水發(fā)產(chǎn)品甲醛含量現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)

張 俊 吳明贊 王曉萍

1（南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京 210094）2（江蘇省出入境檢驗(yàn)檢疫局，南京 210008）

·食品分析·

水發(fā)產(chǎn)品甲醛含量現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)

張 俊1*吳明贊1王曉萍2

1（南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京 210094）2（江蘇省出入境檢驗(yàn)檢疫局，南京 210008）

采用51單片機(jī)+FPGA結(jié)構(gòu)給出一種高性能的水發(fā)產(chǎn)品甲醛含量現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)，充分利用單片機(jī)芯片的高效控制功能結(jié)合FPGA靈活的多硬件接口模擬特性，對(duì)任務(wù)處理變得更加靈活高效。該儀器的主要特點(diǎn)如下：體積小、重量輕、速度快、便于攜帶，適合現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)。

單片機(jī)；FPGA；現(xiàn)場(chǎng)快速；片上系統(tǒng)

水發(fā)產(chǎn)品味道鮮美,營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高，烹調(diào)方便,深受廣大消費(fèi)者喜愛(ài)。甲醛由于具有防腐保鮮、增加機(jī)體組織脆性的作用，一些不法商販向水發(fā)食品中添加甲醛，以達(dá)到延長(zhǎng)保存時(shí)間、改善口感的目的。但是，甲醛對(duì)人體黏膜，特別是呼吸系統(tǒng)具有強(qiáng)刺激性，影響人體健康，是國(guó)家明令禁止添加到食品中的非食品添加劑。而我國(guó)部分水發(fā)產(chǎn)品甲醛含量超標(biāo)情況十分嚴(yán)重，大多場(chǎng)合采用傳統(tǒng)的化學(xué)試劑檢測(cè)方法，但化學(xué)試劑檢測(cè)方法檢測(cè)周期長(zhǎng)、檢驗(yàn)程序復(fù)雜繁瑣、需要專業(yè)人員操作和儀器設(shè)備不適合現(xiàn)場(chǎng)操作。針對(duì)化學(xué)試劑檢測(cè)方法的缺點(diǎn)，在這篇文章中給出了一種基于51單片機(jī)+FPGA水發(fā)產(chǎn)品甲醛含量現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)方案。

1 檢測(cè)儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

選用Intel公司8051單片機(jī)和ALTERA公司的低成本FPGA芯片（cycloneⅡ） 結(jié)合使用，完成水發(fā)產(chǎn)品甲醛含量現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)儀設(shè)計(jì)。單片機(jī)控制器是作為主處理器，用于任務(wù)處理，F(xiàn)PGA芯片是作為協(xié)處理器，用于實(shí)現(xiàn)PWM控制輸出等接口電路。水發(fā)產(chǎn)品甲醛含量現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)儀主要系統(tǒng)功能框圖如圖1。

1.1 檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

水發(fā)產(chǎn)品甲醛含量現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)儀實(shí)際就是一種新型的光度計(jì)。用可見(jiàn)光光源測(cè)定有色物質(zhì)的方法，稱為可見(jiàn)光光度法?？梢杂脴悠分械募兹┡c乙酰丙酮在乙酸銨-二乙酸緩沖溶液中反應(yīng)生成黃色絡(luò)合物2，6-二甲基-3，5-二乙?；?1，4-二氫吡啶，該絡(luò)合物在412 nm處存在最大吸收峰，可根據(jù)此特性運(yùn)用可見(jiàn)光分光光度法進(jìn)行測(cè)量。其測(cè)量原理與傳統(tǒng)的分光光度計(jì)測(cè)量原理是一樣的，都是通過(guò)被測(cè)物質(zhì)或被測(cè)物質(zhì)與顯色劑的反應(yīng)產(chǎn)物在可見(jiàn)光區(qū)吸收光譜的特性來(lái)定性鑒別被測(cè)物質(zhì)。與比色法一樣，都是通過(guò)Beer-Lambert定律來(lái)定量測(cè)定被測(cè)物質(zhì)的量。

圖1 水發(fā)產(chǎn)品甲醛含量現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)儀系統(tǒng)功能框圖

選用光頻轉(zhuǎn)換器TSL230B是美國(guó)TI公司的最新智能傳感器，它可直接對(duì)可見(jiàn)光進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換；其靈敏度、分頻輸出可由程序控制，該器件特別適合于頻率計(jì)數(shù)器、脈沖累加器及高速定時(shí)器?？删幊坦?頻轉(zhuǎn)換器TSL230B原理功能框圖如圖2所示，主要由多晶硅光電二極管和單片CMOS電流/頻率集成轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。多晶硅光電二極管對(duì)光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，把一定光譜的光轉(zhuǎn)換成電流，再由電流/頻率轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖頻率。輸出為方波，可程控調(diào)整器件的靈敏度及滿量程輸出頻率。

圖2 TSL230B原理功能框圖

S1、S2為靈敏度控制端，實(shí)際上是通過(guò)改變芯片上方的感光窗口的面積來(lái)改變靈敏度；S3、S4為滿量程選擇端；OUT為頻率信號(hào)輸出，進(jìn)入單片機(jī)控制器的捕獲輸入，程序中選擇下降沿捕獲有效，通過(guò)計(jì)算兩次捕獲時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)器的數(shù)值差，便可以計(jì)算輸出頻率值。

在設(shè)計(jì)中，由于LED和可編程光/頻轉(zhuǎn)換器TSL230B幾乎不需外圍器件，單片機(jī)控制器可以直接驅(qū)動(dòng)LED和可編程光/頻轉(zhuǎn)換器TSL230B，所以直接可以和單片機(jī)控制器I/O端口連接。

1.2 溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在檢測(cè)水發(fā)產(chǎn)品甲醛含量時(shí)，甲醛與乙酰丙酮在沸水浴條件下才能快速反應(yīng)，光度計(jì)的工作環(huán)境也會(huì)受到溫度的影響，因此，必須有一個(gè)溫度控制系統(tǒng)能提供檢測(cè)時(shí)所需的特定溫度。溫度控制系統(tǒng)由單片機(jī)控制器、FPGA的PWM控制模塊、電平轉(zhuǎn)換電路、熱電制冷器和溫度傳感器組成。

單片機(jī)控制器用于當(dāng)前溫度的顯示控制、模糊PID運(yùn)算和控制FPGA的PWM控制模塊輸出。電平轉(zhuǎn)換電路包括隔電路、方波整形電路和改進(jìn)的buck變換器。熱電制冷器型號(hào)為TEM9500/128/040B，其最高工作電壓為17.6 V，最大電流為4.0 A，冷面和熱面最大溫差為72℃，最大功率38.0 W，熱電制冷器上通過(guò)的直流電流大小和方向決定了其工作特性，且其工作電壓和工作電流成正比關(guān)系。

Buck DC-DC電路是一種降壓斬波電路，也稱為Buck變換器（Buck Converter）。他是通過(guò)改變開關(guān)器件的導(dǎo)通比來(lái)控制輸出電壓的大小和平均輸出電流。利用占空比可變的PWM控制開關(guān)器件（FPGA的PWM控制模塊），然后通過(guò)buck變換器輸出可變的直流電壓驅(qū)動(dòng)熱電制冷器。給出的一種改進(jìn)的Buck變換器電路圖如圖3所示。

圖3 改進(jìn)的Buck變換器電路圖

1.3 接口電路的設(shè)計(jì)

片上系統(tǒng)應(yīng)用主要涉及單片機(jī)和FPGA功能模塊劃分，單片機(jī)主要用于任務(wù)處理，F(xiàn)PGA主要用于實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的外圍接口電路。

FPGA功能模塊劃分主要有以下幾個(gè)部分：

a）通用邏輯模塊：根據(jù)具體的情況產(chǎn)生各種不同的邏輯電路及控制信號(hào)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)邏輯芯片。將其設(shè)計(jì)為擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)用到的地址鎖存器和FIFO存儲(chǔ)器。

b） PWM控制模塊：代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單片機(jī)與PWM的接口電路，用FPGA編程完成PWM的生成與控制。將其設(shè)計(jì)為溫度控制系統(tǒng)的PWM控制模塊。

c）鍵盤接口模塊：代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單片機(jī)與鍵盤的接口電路，用FPGA編程完成消除抖動(dòng)及按鍵識(shí)別功能。將其設(shè)計(jì)為一些特定功能按鍵。

d）顯示接口模塊：代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單片機(jī)與顯示器的接口電路，用FPGA編程完成譯碼、掃描等功能。將其設(shè)計(jì)為L(zhǎng)CD接口模塊

e） 通信接口模塊：實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與其外設(shè)的串行或并行數(shù)據(jù)通信。將其設(shè)計(jì)為串行通信接口模塊。

f）其他擴(kuò)展模塊：實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的一些其他常用功能，如A/D和D/A轉(zhuǎn)換的控制等。

通過(guò)對(duì)FPGA器件進(jìn)行功能設(shè)計(jì)，取代傳統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)中外設(shè)接口用的標(biāo)準(zhǔn)邏輯電路和專用的接口芯片，使單片機(jī)系統(tǒng)的硬件電路大大簡(jiǎn)化并提高其可靠性。當(dāng)需要改變系統(tǒng)性能時(shí)，可以通過(guò)對(duì)FPGA 重新編程而不用改變硬件電路，提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性。

用FPGA實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的外圍接口電路，即將片上系統(tǒng)（SOC） 應(yīng)用到儀器的開發(fā)中，用以替代儀器的單片機(jī)加外圍器件的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，使得儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低、穩(wěn)定性與可靠性高、使用方便。

1.4 數(shù)據(jù)處理

智能儀器可以利用儀器的微控制器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工和處理，減小測(cè)量過(guò)程中產(chǎn)生的隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差，從而提高測(cè)量精度。對(duì)數(shù)據(jù)處理需要數(shù)學(xué)建模，采用線性回歸方法進(jìn)行建模。

線性回歸方法是一種經(jīng)典建模方法，線性回歸分析建模是根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)的原理，通過(guò)大量實(shí)時(shí)的、能夠檢測(cè)到的數(shù)據(jù)，用統(tǒng)計(jì)回歸的方法建立未知的過(guò)程變量與可檢測(cè)變量的數(shù)學(xué)模型，因此，他不需要建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，只需要收集大量的輔助變量的測(cè)量數(shù)據(jù)主導(dǎo)變量的分析數(shù)據(jù)，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法將這些數(shù)據(jù)中隱含的對(duì)象信息進(jìn)行提取，從而建立主導(dǎo)變量和輔助變量之間的數(shù)學(xué)模型。線性回歸方法中最經(jīng)典的方法是最小二乘法。

用最小二乘法建模，需要收集大量的數(shù)據(jù)，才可以盡可能地減小誤差。但在數(shù)據(jù)處理中，這種方法簡(jiǎn)單直觀，不失為一種不錯(cuò)的數(shù)據(jù)處理方法。

2 結(jié)束語(yǔ)

在這篇文章中提出了一種水發(fā)產(chǎn)品甲醛含量現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)方案，優(yōu)點(diǎn)在于體積小、重量輕、速度快、便于攜帶，適合現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)。這種檢測(cè)方法區(qū)別于傳統(tǒng)的化學(xué)試劑檢測(cè)方法，使得儀器使用簡(jiǎn)單，不需要專業(yè)人員進(jìn)行操作，有利于儀器推廣使用。運(yùn)用FPGA實(shí)現(xiàn)單片機(jī)外圍接口電路，使得儀器電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有利于以后產(chǎn)品化降低成本。單片機(jī)芯片的控制功能結(jié)合FPGA靈活的多硬件接口模擬特性對(duì)任務(wù)處理變得更加靈活高效。

［1］魏士剛.便攜式食品安全快速檢測(cè)儀的研制及其在食品分析中的應(yīng)用［D］.碩士學(xué)位論文，吉林大學(xué)，2006.

［2］朱衛(wèi)華，陳志勇.一種基于TSL230B光頻轉(zhuǎn)化器的有機(jī)物熔點(diǎn)測(cè)試儀［J］.工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2005（5）：64-65.

［3］蘇玉娜，程明.基于FPGA的單片機(jī)外圍接口電路設(shè)計(jì)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2009，25（5-2）：173-174.

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［5］付華，郭虹，徐耀松.智能儀器設(shè)計(jì)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007.

The design of on-site and high-speed detector of the marine products'formaldehyde content

ZHANG Jun1*WU Ming-zan1WANG Xiao-ping2
1（SchoolofAutomation，NanjingUniversityofScience&Technology，Nanjing210094，China）
2(JiangSuEntry-ExitInspectionandQuarantineBureau，Nanjing 210008，China)

Based on the SCM+FPGA structure，a kind of formaldehyde content detector for the Marine Products with high performance and high-speed.is designed.The instrument makes full use of the SCMwith high chip control functions and the flexible hardware interface and simulation characteristics of FPGA，which makes the task management become more flexible and efficient.The main characteristics of the instrument is as follows：small volume，light weight，high speed，easy tocarry，suitable for on-site fast detection.

SCM；FPGA；on-site and high-speed；soc

2009-11-11