基于STM32 的便携式直链淀粉测定仪设计*

吴静珠，刘 倩，董文菲，王克栋，陈 岩

(北京工商大学 计算机与信息工程学院，北京100048)

0 引 言

直链淀粉是玉米、小麦、大米、高粱、马铃薯等农作物的主要营养成分。直链淀粉含量(amylase content，AC)在评价粮食品质和农业选种、育种以及工业生产等方面具有实际意义［1，2］，因此，研制直链淀粉含量的快速检测装置具有非常重要的意义。

我国国标中检测直链淀粉所用仪器一般都是分光光度计［3］，仪器自动化程度低，且检测过程中需要脱脂的预处理步骤，耗时较长。目前，国外已经有商业化的直链淀粉测定仪器，如瑞典Foss 公司FLAstar 5000 Analyzer 和美国O—I公司的FS—IV 化学自动分析仪。但上述仪器价格昂贵、体积庞大，且同样需要脱脂的预处理步骤，不适用于需要流动监测或是现场分析的场合。国内在直链淀粉测定仪器的研制方面起步较晚，中国农业大学研制的基于比色原理的DPCZ 型直链淀粉测定仪［4］价格便宜，检测准确，但是需要配备电脑作为上位机对仪器操作进行控制，不但增加仪器成本，且体积相对较大，另外，采用蠕动泵的自动进样方式极易引入气泡导致检测不准确。

本文设计开发了一种基于光电比色原理的专用型直链淀粉测定仪，拟从小型化、灵活性和准确性角度提升国产直链淀粉测定仪的性能，使之成为适合我国实际发展所需要的品质快速检测仪表。

1 系统工作原理与设计

1.1 系统工作原理

本系统工作原理采用碘比色法。该方法是最经典的直链淀粉含量测定方法，也是最符合中国国情的、国内普遍采用的稻谷直链淀粉含量的测定方法。

1.2 硬件系统设计

1.2.1 基于STM32 嵌入式平台的微系统设计

采用STM32 F103 作为直链淀粉测定仪的核心微控制器，直链淀粉测定仪硬件系统总体框图如图1 所示。本系统的核心控制器主要功能包括:光电检测电路输出信号的A/D 转换、数据采集控制、数据分析和算法处理(定标、建模和预测)，以及人机交互操作界面等。STM32F103 增强型系列［5］使用高性能的ARM Cortex—M3 32 位的RISC 内核，工作频率为72 MHz，内置12 位逐次逼近型A/D 转换器。外接设备有:一个24C02EEPROM，2 kbit(256 字节)用于保存模型，一个HS0038 标准的38 kHz 红外信号接收头，用于接收红外遥控器的信号，一个2.8 in(1 in=2.54 cm)TFTLCD 液晶显示屏，支持触摸功能，分辨率为320×240，16 位真彩显示，4 个控制按键。

图1 直链淀粉测定仪硬件系统总体框图Fig 1 Overall block diagram of hardware system of amylose determinator

1.2.2 基于光纤探头的光路设计

传统的基于比色原理［6］的直链淀粉测定仪中采用比色皿放置待测溶液，本系统中则采用光纤探头取样装置替代比色皿，重新进行光路设计，如图2 所示。采用光纤探头取样代替比色皿，系统光路得到了简化，而且精简了检测流程，无需等待冲洗比色皿和进样的过程，也不存在气泡可能流入比色皿影响检测结果。本系统中光纤探头采用海洋光学的T300—RT—VIS—NIR 浸入式透射探头、RT—10MM(10 mm光程)探头帽。

图2 光路设计图Fig 2 Optical path design

淀粉溶液对波长600 ～650 nm 附近的红光吸收最强［7］，而对其他光的吸收明显减弱。经过比较，本设计系统选用输出波长为635 nm 的激光发生器，输出功率为2 mW，工作电压6 V。采用单波长高稳定性的红外激光光源［8］可以提高系统的检测精度，同时可以保证系统的稳定性和抗干扰性。

激光光源发出的光经过入射光纤照射到透射探头的取样处，一部分被溶液吸收，剩余部分经出射光纤到达光电探测器(系统选用线性度好的硅光电池做检测器，硅光电池型号为2CR1133—01，这种硅光电池对635 nm 的入射光相对响应度最大，大于90%)。

由于光电池输出的是微小的电流信号，光电检测电路中特意选用具有温度补偿的对数放大器AD8304 构成的非线性放大电路，完成电流到电压的对数比转换。AD8304 的输入电流Ipd与输出电压VLOG关系为

其中，K1为系数。

由式(1)可得，与线性检测放大电路相比，AD8304 对数放大器可以有效地减小电压信号的动态变化范围，因此，采用位数较少的A/D 转换模块即可实现较高的检测精度，与高位数的A/D 转换模块相比能在一定程度上降低仪器成本。

1.3 软件系统设计

软件开发使用RealView MDK—ARM 3.80A 工具，采用模块化的程序设计思想。主程序算法程序框图如图3 所示。

图3 主程序算法程序框图Fig 3 Block diagram of main program algorithm

2 实验测量

2.1 样本制备

从国家稻谷品质检测中心杭州水稻研究所购买供已知直链淀粉含量的大米标准样本4 个，直链淀粉含量分别为1.5%，10.4%，16.2%和26.5%。分别取第一，二和第二，三两种标样按照1 ∶1 比例混合得到直链淀粉含量为5.95%，13.3%的两种待测样品。

按GB 7648—87［3］分别对定标样本和待测样本进行前处理(不经脱脂)，得到定容显色后的溶液。

2.2 建立标定曲线

按照系统操作流程，采集待测溶液的电压值。采用最小二乘法［9］分析实验数据，定标样本的电压值与标样的拟合曲线如图4 所示。实验结果表明:实验数据直链淀粉含量与测量电压之间的线性关系很好，相关系数的平方为0.995 3。

2.3 测定待测样品

将两个待测样品在相同实验条件下分别测量3 次，取其平均值作为测量值。实验数据与结果分析如表1 所示。从实验数据可以看出两种预测样品相对误差范围为1.34%～1.73%，绝对误差范围为－0.08～－0.23。实验结果表明:本测定仪完全能满足日常测量要求。

图4 标定曲线Fig 4 Calibration curve

表1 实验数据与分析Tab 1 Experimental data and analysis

3 结束语

本文设计开发的基于STM32 嵌入式平台的直链淀粉测定仪，着眼于仪器的便携性和准确性等关键技术，较其他同类仪器有了创新性的改进:模块化的结构设计，大幅度地减小仪器体积，并提高仪器的自动化程度;采用基于光纤探头的取样光路设计，测定速度快，检测电路灵敏，适合快速测定;基于嵌入式平台系统控制软件，界面直观，操作简便，可实现人机交互操作。

［1］ 王晓曦，王修法，温纪平，等.世界小麦产量及加工业发展概况［J］.粮食加工，2008，33(4):11－12.

［2］ 章绍兵，陆启玉.直链淀粉含量对面粉糊化特性及面条品质的影响［J］.河南工业大学学报，2005，26(6):9－12.

［3］ 中华人民共和国农牧渔业部.GB7648—87.水稻、玉米、谷子籽粒直链淀粉含量的测定［S］.北京:中国标准出版社，1987.

［4］ 张巧杰，王一鸣，吴静珠，等.基于比色原理的直链淀粉测定仪设计与试验［J］.农业机械学报，2005，36(7):81－84.

［5］ 孙书鹰，陈志佳，寇 超.新一代嵌入式微处理器STM32F103开发与应用［J］.微计算机应用，2010，31(12):59－63.

［6］ 倪小英，刘 荣，黄黎慧，等.稻米直链淀粉含量测定方法探讨［J］.粮食与油脂，2008(10):46－48.

［7］ 张巧杰.直链淀粉检测方法与技术研究［D］.北京:中国农业大学.2005.

［8］ 俞宽新，江铁良，赵启大，等.激光原理与激光技术［M］.北京:北京工业大学出版社，1998.

［9］ 王新和，程世州.曲线拟合的最小二乘法［J］.新疆职业大学学报，2004，12(2):84－86.