CN101358925A - 一种多样品多成分独立、并行的检测仪器和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种多样品多成分独立、并行的检测仪器和检测方法。由外壳、液晶屏、按键盘、打印机、暗室组、电源板、备用电池和样品池组成仪器的硬件部分；由测量部分、嵌入式微处理器与辅助电路和输入输出三大部分构成检测仪器的电路部分。仪器通过嵌入式微处理器内的可编程计数器/定时器阵列PCA来产生不同的时基的时间片来触发中断进行测量，PCA包含一个专用的16位定时计数器和五个16位捕捉比较寄存器，PCA自动将定时计数器分别与五个捕捉比较寄存器进行比较，一旦发生匹配则会自动触发相应的中断。如果不是利用嵌入式微处理器内部的PCA产生定时信号，则需外部定时器来产生并行测量所需的定时中断信号。基于该检测方法的检测仪器，用户每放入一个待测样品，即可以立刻开始测量；各个样品的测量过程，并且相互独立、互不干扰；测量的多个样品即可是同一检测成分，也可是不同成分；真正在一次测量过程中实现了多样品多成分的实时并行同时测量。
Description
技术领域
本发明涉及环境监测、食品安全检测领域，特别涉及到多样品多成分的检测仪器和方法。
背景技术
由于环境监测、食品和残留农药安全检测的样品具有数量多、样品复杂、分布范围广、检测项目多，在许多场合需要快速检测等特点，少数专业实验室和大型分析仪器常常难以满足现场快速检测和管理部门对环境和食品、残留农药安全监管和控制的要求。环境保护和食品安全计划的实施，即要有用于认证和仲裁分析的专业权威实验室和GC、HPLC、GC—MS、HPLC—MS等实验室大型定量分析仪器，同时也需要大量适于现场使用的具有多样品、多成分同时检测的快速检测设备或仪器。
国外已有多种基于比色分析原理的便携式比色针，配以不同的试剂盒，可以进行多种水质成分的测定。但这些产品只能对单个样品进行测量，不具备多样品同时检测能力。近年来随着人们对食品安全问题的日益重视，国内食品安全检测专用仪器的研发已经有了一定基础。市场上出现了一系列用于农药残留、甲醛、亚硝酸盐等毒害物的快速检测仪。现有的国内外产品存在以下不足：
(1)现有的这些食品安全检测仪器，大多数是只能检测一种有害残留物成分的单通道检测仪，而且一次只能测量一个样品，应用范围有限；
(2)现有的多通道检测仪虽然具有同时测量多个样品的功能，但必须等到所有通道中的样品全部制备好后才能一起开始测量，各通道的测量过程相互不独立，因而先制备好的样品放置时间往往较长，必须等到后续样品全部制备完成才能开始测量。这种非实时的多样品测量方式导致了整体测量效率低下，无法实现随到随测，在实际应用中具有很大的局限性；
(3)现有检测仪能够在一台仪器上对多种成分进行测定，但在一次测量过程中却只能测量同一种有毒有害成分。只有在当前毒害成分测量完成后，才能开始测量新的成分，不能实现真正意义上的多样品多成分的实时并行测量。
技术内容：
本发明的目的在于提供一种多样品多成分独立、并行的检测仪器和检测方法。基于该检测方法的检测仪器，可以在一次测量过程中实现多个样品和多成分的独立并行测量。各个通道可以同时进行测量，测量过程与测量方法相互独立，互不干扰。
为实现上述目的，本发明的具体技术方案为：
由外壳、液晶屏、按键盘、打印机、暗室组、电源板、备用电池和样品池组成检测仪器的硬件部分，由测量部分、嵌入式微处理器与辅助电路和输入输出三大部分构成检测仪器的电路部分。
测量部分包括光源稳压控制电路、单色(两个以上的LED光源)光源组、多通道比色池、光电检测器组和信号调理电路。其中由稳压电路、滤波电路和开关控制电路组成光源稳压控制电路；信号调理电路包括滤波电路和放大电路。检测信号经滤波调理后，进入嵌入式微处理器。
由带有电源管理芯片，开关机电路的电源控制电路、带实时时钟芯片和晶振、电容等辅助元件的实时时钟电路、带数据存贮芯片和电容、电阻等辅助元件的数据存贮电路、带系统监控芯片和电容、电阻等辅助元件的系统监控电路、带温度传感芯片和电阻、电容等辅助元件的温度测量电路、以及多路选择开关和外部定时器(可选)构成辅助电路部分。
输入输出部分包括显示装置、输入装置、串行通讯电路。其中显示装置由液晶屏和数码管组成；输入装置可采用键盘、触摸屏等输入设备。
多样品多成分独立、并行的检测仪器的检测方法为：
1、通过嵌入式微处理器内的可编程计数器/定时器阵列PCA来产生不同时基的时间片来触发中断进行测量。
2、在测量软件中将PCA设定在软件定时器经较方式，以定时器Timaer溢出作出PCA的时钟源。
3、PCA包含一个专用的16位定时计数器和五个16拉捕捉比较寄存器，PCA自动将定时计数器值分别与五个捕捉比较寄存器进行比较，一旦发生匹配则会自动触发相应的中断。
4、通过合理设定Timaer和五个捕捉比较寄存器的初值，就可以实现多个不同时基的定时功能。
5、通过给各捕捉比较寄存器赋予不同的初值，可以实现各个通道的独立计时，进而实现多样品的独立并行测量。
6、不同的测量通道可以使用各自独立的中断服务程序。因此通过编写不同的测量中断程序，就能够对各个通道分别使用不同的测量方式和算法，实现多种成分的独立并行测量。
7、通过PCA功能实现的时间片转轮，可实现多样品、多指标的实时测量；各个样品的计时和测量均为PCA实时控制，因此，各个样品的测量互相独立，互不影响和干扰；每个样品都可以有自己独立的定时器和测量算法，因而各个通道所测量的指标可以各不相同。
8、以上方法中采用的可编程计数器/定时器阵列PCA，也可通过使用外部的定时/计数器等器件来替代或扩充。
本发明产生的积极效果为：多样品多成分独立、并行的检测仪器采用了国际上最先进的微处理技术和高集成度的光电子元器件，实现了仪器的数字化、智能化以及适于非专业人员的现场快速测定，用户每放入一个待测样品，即可立刻开始测量；在其它样品正在测量的过程中，可以随时开始其它通道的测量，各个样品的测量过程相互独立，互不干拢；测量的多个样品即可是同一检测成分，也可是不同成分；真正在一次测量过程中实现了多样品、多成分的实时并行同时测量。
附图说明：
图1多样品多成分独立、并行的检测仪器整机图；
图2暗室组分解图；
图3检测仪器硬件原理框图；
图4仪器测量部分软件流程框图。
下面结合附图进一步详细说明本发明的具体实施方式：
光源稳压电路(15)为单色光源组(16)提供恒定的工作电压，同时控制光源的开关、单色光源组(16)用于产生单色光；待测样品放置在多通道比色池(17)中，光电检测器组(18)将检测到的光强信号转换成电信号，信号调理电路(19)对输出的电信号进行放大整形；嵌入式微处理器(20)是整个仪器的运算与控制核心，电源控制电路(21)为整个仪器提供可靠的工作电源，实时时钟电路(22)用于系统计时，数据存贮电路(23)将数据存贮在非易失性存贮器中，系统监控电路(24)随时监控系统的运行状态，防止程序跑飞，温度测量电路(25)用于测量环境温度，多路选择开关(27)可根据嵌入式微处理器(20)的指令来选择适当的测量样品；显示装置(28)和输入装置(29)提供良好的人机界面，串行通讯电路(30)用来与PC机或串行打印机进行数据交换。如果不是利用嵌入式微处理器(20)内部的PCA产生定时信号，则还需要外部定时/计数器(26)来产生并行测量所需的定时。
根据选定的测试指标，嵌入式微处理器(20)会自动选择当前测量样品，并通过多路选择开关(27)和光源稳压控制电路(15)点亮单色光源组(16)中对应的光源，产生单色光。单色光束穿过装有待测溶液的多通道比色池(17)后，照射到光电检测器组(18)中对应的检测器上。检测器将检测到的光强值直接转换成电信号，再由信号调理电路(19)整形放大后，经多路选择开关(27)输入嵌入式微处理器(20)。同时，实时时钟电路(22)和温度测量电路(25)也会将测量时的时间与温度值转换成数字信号后，送入嵌入式微处理器(20)中进行进一步的数据处理。所有测量数据由数据存贮电路(23)保存在非易失性数据存贮器中，可供用户查询与数据汇总。显示装置(28)和输入装置(29)为主要的输入输出设备。通过串行通讯电路(30)，可以实现与PC机的数据交换功能，也可外接串口打印机直接打印测量结果。
检测仪器的程序采用高级C语言编写，整个软件分为四大模块，通道设置、样品测量、数据处理和系统设置。通道设置模块主要完成各测量通道的设置，用户可根据需要设置各通道的测量指标与测量参数；数据处理模块负责完成测量结果的保存、查询、打印以及与PC机的数据交换等任务；系统设置模块包括系统时间设置、显示屏对比度设计，触摸屏校正等辅助性功能；样品测量模块为整个软件的核心。
实施例一：蔬菜中农药残留的检测
1、样品的准备。
参照国标GB/T5009.199-2003中“乙酰胆碱酯酶光度法”的详细操作步骤，将待测的蔬菜样品切碎，用磷酸盐提取液提取后，取上清液进行测量。
2、样品的测量。
(1)开机；
(2)进入“通道设置”菜单，为每个通道测量指定当前测量的指标。各通道测量指标可以相同，也可以各不相同。每个通道可供选择的测量指标数，根据此通道所安装的LED光源波长不同而有所区别。设置好的值会自动保存在仪器内，不必每次开机都设置；在此列中将A、B、C、D四组通道都设置为“农药残留”。
(3)进入“样品测量”菜单，根据屏幕提示，将对照样品(对照样品的制备参见GB/T5009.199-2003)放入指定的样品，按下“对照键”，即开始测量对照样品。对照样品的测量每次开机只需测量一次即可；
(4)仪器会自动打开农药残留检测所用的蓝色LED，通过对应的光电传感器，首先测量初始光强值I01，并在三分钟后自动再次测量光强值I02，并自动计算出：K0＝(I02-I01)；在延时等待的过程中，其它组测量通道可以随时开始新的测量。
(5)按照GB/T5009.19-2003规定，依次向待测溶液中加入酶，底物和显色剂，再放入仪器，按下“测量键”开始测量；
(6)仪器会自动打开农药残留检测所用的蓝色LED，通过对应的光电传感器首先测量初始光强值It1，并在三分钟后自动再次测量光强值It2，并自动计算出Kt＝(It2-It1)；在延时等待的过程中，其它组测量通道可以随时开始新的测量。
(7)在前一组样品测量的等待过程中，用户可以随时在其它组测量通道中放入新的样品开始测量。各组通道之间的测量相互不干扰；仪器面板上的指标灯会显示各通道当前的工作状态。
(8)仪器会根据测得的K0和Kt，计算出抑制率Y＝(k0-Kt)/K0，并在屏幕上显示。用户可根据自己需要保存打印测量结果；
(9)如果需要继续测量，重复步骤(5)～(8)；
(10)完成测量后，用户可以进入“数据处理”和“系统设置”菜单，进行测量结果查询、数据打印、与PC机进行数据交换及相关系统设置等工作；
(11)工作完毕后关机。
实施例二：甲醛和农药残留的同时检测。
1、样品的准备。
将待测的样品切碎，用磷酸盐提取液提取后，取上清液用于甲醛的测量。
农药残留样品的准备同实施例一。
2、样品的测量。
(1)开机。
(2)进入“通道设置”菜单，为每个通道测量指定当前测量的指标。各通道的指标可以相同，也可以不相同。每个通道可供选择的测量指标数根据此通道所安装的LED光源波长不同而有所区别。设置好的值会自动保存在仪器内，不必每次开机都设置；在此将通道A和B设置为“甲醛”，将通道C和D设置为“农药残留”。
(3)进入“样品测量”菜单，可先将农药残留对照样品放入通道C或D(在此假设首先使用C通道)，按下“对照键”，即开始测量对照样品。测量时间约三分钟，仪器的工作方式同实施例一。在此期间，除通道C暂时锁定外，其它通道均可随时开始测量。
(4)在C通道正在测量的同时，用户可将甲醛对照样(一般为蒸馏水)放入A或B通道，按下“对照键”，即开始测量对照样。仪器会自动打开甲醛检测所用的LED，通过对应的光电传感器测量对照光强值I0。
(5)对照样测量完成后，即可开始样品的测量。用户可以根据实际情况的需要，选择任意通道/任意成分开始测量。甲醛的测量方法参见GB/T15516-1995“乙酰丙酮光度法”中的要求，农药残留的测量方法同实施例一。
(6)测量完成后结果会自动保存并在屏幕上显示。用户可以通过“显示”键切换显示不同通道/不同成分的测量结果。
(7)在其它组样品的测量过程中，可以随时开始新的一组样品测量，各组之间的测量相互不干扰；仪器面板上的指标灯会显示各通道当的工作状态。
(8)如果需要继续测量，重复步骤(5)-(8)；
(9)测量完成后，用户可以进入“数据处理”和“系统设置”菜单，进行测量结果查询、数据打印、与PC机进行数据交换及相关系统设置工作；
(10)测量完毕后关机。
Claims (6)
1、一种由外壳(5)、液晶屏(1)、按键盘(2)、打印机(3)、暗室组(4)、电源板(6)、备用电池(7)和样品池(12)所组成的多样品多成分独立、并行的检测仪器，其特征在于检测仪器由光源稳压控制电路(15)、单色(两个以上LED光源)光源组(16)、多通道比色池(17)、光电检测器组(18)和信号调理电路(19)构成的测量部分，嵌入式微处理器(20)和辅助电路部分，以及由显示装置(28)、输入装置(29)、串行通讯电路(30)构成的输出输入三大部分组成；
2、根据权利要求1所述的多样品多成分独立、并行的检测仪器，其特征在于光源稳压控制电路(15)包括稳压电路、滤波电路和开关控制电路三部分；
3、根据权利要求1所述的多样品多成分独立、并行的检测仪器，其特征在于信号调理电路(19)包括滤波电路和放大电路，检测信号经滤波调理后进入嵌入式微处理器(20)；
4、根据权利要求1所述的多样品多成分独立、并行的检测仪器，其特征在于由带有电源管理芯片、开关机电路和电源控制电路(21)、带实时时钟芯片和晶振、电容等辅助元件的实时时钟电路(22)、带数据存贮芯片和电容、电阻等辅助元件的数据存贮电路(23)、带系统监控芯片和电容、电阻等辅助元件的系统监控电路(24)、带温度传感芯片和电阻、电容等辅助元件的温度测量电路(25)、以及多路选择开关(27)和外部定时/计数器(26)构成辅助电路部分；
5、根据权利要求1所述的多样品多成分独立、并行的检测仪器，其特征在于显示装备(28)包括液晶屏(1)和数码管；
6、根据权利要求1所述的多样品多成分独立、并行的检测仪器，其检测方法的特征在于：
(1)通过嵌入式微处理器(20)内的可编程计数器/定时器阵列PCA来产生不同时基的时间片来触发中断进行测量；
(2)在测量软件中将PCA设定在软件定时器经较方式，以定时器Timaer溢出作出PCA的时钟源；
(3)PCA包含一个专用的16位定时计数器和五个16拉捕捉比较寄存器，PCA自动将定时计数器值分别与五个捕捉比较寄存器进行比较，一旦发生匹配则会自动触发相应的中断；
(4)通过合理设定Timaer和五个捕捉比较寄存器的初值，就可以实现多个不同时基的定时功能；
(5)通过给各捕捉比较寄存器赋予不同的初值，可以实现各个通道的独立计时，进而实现多样品的独立并行测量；
(6)不同的测量通道可以使用各自独立的中断服务程序。因此通过编写不同的测量中断程序，就能够对各个通道分别使用不同的测量方式和算法，实现多种成分的独立并行测量；
(7)通过PCA功能实现的时间片转轮，可实现多样品、多指标的实时测量，各个样品的计时和测量均为PCA实时控制，因此，各个样品的测量互相独立，互不影响和干扰，每个样品都可以有自己独立的定时器和测量算法，因而各个通道所测量的指标可以各不相同；
(8)以上方法中采用的可编程计数器/定时器阵列PCA，也可通过使用外部的定时/计数器(26)等器件来替代或扩充。
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Family Applications (1)
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