要求的測量精度,鍵盤簡單,操作方便,實(shí)現(xiàn)了所要求的體積小型,經(jīng)濟(jì)的開發(fā)目標(biāo),對縣鄉(xiāng)級稻谷直鏈淀粉測定儀器的應(yīng)用與普及具有重要的指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞:直鏈淀粉,自動進(jìn)樣器。串口通信11研究目的和意義我國的稻
3、谷產(chǎn)量占我國糧食總產(chǎn)量的一半以上,居世界第一,但是由于缺乏能夠快速測試分析其品質(zhì)參數(shù)的儀器,使得按質(zhì)定級和質(zhì)量監(jiān)督難以進(jìn)行,造成在國際市場上缺乏競爭力,相反,國外的優(yōu)質(zhì)稻米卻走俏中國市場。所以優(yōu)質(zhì)稻谷的開發(fā)是我國今后農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一個(gè)主要方向。而影響稻米品質(zhì)的一個(gè)主要因素是其直鏈淀粉的含量。稻米直鏈淀粉的含量是評價(jià)稻米等級的一個(gè)重要指標(biāo)。稻米直鏈淀粉含量的高低不僅影響到蒸煮米的食味品質(zhì),而且影響外觀形象。故對大米直鏈淀粉的檢測是稻谷品質(zhì)檢測的一個(gè)重要方面。盡管我國已經(jīng)制定了適應(yīng)市場經(jīng)濟(jì)發(fā)展的糧食質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GBT178911999優(yōu)質(zhì)稻谷標(biāo)準(zhǔn)“1,但用于農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)檢測的手段仍比較落后,尤其是缺乏能夠
4、快速檢測分析稻谷品質(zhì)參數(shù)的經(jīng)濟(jì)實(shí)用的新型儀表。為了確保農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量,需要研制開發(fā)一批用于農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)檢測的經(jīng)濟(jì)型測量儀器。本課題是在“九四八”課題的基礎(chǔ)上,主要針對稻谷的直鏈淀粉含量這一參數(shù),研究設(shè)計(jì)一種小型,經(jīng)濟(jì)的主要面向廣大農(nóng)村基層單位的檢測儀器。由于國外進(jìn)口的農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)檢測儀器價(jià)格昂貴,檢測工藝復(fù)雜,費(fèi)用較高,一般在540萬元,僅適用于大城市的科研檢測機(jī)構(gòu)以及實(shí)驗(yàn)室:另外。國內(nèi)已經(jīng)研發(fā)和正在開發(fā)的檢測儀器也主要面向大城市且價(jià)格不菲,一般在24萬以上,不利于我國廣大農(nóng)村的普及應(yīng)用,不能滿足縣鄉(xiāng)級農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)檢測的迫切需要。目前,我國省級農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)檢機(jī)構(gòu)配置的儀器設(shè)備。無法全面開展國家標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目的檢
5、測,地市級質(zhì)檢機(jī)構(gòu)則更相差甚遠(yuǎn)。針對此現(xiàn)狀,特研發(fā)面向地市級單位使用的價(jià)格便宜,操作簡單,檢測快捷且又滿足援4量精度的小型稻谷直鏈淀粉測定裝置,為稻谷品質(zhì)檢測提供技術(shù)支持,以提高我國農(nóng)產(chǎn)品的市場競爭力。小而經(jīng)濟(jì)型直鏈淀粉測量儀器將使我國的大米品質(zhì)檢測水平躍上一個(gè)新臺階,對解決稻米深加工,稻米優(yōu)質(zhì)優(yōu)價(jià),指導(dǎo)農(nóng)民進(jìn)行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,培養(yǎng)和推廣優(yōu)質(zhì)品種等問題,提供更大的技術(shù)支持。它將具有良好的推廣前景,對提高稻米質(zhì)量,增加農(nóng)民收入,增強(qiáng)我國稻米的市場競爭力,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。12國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在國外,農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)快速檢測技術(shù)和儀器儀表的研制與開發(fā)已得到發(fā)展,美國,日本已經(jīng)研制成功稻谷品質(zhì)快速檢測儀表并
6、在生產(chǎn)中應(yīng)用。美國ALPKEN公司一直致力于分析技術(shù)的開發(fā)和研究,并且不斷吸收應(yīng)用相關(guān)技術(shù)的最新成果,成功的開發(fā)出一代又一代產(chǎn)品,代表了該領(lǐng)域的世界先進(jìn)水平。中國農(nóng)科院杭州水稻所,中國農(nóng)業(yè)大學(xué)等十幾個(gè)單位已經(jīng)購進(jìn)的美國ALPKEN稻谷品質(zhì)快速檢測儀器,其檢測原理是碘比色法,但是由于它采用24路蠕動泵和三維自動進(jìn)樣器,自動化程度高,分析速度快,約1個(gè)樣品1分鐘。通過在樣品池中測定樣品液的吸光度來求出樣品直鏈淀粉的含量。該儀器自動化程度較高,處于國際先進(jìn)水平,但價(jià)格昂貴,約為49萬美元。目前,國際上谷物品質(zhì)分析技術(shù)已達(dá)到較高的水平,已經(jīng)研制出由計(jì)算機(jī)控制試驗(yàn)程序的先進(jìn)檢測儀器,農(nóng)業(yè)糧食院校機(jī)構(gòu)和生
7、產(chǎn)廠家擁有齊全的檢測儀器及完善的試驗(yàn)程序。近年來,色譜技術(shù)及差示掃描技術(shù)也開始應(yīng)用于稻谷品質(zhì)分析中去。稻谷品質(zhì)分析的技術(shù)水平主要取決于品質(zhì)檢測儀器的技術(shù)水平。我國農(nóng)業(yè)科學(xué)儀器的種類與質(zhì)量與國外相比差距還很大,與國內(nèi)的先進(jìn)工業(yè)儀器相比也要落后。目前農(nóng)業(yè)儀表已經(jīng)基本上形成了一個(gè)比較完籀的體系,已經(jīng)開始由傳統(tǒng)的模擬儀表和簡單的數(shù)字儀表向具有數(shù)據(jù)處理能力,能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的通信接口,以及人機(jī)界面方向發(fā)展。但是處理能力還是比較弱,儀器的種類不全,并且很多儀表的傳感器部分技術(shù)還有待改進(jìn),測量思路也需要轉(zhuǎn)變,這些都是當(dāng)前中國農(nóng)業(yè)儀表急需解決的問題。當(dāng)前,我國對于農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)檢測還有一定的難度,迫切需要開發(fā)經(jīng)
8、濟(jì)實(shí)用且又精準(zhǔn)的儀器。目前國內(nèi)稻谷直鏈淀粉的檢測仍采用國標(biāo)法,主要儀器為紫外一可見分光光度計(jì)。分光光度計(jì)對物質(zhì)進(jìn)行檢測的方法是分光光度法。分光光度法就是利用溶液對光的選擇吸收來研究溶液的性質(zhì)和含量的一種分析方法,廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、食品衛(wèi)生、冶金、地質(zhì)、生物、醫(yī)學(xué)、等領(lǐng)域。紫外一可見分光光度計(jì)的結(jié)構(gòu)由輻射源、單色器、吸收池、監(jiān)測器和信號處理器及輸出裝置構(gòu)成。單色器是分光光度計(jì)的核心部分,它的作用是將來自光源的復(fù)合光分解為單色光,一般用到光柵和濾色片等;檢測器的功能是檢測光信號,并將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺S玫墓怆娹D(zhuǎn)換器件為光電管和光電倍增管。但是,由于單色器,檢測器等的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,價(jià)格也較昂貴,單
9、色器價(jià)格一般在2000到5000元,檢測器的價(jià)格也在2000元左右,所以紫外一可見分光光度計(jì)的體積比較大,價(jià)格比較昂貴,一般在幾萬元以上,不利于在縣鄉(xiāng)普及。所以開發(fā)體積小且經(jīng)濟(jì)實(shí)用的稻谷直鏈淀粉檢測儀器勢在必行,符合目前國內(nèi)農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)檢測儀器的發(fā)展趨勢和要求。13研究的主要任務(wù)本課題主要是研究設(shè)計(jì)一種面向縣鄉(xiāng)級用戶,可方便快捷的檢測稻谷直鏈淀粉含量的體積小、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的儀器。主要任務(wù)有三個(gè):(1)直鏈淀粉的檢測裝置部分對檢測裝置部分的改進(jìn)和設(shè)計(jì)以及對檢測裝置的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。(2)直鏈淀粉檢測儀器的硬件模塊的設(shè)計(jì)主要有信號放大、電源、AD轉(zhuǎn)換、顯示、打印、鍵盤、時(shí)鐘、通信和電源監(jiān)控模塊等。(3)直鏈淀
10、粉檢測儀器的軟件設(shè)計(jì)軟件模塊有數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、打印,時(shí)鐘,通信,鍵盤等,由鍵盤控制直鏈淀粉含量的檢測流程,良好的人機(jī)對話功能可引導(dǎo)用戶方便的實(shí)現(xiàn)樣品液的檢測。14研究內(nèi)容和方法(一)借鑒美國ALPKEN公司生產(chǎn)的ALPKEN稻谷品質(zhì)快速檢測儀器,在保留其優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上;適當(dāng)降低了其自動化程度;去掉蠕動泵和三維自動進(jìn)樣器,改由重力作用控制進(jìn)樣;方法為用一段高于進(jìn)樣平臺的導(dǎo)管,在重力作用下,使溶液以一定速度近乎勻速的流過樣品池中并在采樣后導(dǎo)出,樣品的流速由導(dǎo)管的高度調(diào)節(jié)。此方法不但減小了儀器的體積而且節(jié)省了大量生產(chǎn)資金。(二)采用635nm的激光光源代替干涉濾色片,簡化了儀器結(jié)構(gòu),降低了儀器成
11、本。此光源波長單一,體積小,穩(wěn)定性好,檢測方法簡單,快速,節(jié)省,準(zhǔn)確。從而可以去掉濾光裝置。(三)在光電轉(zhuǎn)換電路上采用硅光電池代替光電轉(zhuǎn)換元件,硅光電池具有結(jié)構(gòu)簡單,價(jià)格低廉不需外接電源,不需放大裝置就可直接測量電流等優(yōu)點(diǎn),可進(jìn)一步減小儀器體積,降低儀器成本。(四)對樣液進(jìn)行多次連續(xù)采樣,去極值取其平均值,提高了測量精度;由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集,處理,標(biāo)準(zhǔn)曲線擬和,測量結(jié)果輸出;集檢測裝置,鍵盤、顯示、打印于一體。主要由以下幾部分組成。(1)單片機(jī)控制,加外設(shè)微型打印機(jī)、鍵盤、顯示器。由鍵盤控制儀器需要進(jìn)行的各步操作;顯示器顯示測量結(jié)果并提示用戶要進(jìn)行的下一步操作。(2)直鏈淀粉測定裝置:包括
12、樣液進(jìn)樣部分和直鏈淀粉檢測部分,如圖卜1。(3)軟件部分:稻谷直鏈淀粉測定程序。系統(tǒng)操作流程如圖卜2所示。1.5 目前的直鏈淀粉測定儀儀器名稱:直鏈淀粉測定儀儀器型號: DPCZ-直鏈淀粉測定儀-DPCZ-II的硬件組成 整個(gè)系統(tǒng)由直鏈淀粉測定儀、計(jì)算機(jī)檢測系統(tǒng)組成。直鏈淀粉測定儀和計(jì)算機(jī)之間由RS-232串口線連接。計(jì)算機(jī)通過RS-232通訊端口與備有專用接口的直鏈淀粉測定儀連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集和傳輸。整個(gè)系統(tǒng)由直鏈淀粉測定儀系統(tǒng)軟件控制。其中采用激光光源的直鏈淀粉含量檢測儀和CCD稻谷外觀品質(zhì)圖像分析與識別軟件系統(tǒng)屬創(chuàng)新性成果,填補(bǔ)了我國儀器儀表在稻谷品質(zhì)測試領(lǐng)域的空白,為國內(nèi)首創(chuàng),屬國
13、際先進(jìn)水平。由于DPCZ-I型稻谷品質(zhì)快速檢測裝置的直鏈淀粉檢測單元部分設(shè)計(jì)的高靈敏度和穩(wěn)定性能,測定直鏈淀粉時(shí),采用脫脂和不脫脂預(yù)處理,均能保證檢測精度。美國ALPKEM公司的FS-IV化學(xué)自動分析儀是1996年ALPKEM公司推出的世界上最先進(jìn)的第六代產(chǎn)品,該新型流動分析系統(tǒng)針對中國水稻行業(yè)分析測試的需要,可實(shí)現(xiàn)直鏈淀粉的測定,分析方法符合中國國家標(biāo)準(zhǔn),但價(jià)格昂貴,到岸價(jià)4.9萬美元。DPCZ-I型稻谷品質(zhì)快速檢測裝置的直鏈淀粉檢測單元和FS-IV化學(xué)自動分析儀進(jìn)行了對比試驗(yàn),兩種儀器均采用不脫脂的前處理工藝,測定大米直鏈淀粉含量的最大偏差為0.725%,滿足了測定準(zhǔn)確度的要求。該裝置對國
14、產(chǎn)優(yōu)質(zhì)大米和進(jìn)口泰國香米均進(jìn)行了測定,測定結(jié)果表明,DPCZ-I型稻谷品質(zhì)快速檢測裝置不僅可以用來測試分析國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)大米的品質(zhì),也可用來測試和評價(jià)進(jìn)口大米的品質(zhì)。農(nóng)業(yè)部谷物品質(zhì)監(jiān)督檢驗(yàn)測試中心,國家分析儀器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心分別對DPCZ-I型稻谷品質(zhì)快速檢測裝置直鏈淀粉單元進(jìn)行了技術(shù)測試,測試結(jié)果均滿足技術(shù)要求。DPCZ-型直鏈淀粉測定儀在DPCZ-I型稻谷品質(zhì)快速檢測裝置直鏈淀粉檢測單元的基礎(chǔ)上并且保留其優(yōu)點(diǎn)和性能,吸取分析儀器專用化、微型化、接口通用化的思想設(shè)計(jì)研制,集計(jì)算機(jī)技術(shù)、分光光度技術(shù)于一體的快速、在線檢測儀器,可用于大米,玉米,小麥等谷物的直鏈淀粉品質(zhì)的快速、在線檢測。靈敏度高,穩(wěn)定性好,自動化程度高,檢測速度較快,重復(fù)性好,基于Windows操作系統(tǒng)的控制軟件,界面直觀,操作簡單,方便使用,性能價(jià)格比高等特點(diǎn),是糧食部門和食品生產(chǎn)部門提高檢測水平與效率,控制糧食質(zhì)量與成本,減少浪費(fèi)的先進(jìn)技
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