食品检测试剂自动配制系统设计

陈春义 陈春梅

【摘 要】为了解决人工配制试剂步骤烦琐、节省查找资料的时间、提高试剂配制准确度等问题，基于现有技术，文章设计开发了食品检测试剂自动配制系统，以达到化学试剂自动配制的目的。

【关键词】单片机;化学试剂;自动配制;智能定容

【中图分类号】TS264.21 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2020）10-0037-03

0 前言

在食品检测中需要配制很多不同种类的试剂，配制过程包括计算、称量、混合、定容、清洗等工序。試剂配制工作非常占用实验员的时间，为此本文设计了一个操作方便的化学试剂自动配制系统。试剂配制常常有一定的先后混合顺序，有一定的试剂加入速度要求，有固定的配制比例，化学试剂自动配制系统将这些都存储在数据库里，节省实验员查找资料的时间及人为误差。

1 食品检测试剂自动配制系统的总体设计

1.1 系统芯片的选择

本系统运行在室内、外界干扰小的环境，动力输出小，对运算能力和存储能力有一定的要求。综合需求，本设计选择单片机为STM32F103ZET6。STM32F103ZET6有flash：512M;Ram：64 M;Pin：144;通用IO：112;定时器：8个;可外扩存储芯片，含有I2C、U（S）ART，可连接电脑和下位机;含有ADC、DAC，可进行过程检测。

1.2 系统硬件

食品检测试剂自动配制系统硬件包括单片机、LCD、触摸屏、驱动板、X轴运动组件、Y轴运动组件、大功率mos管PWM开关模块、蠕动泵、抽液管、电源、定容装置、压力传感器、试剂瓶座、试剂瓶。

试剂配制的准确度要求较高，一般选择210 mL/min小型蠕动泵，通过控制速度和时间来控制流量。小型蠕动泵的单位时间内流量小，便于减小误差。Norprene管耐强酸、耐强碱，有很好的化学稳定性。

1.3 系统框图

系统框图如图1所示。

1.4 系统功能介绍

化学试剂自动配制系统包含试剂配制方案数据库，具有校准、清洗、定量配制试剂、定容配制试剂、机械部件快速复位的功能。

1.5 系统操作流程

化学试剂自动配制系统控制方法如下：按照通过触摸屏操作输入或者选择的配制方案和配制数量，以及单片机运行计算公式，算出当前配制数量需要抽液的时间和抽液的速度，根据当前配制方案控制化学试剂自动配制系统运行到指定位置，进行指定操作（如图2所示）。

2 食品检测试剂自动配制系统的控制原理

2.1 配试剂的单片机控制流程

系统根据用户输入或者选择的配制方案和配制数量算出当前配制数量需要抽液的时间和抽液的速度，并根据预设的试剂加入顺序，抽取对应试剂，逐步添加，直到完成试剂配制，或者被中断。配制前进行校准，配制完成后进行清洗（如图3所示）。

2.2 试剂配制用量的计算方法

单片机根据被选中的配制方法和配置数量，运行计算公式：

T2=L×T1×D÷L1

其中，T1是单位时间，T2是理论抽试剂时间，L是需要抽试剂的量，L1是单位时间内抽试剂的量，D是抽试剂的精度。单位时间T1内抽试剂的量L1，是通过运行校准功能得到的值。

T=T2+C（L）

其中，T2是理论抽试剂时间，T是实际抽试剂的时间，C（L）是Accuracy curve曲线在L位置对应的精度校正值。校正曲线图如图4所示。

2.3 校准原理

校准抽液管和单个蠕动泵组成的抽试剂单通道在单位时间内抽试剂的体积，化学试剂自动配制系统有多个抽试剂通道，分别对每个通道进行单独校准。水的重量和体积比例是1∶1，使用百分之一天平称量单位时间内抽试剂的水的重量，就得到单位时间内抽试剂的体积。通过触摸屏，输入将称量到的体积。此数据就是计算公式里的L1。

2.4 校准的必要原因

每个通道进行单独校准的原因在于蠕动泵之间存在个体差异，同一型号的蠕动泵在接受相同PWM信号的情况下，单位时间内抽出的试剂量不同，因此要进行单通道校准。每次更换抽液管，由于抽液管的长度不同、生产批次不同，引起在单位时间内传输的试剂量不同，所以更换抽液管后要重新校准。

2.5 管道自动清洗方法

单片机按既定轨迹控制蠕动泵和抽液管去到放置纯水的地方。抽大量的纯水冲刷管道，每次抽纯水1 min，可以反复进行清洗，直到清洗干净。减少人工清洗的时间。

2.6 定容配制试剂的原理

根据光线进入不同介质产生折射的原理，使用槽型光电传感器，槽口两边分别有发光二极管、感光二极管。没有试剂时，感光二极管接收到发光二极管的光，输出高电平。有试剂时，光经过液体试剂发生折射，感光二极管失去发光二极管的光，输出低电平。

向容量瓶加入试剂时会引起液面振动，光电传感器实时监测液位，当暂停向容量瓶加入试剂后液位信号仍然为高，并维持时间大于2 s时，确定为完成定容。

2.7 定容配制试剂的测量信号

定容配制试剂的测量信号如图5所示。

2.8 定容配制试剂的控制流程

定容配制试剂的控制流程如图6所示。

2.9 使用数据库配制试剂的原理

食品检测中使用的试剂有明确的国家标准、地方标准、企业标准。单片机系统外挂存储芯片，存储这些标准中的配制方法、常用的配制数量。每种配制方法都按照配制标准执行，例如试剂加入的先后顺序、固定的比例。按照固定的比例和操作人员需要的试剂量计算出每种试剂对应要抽取的量。试剂配制会遇到发热的情况，所以试剂加入的速度也要按照设定的标准进行控制。所述的数据库中每种配制方法都有指定的试剂加入顺序、试剂加入速度、试剂配制的基础数量。

2.10 使用数据库配制试剂的流程

数据库配制试剂流程如图7所示。

3 实例分析

（1）1+1盐酸溶液配制，即为50 mL盐酸+50 mL纯水。

（2）确定系统已经校准，并观察操作台上有足够的纯盐酸和纯水。

（3）在触摸屏上选择进入数据库找到1+1盐酸的配方列表，打开查看1+1盐酸的配制方法，输入需要配制的数量，确定后开始本系统自动配制。

（4）配制结果：500 mL以内的误差<0.005。

4 结论

食品检测试剂自动配制系统的准确度满足食品检测实验室常用试剂配制的要求，而且储存大量试剂配制配方，方便实验人员查找和调用。食品检测试剂自动配制系统的应用减少了实验员查资料的时间，并且由于其采用机械化操作，因此减少了人工配制试剂引起的误差。

参 考 文 献

[1]意法半导体集团.ST MCU最新选型手册[Z].2017.

[2]王化祥.现代传感技术及应用[M].北京：化学工业出版社，2008.

[3]刘火良，杨森.STM32库开发实战指南[M].北京：机械工业出版社，2013.