水发产品甲醛含量现场快速检测仪的设计

张 俊 吴明赞 王晓萍

1（南京理工大学自动化学院，南京 210094）2（江苏省出入境检验检疫局，南京 210008）

·食品分析·

水发产品甲醛含量现场快速检测仪的设计

张 俊1*吴明赞1王晓萍2

1（南京理工大学自动化学院，南京 210094）2（江苏省出入境检验检疫局，南京 210008）

采用51单片机+FPGA结构给出一种高性能的水发产品甲醛含量现场快速检测仪的设计，充分利用单片机芯片的高效控制功能结合FPGA灵活的多硬件接口模拟特性，对任务处理变得更加灵活高效。该仪器的主要特点如下：体积小、重量轻、速度快、便于携带，适合现场快速检测。

单片机；FPGA；现场快速；片上系统

水发产品味道鲜美,营养价值高，烹调方便,深受广大消费者喜爱。甲醛由于具有防腐保鲜、增加机体组织脆性的作用，一些不法商贩向水发食品中添加甲醛，以达到延长保存时间、改善口感的目的。但是，甲醛对人体黏膜，特别是呼吸系统具有强刺激性，影响人体健康，是国家明令禁止添加到食品中的非食品添加剂。而我国部分水发产品甲醛含量超标情况十分严重，大多场合采用传统的化学试剂检测方法，但化学试剂检测方法检测周期长、检验程序复杂繁琐、需要专业人员操作和仪器设备不适合现场操作。针对化学试剂检测方法的缺点，在这篇文章中给出了一种基于51单片机+FPGA水发产品甲醛含量现场快速检测仪的设计方案。

1 检测仪系统设计

选用Intel公司8051单片机和ALTERA公司的低成本FPGA芯片（cycloneⅡ） 结合使用，完成水发产品甲醛含量现场快速检测仪设计。单片机控制器是作为主处理器，用于任务处理，FPGA芯片是作为协处理器，用于实现PWM控制输出等接口电路。水发产品甲醛含量现场快速检测仪主要系统功能框图如图1。

1.1 检测系统的设计

水发产品甲醛含量现场快速检测仪实际就是一种新型的光度计。用可见光光源测定有色物质的方法，称为可见光光度法。可以用样品中的甲醛与乙酰丙酮在乙酸铵-二乙酸缓冲溶液中反应生成黄色络合物2，6-二甲基-3，5-二乙酰基-1，4-二氢吡啶，该络合物在412 nm处存在最大吸收峰，可根据此特性运用可见光分光光度法进行测量。其测量原理与传统的分光光度计测量原理是一样的，都是通过被测物质或被测物质与显色剂的反应产物在可见光区吸收光谱的特性来定性鉴别被测物质。与比色法一样，都是通过Beer-Lambert定律来定量测定被测物质的量。

图1 水发产品甲醛含量现场快速检测仪系统功能框图

选用光频转换器TSL230B是美国TI公司的最新智能传感器，它可直接对可见光进行频率转换；其灵敏度、分频输出可由程序控制，该器件特别适合于频率计数器、脉冲累加器及高速定时器。可编程光/频转换器TSL230B原理功能框图如图2所示，主要由多晶硅光电二极管和单片CMOS电流/频率集成转换器构成。多晶硅光电二极管对光强信号进行光电转换，把一定光谱的光转换成电流，再由电流/频率转换器转换成相应的脉冲频率。输出为方波，可程控调整器件的灵敏度及满量程输出频率。

图2 TSL230B原理功能框图

S1、S2为灵敏度控制端，实际上是通过改变芯片上方的感光窗口的面积来改变灵敏度；S3、S4为满量程选择端；OUT为频率信号输出，进入单片机控制器的捕获输入，程序中选择下降沿捕获有效，通过计算两次捕获时间内计数器的数值差，便可以计算输出频率值。

在设计中，由于LED和可编程光/频转换器TSL230B几乎不需外围器件，单片机控制器可以直接驱动LED和可编程光/频转换器TSL230B，所以直接可以和单片机控制器I/O端口连接。

1.2 温度控制系统的设计

在检测水发产品甲醛含量时，甲醛与乙酰丙酮在沸水浴条件下才能快速反应，光度计的工作环境也会受到温度的影响，因此，必须有一个温度控制系统能提供检测时所需的特定温度。温度控制系统由单片机控制器、FPGA的PWM控制模块、电平转换电路、热电制冷器和温度传感器组成。

单片机控制器用于当前温度的显示控制、模糊PID运算和控制FPGA的PWM控制模块输出。电平转换电路包括隔电路、方波整形电路和改进的buck变换器。热电制冷器型号为TEM9500/128/040B，其最高工作电压为17.6 V，最大电流为4.0 A，冷面和热面最大温差为72℃，最大功率38.0 W，热电制冷器上通过的直流电流大小和方向决定了其工作特性，且其工作电压和工作电流成正比关系。

Buck DC-DC电路是一种降压斩波电路，也称为Buck变换器（Buck Converter）。他是通过改变开关器件的导通比来控制输出电压的大小和平均输出电流。利用占空比可变的PWM控制开关器件（FPGA的PWM控制模块），然后通过buck变换器输出可变的直流电压驱动热电制冷器。给出的一种改进的Buck变换器电路图如图3所示。

图3 改进的Buck变换器电路图

1.3 接口电路的设计

片上系统应用主要涉及单片机和FPGA功能模块划分，单片机主要用于任务处理，FPGA主要用于实现单片机的外围接口电路。

FPGA功能模块划分主要有以下几个部分：

a）通用逻辑模块：根据具体的情况产生各种不同的逻辑电路及控制信号，代替传统的标准逻辑芯片。将其设计为扩展存储器时用到的地址锁存器和FIFO存储器。

b） PWM控制模块：代替传统的单片机与PWM的接口电路，用FPGA编程完成PWM的生成与控制。将其设计为温度控制系统的PWM控制模块。

c）键盘接口模块：代替传统的单片机与键盘的接口电路，用FPGA编程完成消除抖动及按键识别功能。将其设计为一些特定功能按键。

d）显示接口模块：代替传统的单片机与显示器的接口电路，用FPGA编程完成译码、扫描等功能。将其设计为LCD接口模块

e） 通信接口模块：实现单片机与其外设的串行或并行数据通信。将其设计为串行通信接口模块。

f）其他扩展模块：实现单片机的一些其他常用功能，如A/D和D/A转换的控制等。

通过对FPGA器件进行功能设计，取代传统单片机系统中外设接口用的标准逻辑电路和专用的接口芯片，使单片机系统的硬件电路大大简化并提高其可靠性。当需要改变系统性能时，可以通过对FPGA 重新编程而不用改变硬件电路，提高了系统设计的灵活性。

用FPGA实现单片机的外围接口电路，即将片上系统（SOC） 应用到仪器的开发中，用以替代仪器的单片机加外围器件的传统设计，使得仪器结构简单、体积小、成本低、稳定性与可靠性高、使用方便。

1.4 数据处理

智能仪器可以利用仪器的微控制器对数据进行加工和处理，减小测量过程中产生的随机误差和系统误差，从而提高测量精度。对数据处理需要数学建模，采用线性回归方法进行建模。

线性回归方法是一种经典建模方法，线性回归分析建模是根据统计学的原理，通过大量实时的、能够检测到的数据，用统计回归的方法建立未知的过程变量与可检测变量的数学模型，因此，他不需要建立复杂的数学模型，只需要收集大量的辅助变量的测量数据主导变量的分析数据，运用统计方法将这些数据中隐含的对象信息进行提取，从而建立主导变量和辅助变量之间的数学模型。线性回归方法中最经典的方法是最小二乘法。

用最小二乘法建模，需要收集大量的数据，才可以尽可能地减小误差。但在数据处理中，这种方法简单直观，不失为一种不错的数据处理方法。

2 结束语

在这篇文章中提出了一种水发产品甲醛含量现场快速检测仪的设计方案，优点在于体积小、重量轻、速度快、便于携带，适合现场快速检测。这种检测方法区别于传统的化学试剂检测方法，使得仪器使用简单，不需要专业人员进行操作，有利于仪器推广使用。运用FPGA实现单片机外围接口电路，使得仪器电路结构简单，有利于以后产品化降低成本。单片机芯片的控制功能结合FPGA灵活的多硬件接口模拟特性对任务处理变得更加灵活高效。

［1］魏士刚.便携式食品安全快速检测仪的研制及其在食品分析中的应用［D］.硕士学位论文，吉林大学，2006.

［2］朱卫华，陈志勇.一种基于TSL230B光频转化器的有机物熔点测试仪［J］.工业仪表与自动化装置，2005（5）：64-65.

［3］苏玉娜，程明.基于FPGA的单片机外围接口电路设计［J］.微计算机信息，2009，25（5-2）：173-174.

［4］赵志琴，李宝华，邹兆，等.热电制冷器的模糊PID恒温控制器的研制［J］.微计算机信息，2007，23（7-1）：11-13.

［5］付华，郭虹，徐耀松.智能仪器设计［M］.北京：国防工业出版社，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