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    便攜式植物葡萄糖監測裝置的開發

    時間:2021年08月11日 所屬分類:推薦論文 點擊次數:

    摘 要: 為實現對植物葡萄糖的現

      摘 要: 為實現對植物葡萄糖的現場、活體、實時監測,設計了一種基于 STM32F103ZET6 單片機的便攜式 植物葡萄糖監測裝置。以實驗室自行開發的針式葡萄糖傳感器為基礎,采用電化學法進行葡萄糖濃度的 監測。硬件部分完成了各功能模塊設計,并提供了恒電位電路的設計方案,以及給出了外圍電路電子元器 件選型。軟件部分主程序控制儀器對植物進行監測,將監測數據圖形化顯示在 LCD 上,子程序負責數據 的保存、拷貝以及歷史回溯等特定功能。測量結果與電化學工作站進行對比,兩組數據線性相關度較高, 表明該監測裝置的測試結果準確。

      關鍵詞: 植物; 葡萄糖; 活體; 實時; 單片機

    植物葡萄

      引 言

      通過研究不同階段植物相應器官、組織中葡萄糖的含 量可以獲取植物的生理狀態以及相關生長信息,以便為植 物栽培管理提供理論依據[1,2]。傳統的葡萄糖檢測方法有 氣相色譜法[3]、液相色譜法[4]、近紅外光譜法[5]、熒光光譜 法等,需要的儀器設備昂貴且體積大、分析時間長、操作繁 瑣。而且,它們都屬于離體檢測方法,通常反映的是某一時 刻的靜態濃度或累積效應,無法反映葡萄糖的實時動態信 息。因此,研究者們希望開發一些新的儀器設備來實現植 物葡萄糖的現場、活體、實時監測。電化學傳感器[6] 具有 靈敏度高、選擇性好、成本低、便攜及易于集成等優點,在活體研究方面具有較大應用潛力。

      農作物論文范例: 葡萄園自動避障除草機的設計與仿真

      目前,市場上采用電化學 傳感器原理的葡萄糖檢測設備有電化學工作站與連續監測 人體血糖用的便攜式血糖儀[7]等,電化學工作站是實驗室 儀器,使用及分析都較為復雜。人體用的血糖儀雖然具有 小巧、便攜、易于操作等優點,但是其檢測范圍只適用于人 體,無法覆蓋植物中的葡萄糖濃度。并且,植物的組織液與 人體的血液環境完全不同,因此,人體用的血糖儀無法在植 物體中應用。 本文基于嵌入式技術和本實驗室自制的針式葡萄糖傳 感器設計基于 STM32F103ZET6 [8] 的便攜式植物葡萄糖監 測裝置實現對植物中葡萄糖含量的現場、活體、實時監測。

      1 總體設計

      1. 1 葡萄糖檢測原理

      葡萄糖氧化酶在有氧條件下催化 β-D-葡萄糖( 葡萄糖 水溶液狀態) 氧化,生成 D-葡萄糖酸-δ-內酯和過氧化氫。 過氧化氫與電極接觸產生電流,該電流值與 β-D-葡萄糖的 濃度呈線性關系[9,10],于是通過測量電流的大小可以間接 得到葡萄糖濃度。式( 1) 和式( 2) 為葡萄糖氧化以及產生 電流的化學式 葡萄糖 + O2 + H2O2 →GOD 葡萄糖酸內酯 + H2O2 ( 1) H2O2 + 2H + + 2e - →2H2O ( 2)

      1. 2 系統總體工作流程

      將針式葡萄糖電極插入待測部位,葡萄糖電極通過信 號線與恒電位儀連接,單片機發出激勵信號驅動恒電位電 路工作,葡萄糖在葡萄糖氧化酶促進作用下發生反應,在傳 感器電極間形成電流,電流信號經過硬件電路實現 I/V 轉 換、信號放大、濾波調理之后,被模數轉換模塊采集到單片 機進行濃度值采樣,濃度值計算等,計算完成后單片機把濃 度均值、濃度隨時間變化圖像等相關信息顯示在 LCD 屏幕 上,同時通過按鍵控制是否保存測試數據至 SD 卡中。

      2 硬件系統設計

      2. 1 總體設計

      分為單片機芯片、電源 模塊、微電流產生模塊、微電流檢測模塊、液晶顯示模塊、按 鍵控制模塊、數據存儲模塊、上位機通信模塊。STM32F103ZET6 微處理器為整個系統的核心部件,該 芯片主頻高達 72 MHz,具有 64 kB SRAM,512 kB FLASH 以 及豐富的 I 2 C,SPI,定時器、串口等外設資源,性能穩定可 以滿足儀器功能設計需求。

      采用 32 GB SD 卡實現大量監 測數據實時保存。選擇 7 寸 TFTLCD 顯示屏進行圖像的 顯示,可以將測到的數據直觀化、圖形化的顯示出來,方 便觀察,此屏幕具有觸 摸 功 能,可以更好地進行人機交 互。按鍵模塊除了具有開關機按鍵以外,還設置了進入子 程序的快捷鍵,比如連續監測,數據回溯等。預留 USB 接 口,方便實驗數據的拷貝以及后期代碼修改完善。

      2. 2 微電流產生電路

      微電流的產生需要儀器提供一個基準電壓電路發出激 勵信號和一個與三電極傳感器相連的恒電位電路。選用 16 位 DAC8830ID 數模轉換芯片生成激勵信號驅動恒電位電路工作。 恒電位電路起到維持工作電極與參比電極之間的電壓 恒定的作用[11]。運算放大器 U5 后面添加緩 沖器 U6,緩沖器是一種寬高比很大的 MOS 管,可以增加輸 出電路的驅動能力。同時反饋電路中加入電壓跟隨器 U7。

      同時參比電極直接連入電壓比較器的反向端信號會衰減, 而加跟隨器隔離后,信號能不衰減地傳輸到運算放大器 U6。工作電極接一個電流跟隨器,一方面使得產生的微電 流可測,且工作電極仍處于虛地點,另一方面實現電流電壓 轉換,以及一級信號放大。放大后的電壓如式( 3) 所示。 工作電極相對于參比電極的電勢 eref與 R1,R2,VDAC的 關系如 式 ( 4 ) 所 示。 選 擇 AD626ARZ 作為電壓比較器, AD8638ARZ 作為電壓跟隨器,BUF634 作為緩沖器,選擇 OPA2277UA 作為電流跟隨器以及二級放大電路的放大器。Vi = - iR3,- eref = VDAC ( R2 /R1 ) ( 3)

      2. 3 微電流檢測電路

      1) 二級放大電路: 由于所測量的電流為 10 - 8 ~ 10 - 6 A, 需要很大的電阻才能轉換為所需的信號量級但若電阻過 大,電阻器本身溫度系數、電壓系數和介質吸收現象會造成 實際阻值和測量阻值不同,從而造成測量誤差,因此電阻的 大小是受限的?梢酝ㄟ^二級放大電路,以及 T 型電阻網 絡來實現采用小阻值電阻實現減小漂移誤差[12],獲得較大 的增益倍數的目的。

      2) 濾波電路: 經過從電流轉換為電壓,以及電壓二次 放大后,電路產生高頻噪聲,為了防止噪聲對所測量信號產 生干擾,應該進行電路濾波和數字濾波,所測量信號的頻率 為 50 ~ 100 Hz,因此設計不會產生自激振蕩的壓控電源二 階低通濾波模塊。濾波模塊放大器選擇 TLC4501IDR。

      3) 模數轉換電路: 轉換后的電壓需要先轉換為數字量 才能被主控芯片識別。由于最小檢測到 10 - 8 A 級電流,所 以至少選擇 24 位的高精度 ADC 才能確保精度。選取單通 道 ADS1259 與 2. 5v 基準電壓組成模數轉換電路將檢測到的電壓值轉換為數字量輸入到主控芯片。

      3 系統軟件設計

      軟件部分設計同樣進行模塊化處理,包括主程序和多 個子程序,子程序通過外部按鍵進入,包括監測子程序、歷 史記錄回溯子程序、數據保存子程序、數據傳輸子程序等。 便攜式植物葡萄糖監測裝置的主程序實現的功能包 括: 按下啟動按鍵后,處理器芯片與時鐘先被喚醒,接著對 整個硬件系統進行供電以及初始化,顯示開機畫面,開機之 后儀器首先進入低功耗模式等待下一步操作。

      在沒有按鍵 按下且無執行的子程序時繼續保持低功耗模式; 在沒有按 鍵按下且正在執行某一項子程序時,執行完成子程序之后 進入低功耗模式; 在有按鍵按下的情況下,程序先進行判斷 是否是檢測按鍵,若按下的是檢測按鍵,儀器開始執行葡萄 糖濃度監測子程序,通過檢測監測結束鍵控制檢測是否完 成,結束檢測之后再一次檢測是否有按鍵按下; 如果按下的 是其它按鍵,進入相應子程序,然后通過判斷子程序執行完 成之后進入低功耗模式。 監測子程序實現的功能包括: 進入監測子程序后,首先 進行參數設置。這里,儀器支持 0. 1,1,10 s 三種采樣間隔 模式。

      DAC 產生激勵信號,驅動硬件電路進行工作。經過 硬件電路信號調理后,由 ADC 將響應信號采集到單片機處 理器對信號進行處理,將電壓值通過公式轉換換算成葡萄糖溶液濃度,并將葡萄糖濃度值與測試時間的濃度變化曲 線在 LCD 上進行顯示,同時自動保存數據。之后,檢測是 否有檢測暫停鍵按下,沒有檢測到按鍵信號繼續進行監測; 檢測到按鍵信號,則暫停監測,直到檢測暫停鍵( 檢測暫停 與繼續檢測由同一按鍵控制) 再次按下繼續進行監測,由 檢測結束鍵控制跳出檢測子程序完成一次測量。

      4 對比實驗與結果分析

      將裝置測試結果與上海辰華 CH1760E 電化學工作站 進行比較。利用 pH7. 4 的磷酸鹽緩沖液配制葡萄糖濃度 分別為 10,20,30,40,50,60,70,80 mmol /L 的待測溶液,將 各個濃度的待測液平均分成兩個樣本,在室溫下,分別使用 便攜式葡萄糖監測裝置與電化學工作站對同一濃度兩份樣 本待測液進行測量。首先對濃度為 10mmol /L 的葡萄糖溶 液進行連續監測,測量時間為 720 s,每 10 s 取一個數據。 由于電化學工作站測得的數據為電流—時間數據,需要先建 立標準曲線,然后根據標準曲線將電流轉換為濃度。而分 析儀內置了符合植物檢測要求的標準曲線,因而可以直接 讀出濃度數值。

      5 結 論

      本文所設計的便攜式植物葡萄糖監測裝置具有以下 優勢: 1) 小巧便攜,可以進行植物葡萄糖的現場、活體、實 時監測; 2) 靈敏度高,準確性好,成本低廉; 3) 直接讀取濃 度數值,操作簡單。裝置經過測試,性能穩定,精度高,實 用性強,滿足植物葡萄糖連續監測功能,具有較高的應用 前景。

      參考文獻:

      [1] 金同銘. 非破壞評價西紅柿的營養成分—蔗糖、葡萄糖、果糖 的近紅外分析[J]. 儀器儀表與分析監測,1997( 2) : 33 - 37.

      [2] 趙軼鵬,趙新勇. 植物體可溶性糖測定方法的優化[J]. 安徽 農業科學,2018,46( 4) : 184 - 185.

      [3] RUIZ-ACEITUNO L,CARRERO-CARRALERO C,RAMOS L,et al. Development of a carbohydrate silylation method in ionic liquids for their gas chromatographic analysis[J]. Anal Chim Acta,2013,787: 87 - 92.

      [4] OUCHEMOUKH S,SCHWEITZER P,BACHIR BEY M,et al. HPLC sugar profiles of Algerian honeys[J]. Food Chemistry, 2010,121( 2) : 561 - 568.

      作者:鄭宗南1,2 ,周亞男2 ,李愛學2 ,王 成2

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