直链淀粉测定仪的设计与研究现状

小型直链淀粉测定仪的设计与研究现状摘要本文介绍的DPCZ-II型直链淀粉测定仪是针对目前的直链淀粉检测仪器体积大，价格昂贵的现状而设计的体积小型，价格经济的检测仪器，井对其检测装置进行了大胆的改进。该仪器由托普仪器代理销售，它采用MCS一51系列的单片机AT89C51作为CPtI，系统由检测装置部分，单片机基本系统，光电流信号放大，A／D转换，时钟，液晶显示，键盘扩展，打印机扩展以及RS232串口通信等部分组成。其中对检测装置的改进主要包括：(1)采用单色性良好的635nm的激光光源；(2)连续进样装置采用重力势能原理自动进样器；(3)吸收池采用126微升(以)微量吸收池；(4)信号检测器采用硅光电池；(5)对光电流采用单路信号放大。软件采用C51语言编写，通信部分的PC机软件则采用vc}+6。0实现。该小型直链淀粉测定仪具有良好的人机对话功能，由键盘控制实现直链淀粉含量的测定，液晶显示测量进程中的计算结果并提示所要进行的下一步操作，测量结果可以打印，能实现与PC机的通信并将结果保存为TXT文档。另外，液体的流速可由自动进样器调节并能够实现液体的自动进样及连续数据采集。仪器能够达到国标要求的测量精度，键盘简单，操作方便，实现了所要求的体积小型，经济的开发目标，对县乡级稻谷直链淀粉测定仪器的应用与普及具有重要的指导意义。关键词：直链淀粉，自动进样器。串口通信1．1研究目的和意义我国的稻谷产量占我国粮食总产量的一半以上，居世界第一，但是由于缺乏能够快速测试分析其品质参数的仪器，使得按质定级和质量监督难以进行，造成在国际市场上缺乏竞争力，相反，国外的优质稻米却走俏中国市场。所以优质稻谷的开发是我国今后农业生产的一个主要方向。而影响稻米品质的一个主要因素是其直链淀粉的含量。稻米直链淀粉的含量是评价稻米等级的一个重要指标。稻米直链淀粉含量的高低不仅影响到蒸煮米的食味品质，而且影响外观形象。故对大米直链淀粉的检测是稻谷品质检测的一个重要方面。尽管我国已经制定了适应市场经济发展的粮食质量标准(GB／T17891．1999优质稻谷标准““1，但用于农产品品质检测的手段仍比较落后，尤其是缺乏能够快速检测分析稻谷品质参数的经济实用的新型仪表。为了确保农产品的质量，需要研制开发一批用于农产品品质检测的经济型测量仪器。本课题是在“九四八”课题的基础上，主要针对稻谷的直链淀粉含量这一参数，研究设计一种小型，经济的主要面向广大农村基层单位的检测仪器。由于国外进口的农产品品质检测仪器价格昂贵，检测工艺复杂，费用较高，一般在5—40万元，仅适用于大城市的科研检测机构以及实验室：另外。国内已经研发和正在开发的检测仪器也主要面向大城市且价格不菲，一般在2—4万以上，不利于我国广大农村的普及应用，不能满足县乡级农产品品质检测的迫切需要。目前，我国省级农产品质检机构配置的仪器设备。无法全面开展国家标准项目的检测，地市级质检机构则更相差甚远。针对此现状，特研发面向地市级单位使用的价格便宜，操作简单，检测快捷且又满足援4量精度的小型稻谷直链淀粉测定装置，为稻谷品质检测提供技术支持，以提高我国农产品的市场竞争力。小而经济型直链淀粉测量仪器将使我国的大米品质检测水平跃上一个新台阶，对解决稻米深加工，稻米优质优价，指导农民进行产业结构调整，培养和推广优质品种等问题，提供更大的技术支持。它将具有良好的推广前景，对提高稻米质量，增加农民收入，增强我国稻米的市场竞争力，具有重要的现实意义。1．2国内外研究现状在国外，农产品品质快速检测技术和仪器仪表的研制与开发已得到发展，美国，日本已经研制成功稻谷品质快速检测仪表并在生产中应用。美国ALPKEN公司一直致力于分析技术的开发和研究，并且不断吸收应用相关技术的最新成果，成功的开发出一代又一代产品，代表了该领域的世界先进水平。中国农科院杭州水稻所，中国农业大学等十几个单位已经购进的美国ALPKEN稻谷品质快速检测仪器，其检测原理是碘比色法，但是由于它采用24路蠕动泵和三维自动进样器，自动化程度高，分析速度快，约1个样品／1分钟。通过在样品池中测定样品液的吸光度来求出样品直链淀粉的含量。该仪器自动化程度较高，处于国际先进水平，但价格昂贵，约为4．9万美元。目前，国际上谷物品质分析技术已达到较高的水平，已经研制出由计算机控制试验程序的先进检测仪器，农业粮食院校机构和生产厂家拥有齐全的检测仪器及完善的试验程序。近年来，色谱技术及差示扫描技术也开始应用于稻谷品质分析中去。稻谷品质分析的技术水平主要取决于品质检测仪器的技术水平。我国农业科学仪器的种类与质量与国外相比差距还很大，与国内的先进工业仪器相比也要落后。目前农业仪表已经基本上形成了一个比较完籀的体系，已经开始由传统的模拟仪表和简单的数字仪表向具有数据处理能力，能够进行数据交换的通信接口，以及人机界面方向发展。但是处理能力还是比较弱，仪器的种类不全，并且很多仪表的传感器部分技术还有待改进，测量思路也需要转变，这些都是当前中国农业仪表急需解决的问题。当前，我国对于农产品的品质检测还有一定的难度，迫切需要开发经济实用且又精准的仪器。目前国内稻谷直链淀粉的检测仍采用国标法，主要仪器为紫外一可见分光光度计。分光光度计对物质进行检测的方法是分光光度法。分光光度法就是利用溶液对光的选择吸收来研究溶液的性质和含量的一种分析方法，广泛应用于农业、食品卫生、冶金、地质、生物、医学、等领域。紫外一可见分光光度计的结构由辐射源、单色器、吸收池、监测器和信号处理器及输出装置构成。单色器是分光光度计的核心部分，它的作用是将来自光源的复合光分解为单色光，一般用到光栅和滤色片等；检测器的功能是检测光信号，并将光信号转变为电信号，常用的光电转换器件为光电管和光电倍增管。但是，由于单色器，检测器等的结构比较复杂，价格也较昂贵，单色器价格一般在2000到5000元，检测器的价格也在2000元左右，所以紫外一可见分光光度计的体积比较大，价格比较昂贵，一般在几万元以上，不利于在县乡普及。所以开发体积小且经济实用的稻谷直链淀粉检测仪器势在必行，符合目前国内农产品品质检测仪器的发展趋势和要求。1．3研究的主要任务本课题主要是研究设计一种面向县乡级用户，可方便快捷的检测稻谷直链淀粉含量的体积小、经济实用的仪器。主要任务有三个：(1)直链淀粉的检测装置部分对检测装置部分的改进和设计以及对检测装置的实验验证。(2)直链淀粉检测仪器的硬件模块的设计主要有信号放大、电源、A／D转换、显示、打印、键盘、时钟、通信和电源监控模块等。(3)直链淀粉检测仪器的软件设计软件模块有数据采集、处理、显示、打印，时钟，通信，键盘等，由键盘控制直链淀粉含量的检测流程，良好的人机对话功能可引导用户方便的实现样品液的检测。1．4研究内容和方法(一)借鉴美国ALPKEN公司生产的ALPKEN稻谷品质快速检测仪器，在保留其优点的基础上；适当降低了其自动化程度；去掉蠕动泵和三维自动进样器，改由重力作用控制进样；方法为用一段高于进样平台的导管，在重力作用下，使溶液以一定速度近乎匀速的流过样品池中并在采样后导出，样品的流速由导管的高度调节。此方法不但减小了仪器的体积而且节省了大量生产资金。(二)采用635nm的激光光源代替干涉滤色片，简化了仪器结构，降低了仪器成本。此光源波长单一，体积小，稳定性好，检测方法简单，快速，节省，准确。从而可以去掉滤光装置。(三)在光电转换电路上采用硅光电池代替光电转换元件，硅光电池具有结构简单，价格低廉不需外接电源，不需放大装置就可直接测量电流等优点，可进一步减小仪器体积，降低仪器成本。(四)对样液进行多次连续采样，去极值取其平均值，提高了测量精度；由单片机实现数据的采集，处理，标准曲线拟和，测量结果输出；集检测装置，键盘、显示、打印于一体。主要由以下几部分组成。(1)单片机控制，加外设微型打印机、键盘、显示器。由键盘控制仪器需要进行的各步操作；显示器显示测量结果并提示用户要进行的下一步操作。(2)直链淀粉测定装置：包括样液进样部分和直链淀粉检测部分，如图卜1。(3)软件部分：稻谷直链淀粉测定程序。系统操作流程如图卜2所示。1.5目前的直链淀粉测定仪仪器名称：直链淀粉测定仪仪器型号：DPCZ-Ⅱ直链淀粉测定仪-DPCZ-II的硬件组成整个系统由直链淀粉测定仪、计算机检测系统组成。直链淀粉测定仪和计算机之间由RS-232串口线连接。计算机通过RS-232通讯端口与备有专用接口的直链淀粉测定仪连接实现数据的自动采集和传输。整个系统由直链淀粉测定仪系统软件控制。其中采用激光光源的直链淀粉含量检测仪和CCD稻谷外观品质图像分析与识别软件系统属创新性成果，填补了我国仪器仪表在稻谷品质测试领域的空白，为国内首创，属国际先进水平。由于DPCZ-I型稻谷品质快速检测装置的直链淀粉检测单元部分设计的高灵敏度和稳定性能，测定直链淀粉时，采用脱脂和不脱脂预处理，均能保证检测精度。美国ALPKEM公司的FS-IV化学自动分析仪是1996年ALPKEM公司推出的世界上最先进的第六代产品，该新型流动分析系统针对中国水稻行业分析测试的需要，可实现直链淀粉的测定，分析方法符合中国国家标准，但价格昂贵，到岸价4.9万美元。DPCZ-I型稻谷品质快速检测装置的直链淀粉检测单元和FS-IV化学自动分析仪进行了对比试验，两种仪器均采用不脱脂的前处理工艺，测定大米直链淀粉含量的最大偏差为0.725%，满足了测定准确度的要求。该装置对国产优质大米和进口泰国香米均进行了测定，测定结果表明，DPCZ-I型稻谷品质快速检测装置不仅可以用来测试分析国产优质大米的品质，也可用来测试和评价进口大米的品质。农业部谷物品质监督检验测试中心，国家分析仪器质量监督检验中心分别对DPCZ-I型稻谷品质快速检测装置直链淀粉单元进行了技术测试，测试结果均满足技术要求。DPCZ-Ⅱ型直链淀粉测定仪在DPCZ-I型稻谷品质快速检测装置直链淀粉检测单元的基础上并且保留其优点和性能，吸取分析仪器专用化、微型化、接口通用化的思想设计研制，集计算机技术、分光光度技术于一体的快速、在线检测仪器，可用于大米，玉米，小麦等谷物的直链淀粉品质的快速、在线检测。灵敏度高，稳定性好，自动化程度高，检测速度较快，重复性好，基于Windows操作系统的控制软件，界面直观，操作简单，方便使用，性能价格比高等特点，是粮食部门和食品生产部门提高检测水平与效率，控制粮食质量与成本，减少浪费的先进技术手段。DPCZ-Ⅱ型直链淀粉测定仪由计算机(奔腾3以上配置)和直链淀粉测定仪组成。计算机通过RS-232通讯端口与备有专用接口的直链淀粉测定仪连接实现数据的自动采集和传输。整个系统由直链淀粉测定仪系统软件控制。直链淀粉测定仪-DPCZ-II主要性能指标：检测品种：大米、玉米、小麦等农作物检测参数：直链淀粉含量操作系统：Windows98/2000/ME/XP测量时间：约1分钟电源电压：220±1V温度：20℃～30℃