摘要：介绍了一种具有数据无线传输便携式食用油酸败检测仪的设计研究。其电子线路以STM8L芯片为核心，采用辣根过氧化物酶电极作为生物传感器，快速完成过氧化值检测信号的数据采集处理，并通过蓝牙将检测结果传输到终端设备（如手机、电脑及数据采集系统）。同时介绍了具有数据无线传输便携式食用油酸败检测仪的硬件、软件设计方案以及使用该仪器测试食用油样品过氧化值结果。
过氧化值是表示油脂和脂肪酸等被氧化程度的一种指标，用于说明样品是否因已被氧化而变质，以油脂、脂肪为原料而制作的食品，通过检测其过氧化值来判断其质量和变质程度。
食用油过氧化值的检测是确保油品质量的关键手段，国内外广泛使用的测定方法主要有高效液相色谱法和化学滴定法。高效液相色谱法需使用大型仪器，实际成本高，难以作为普查使用；而化学滴定法的反应时间长，步骤繁琐，试剂需提前一周以上时间配制，全部手工操作，易受操作人员的人为因素干扰。目前我国各防疫部门检测食用油过氧化值大多按照GB/T5009.37-1996规定的分析方法（化学滴定法）。
在过氧化值检测方法中，应用最多的是电化学方法，包括电位滴定分析法、电化学发光法、电流型生物传感器法，其中，应用最广泛的是电流型生物传感器检测法。李书国等制备了Nafion/MB/HRP酶电极，在所选有机相表现出良好的稳定性和重现性：Nafion/MB/HRP酶电极对过氧化月桂酰的催化还原电流响应在2.5×10-6～2.3×10-4mol/L浓度范围内有较好的线性关系：△Ipred=0.0163×CLHP+0.0091，（R=0.998）：Nafion/MB/HRP酶电极法应用于实际油样的检测，结果与标准的碘量法一致，但精度和准确度高于标准碘量法。但该方法Nafion/MB/HRP酶电极制作方法复杂，难于大规模生产，且检测需要大型仪器，不适合现场临床应用。
具有数据无线传输便携式食用油酸败检测仪能够克服上述缺陷，它集合了生物传感技术、酶的固定化技术和生物电化学检测技术，它以微电脑芯片处理控制和液晶即时显示，组合成一款生物传感测试仪。使用具有无线数据传输便携式食用油酸败检测仪与电极式过氧化值试纸配套使用，可精确快速的检测食用油中的过氧化值，目前仍无相关报道。
1 检测原理
样品中的过氧化物在辣根过氧化物酶的催化下与TMB反应，反应过程中会产生微弱电流，由配套的仪器内置仪表测量电流变化并换算显示为相对应的过氧化值。
在电极两端施加一定的恒定电压，当被测油样通过虹吸作用进入电极的反应区后，电极上固化的过氧化物酶与油样中的过氧化物酶发生酶促反应。经过一定时间的反应期后（约5s），试纸的响应电流将与被测油样中过氧化物浓度呈线性关系。具有无线数据传输便携式食用油酸败检测仪就是根据这一电流与浓度对应关系来计算并显示油样的过氧化值[2]。
2 具有数据无线传输便携式食用油酸败检测仪硬件电路
2.1单片机及内部硬件资源的充分利用。
STM8L单片机内部集成了丰富的外围模拟设备，使用户可以充分利用其丰富的硬件资源。利用其中12位的A/D转换器用来做小信号测量，小信号电流经过电流采样电路最终转换为电压由该A/D采样，然后以既定的转换程序计算出浓度显示在液晶板上。利用恒电位激励模块输出精确稳定的参比电压用于三电极电化学测量过程，有效提高测量精度。
2.2便携式食用油酸败检测仪的硬件电路
以STM8L这一新型高集成度的单片机芯片为核心，其外围电路模块包括恒电位激励模块、采样模块、按键检测模块、低功耗电源模块、电源电压检测模块、液晶显示驱动模块、时钟模块等。图1是恒电位激励，图2为采样模块原理图。基准电压源S1206B1.8提供的1.8V恒定电压经电阻分压后得到0.36V工作电压，由运放对电极式过氧化值试纸电极施加恒电位激励，Rz代表电极式过氧化值试纸电极：由运算放大器的理想工作特性知道，Ic≈0，所以电极式过氧化值试纸电极在恒电位激励下酶反应的响应电流Ix=IO，该电流信号经过采样电阻Ro转换为电压信号输入到TC75W51的同相输入端。TC75W51的反相输入端则输入一个与前面的测量电压共地的恒定电位，这样就可以有效消除串行运放差动输入端的共模干扰影响。图3是低功耗电源模块原理图。由两节7号电池提供的3V电池电压直接加到有6302和2402组成的电子开关上，电子开关打开后经过电压转换器XC6371输出5V电压，再经S1206B3.0稳压为3.0V作为系统电源。此时单片机控制口输出高电平，使得电子开关一直处于打开状态；当仪器关机后，单片机控制口输出低电平，关闭电子开关，此时电池与XC6371完全隔离，电池没有消耗，从而到达零功耗待机。图4为时钟模块原理图。DS1302 是DALLAS 公司推出的涓流充电时钟芯片，内含有一个实时时钟/日历和31 字节静态RAM，通过简单的串行接口与单片机进行通信实时时钟/日历电路，提供秒分时日日期，月年的信息，每月的天数和闰年的天数可自动调整时钟操作可通过AM/PM 指示决定采用24 或12 小时格式。DS1302 与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信，仅需用到三个口线：1 RES 复位；2 I/O 数据线；3 SCLK串行时钟。时钟/RAM 的读/写数据以一个字节或多达31 个字节的字符组方式通信，DS1302 工作时功耗很低，保持数据和时钟信息时功率小于1mW。DS1302由独立的CR1220电池供电，在仪器关机状态下也能工作，保持24小时计时。经过测试DS1302的精度可以到达1天2秒内的误差，实现高精度的计时。
图1 恒电位激励电路
图2 采样模块
图3 低功耗电源模块
图4 时钟模块
2.3无线数据传输---4.0蓝牙模块：
蓝牙4.0将三种技术集一体，包括传统蓝牙技术、高速技术和低耗能技术，与3.0版本相比最大的不同就是低功耗。4.0版本的功耗较老版本降低了90%，更省电。随着蓝牙技术由手机、游戏、耳机、便携电脑和汽车等传统应用领域向物联网、医疗等新领域的扩展，对低功耗的要求会越来越高。4.0版本强化了蓝牙在数据传输上的低功耗性能。
便携式食用油酸败检测仪采用了RF-BM-S02低功耗4.0蓝牙模块（图5），优势在于外围电路简单，超宽的工作电压（2v-3.6v），极低的能耗（<0.4uA），极小的唤醒延时（4us）。模块采用德州仪器TI的CC2540作为核心处理器，运行在2.4 GHz ISM band，GFSK 调制方式（高斯频移键控），40 频道2 MHz 的通道间隙，3 个固定的广播通道，37 个自适应自动跳频数据通道，物理层可以和经典蓝牙RF组合成双模设备，2 MHz 间隙能更好地防止相邻频道的干扰。宽输出功率调节（-23 dBm～4dBm），-93 dBm高增益接收灵敏度。此模块可广泛应用于有此需求的各种电子设备，如仪器仪表，物流跟踪，智能医疗，智能家居，运动计量，汽车电子等。
图5 4.0蓝牙模块
3便携式食用油酸败检测仪的软件设计
便携式食用油酸败检测仪的软件设计遵循了模块化设计原则，设计了主程序和各类子程序，其中主程序的流程图，如图6所示。主要子程序有：延时子程序、采样子程序、液晶显示子程序、时钟设置和数据读取子程序、历史记录回溯子程序、BCD码转换子程序、滤波子程序、关机处理子程序等。
这里重点介绍滤波子程序的设计。在采样的过程中存在统计误差，每次采样的数据都会有差异，这个差异会造成测试结果的波动。我们采用中值滤波法：当采样信号处于平稳阶段时，根据统计学原理，在一段时间内进行多次采样，去掉最大值和最小值然后取剩下数据的平均值，这时可以将统计误差降到最小。在本软件中每采样10次进行一次冒泡排序，然后去掉最大值和最小值，之后去平均值，依次采样100次从而得到最终的采用值。单次采样程序如图7所示
4性能分析
便携式食用油酸败检测仪操作简单，测试开始先完成相关初始化设置和历史记录查询操作。然后插入测试电极式过氧化值试纸，进入倒计时测试状态，测试完毕直接在液晶屏上显示测试结果。整个测试过程在5s内完成。便携式过氧化值分析仪检测范围则覆盖了各种级别的食用油，测试范围为5 meq/kg及50 meq/kg。便携式过氧化值分析仪整机误差为2%，便携式过氧化值分析仪的标定结果见图8。
图5 主程序流程
图7 单次采样程序
图 8 便携式过氧化值分析仪的标定结果
5结束语
将生物传感器技术和微电子技术相结合开发的便携式过氧化值分析仪具有数据处理精度高、功能强（带200个存储记忆值）和使用便捷的特点。实验表明，便携式过氧化值分析仪工作稳定、线性度好，测试结果可以无线传输。单片机STM8L休眠模式的利用使仪器长时间不断地运行。在不更换电池的情况下，本便携式过氧化值分析仪可以连续工作3个月以上。在食用油过氧化值的现场快速检测领域将有很好的应用前景。
参考文献：
[1]李树国，陈辉，等.Nafion/MB/HRP酶电极的制备及在测定植物油过氧化值中的应用[J].中国粮油学报，2009，2（02）：106-112.
[2]叶帮策，李友荣等.电流型酶电极的电子转移机制[J].化学传感器1994，9（3）：186-194.
论文作者:王建辉,伍寿胜,梁明龙
论文发表刊物:《基层建设》2018年第9期
论文发表时间:2018/6/1
标签：电极论文; 食用油论文; 子程序论文; 过氧化值论文; 模块论文; 检测仪论文; 电流论文; 《基层建设》2018年第9期论文;