基于ARM的全自動固相萃取儀設(shè)計研究論文
引言
樣品前處理是食品安全分析檢測過程的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，樣品前處理好壞與否，將對檢測結(jié)果造成直接影響，樣品前處理是制約檢測速度、準(zhǔn)確度和靈敏度的瓶頸問題。固相萃取相對離心、透析、蒸餾、沉淀、過濾、索氏提取等，具有樣品轉(zhuǎn)移少、蒸發(fā)少、污染小、選擇性強(qiáng)、分離時間短、使用有機(jī)溶劑少、回收率高、重現(xiàn)性好等特點，能夠有效將分析物與干擾組分分離，是目前迅速發(fā)展的樣品分析前處理技術(shù)。固相萃取廣泛應(yīng)用于食品安全檢測實驗室，萃取操作大部分采用手工萃取裝置，難以實現(xiàn)食品分析檢測要求的高通量、高效率，難以達(dá)到快速、高效、準(zhǔn)確的要求。本文設(shè)計的全自動固相萃取儀能夠把分析檢測人員從復(fù)雜繁瑣的重復(fù)勞動中解放出來，且能夠?qū)崿F(xiàn)樣品的高通量、高效率處理，實現(xiàn)固相萃取的自動化、智能化。
1 固相萃取儀基本工作原理
1.1 樣品前處理中的固相萃取法
固相萃取(Solid Phase Extrtaction,SPE)是近年來國外新開發(fā)的一種樣品前處理技術(shù)，由液固相萃取和柱液相色譜技術(shù)相結(jié)合發(fā)展而來，主要用于目標(biāo)化合物的分離、純化和濃縮。SPE是一個包括液相和固相的物理萃取過程，在SPE過程中，固相對分析物的吸附力大于樣品母液，當(dāng)樣品通過SPE柱時，分析物被吸附在固體表面，其他組分則隨樣品母液通過柱子，最后用適當(dāng)?shù)娜軇⿲⒎治鑫锵疵撓聛�。SPE操作一般有六步，分別是樣品前處理(這一步不包括在SPE過程中)、SPE溶劑活化、 SPE助平衡、樣品加入、沖洗填料、洗脫感興趣的.化合物。
1.2 全自動固相萃取儀萃取功能實現(xiàn)
全自動固相萃取儀通過三維機(jī)械臂和高精度蠕動泵實現(xiàn)固相萃取的自動化。三維機(jī)械臂由X軸載動系統(tǒng)、Y軸載動系統(tǒng)和Z軸升降系統(tǒng)組成。其中Z軸升降裝置上固定有12跟取樣針管，針管與多通道蠕動泵上的12跟硅膠管相連;Z軸升降系統(tǒng)固定在X軸載動系統(tǒng)的滑塊上，在滑塊的帶動下，取樣針管可運動到儀器背板各個溶劑盒上方;Y軸載動系統(tǒng)可來回推進(jìn)固相萃取小柱支架，使其能夠在廢液搜集池和回收試管上方運動。系統(tǒng)通過機(jī)械臂的三維運動實現(xiàn)固相萃取的活化、平衡、上樣、淋洗、洗脫過程中的定位，通過蠕動泵泵液實現(xiàn)過柱樣品和溶劑的添加。機(jī)械結(jié)構(gòu)采用SolidWorks 2012三維軟件對全自動固相萃取儀的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。
2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計
全自動固相萃取儀控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)三軸載動系統(tǒng)的運動控制和蠕動泵的泵液控制，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。控制系統(tǒng)采用ARM9和Cortex-M3內(nèi)核微處理器構(gòu)成的上下位機(jī)架構(gòu)，控制核心分別為S3C2440和STM32F103RBT6。上位機(jī)采用Micro2440開發(fā)板，搭載嵌入式WinCE操作系統(tǒng)，基于WinCE設(shè)計系統(tǒng)的操控軟件，控制取樣蠕動泵的運轉(zhuǎn)并通過數(shù)據(jù)接口和下位機(jī)進(jìn)行通訊，發(fā)送操控指令。與下位機(jī)連接的硬件模塊包含電機(jī)驅(qū)動模塊、傳感器模塊、電源模塊等。電機(jī)驅(qū)動模塊用于驅(qū)動載動系統(tǒng)和升降系統(tǒng)的電機(jī)，光電傳感器用于載動系統(tǒng)和升降系統(tǒng)原點控制。
3 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.1 電源設(shè)計
根據(jù)系統(tǒng)硬件模塊不同，所需的電壓也不同。系統(tǒng)中步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊、光電傳感器、單片機(jī)的工作電壓分別為24V、24V和3.3V。其中步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊和光電傳感器直接采用開關(guān)電源24V輸出端供電，采用ASM1117-3.3將開關(guān)電源的5V輸出端轉(zhuǎn)為3.3V電壓給單片機(jī)供電。
3.2 電機(jī)驅(qū)動模塊設(shè)計
電機(jī)驅(qū)動芯片選擇東芝公司的THB6064H，驅(qū)動電路原理圖如圖3所示。THB6064H內(nèi)部集成了續(xù)流二極管，不需要外接肖特基二極管來泄放繞組電流，2相輸出端口OUTA和OUTB直接與步進(jìn)電機(jī)相連，選用0.25歐姆，2W的大功率電阻連接至A、B兩相的電流檢測端NFA、NFB。為解決步進(jìn)電機(jī)低頻振動大、噪聲大的問題，采用了細(xì)分方式，通過M1、M2、M3外接撥碼開關(guān)來設(shè)定不同的細(xì)分值，最多設(shè)置64細(xì)分。
3.3 光電傳感器檢測模塊設(shè)計
為了對載動系統(tǒng)和升降系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確定位和零點控制，采用槽形光EE-SX670，將其安放在X軸、Y軸與Z軸的零點位置。EE-SX670擁有50到100mA的開關(guān)能力，采用NPN輸出模式，反應(yīng)頻率高達(dá)1KHz。由于電源存在沖擊電壓，在EE-SX672的電源輸入端和地之間需要并聯(lián)一個耐壓值30V~35V的齊納二極管和0.01uF的電容吸收沖擊電壓。為了使傳感器的輸出信號穩(wěn)定，輸出端外接一個4.7千歐的、0.5W的電阻上拉至24V電源端。STM32的每個IO都可以作為中斷輸入，EE-SX670的輸出信號需要給STM32的外部中斷端口，而STM32的IO輸入電壓為3.3V，所以EE-SX670的輸出信號需要經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換后才能連接到STI32的IO端口。
4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計
控制系統(tǒng)軟件與硬件電路緊密結(jié)合共同實現(xiàn)對全自動固相萃取儀的控制。本文設(shè)計的全自動固相萃取儀是集計算機(jī)自動化控制與實時性狀態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析于一體的自動化系統(tǒng)，要求系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠的處理人機(jī)界面發(fā)出的指令請求，實時處理收發(fā)數(shù)據(jù)，提供友好的操控界面�；谝陨弦�，本系統(tǒng)采用Windows CE6.0作為操作系統(tǒng)平臺，根據(jù)實際需要對內(nèi)核進(jìn)行了適當(dāng)?shù)�。裁剪。，采用Visual Studio 2005開發(fā)應(yīng)用軟件�？刂葡到y(tǒng)軟件設(shè)計主要包括上位機(jī)應(yīng)用軟件設(shè)計和三軸運動和蠕動泵控制軟件設(shè)計。
兩種模式都要求準(zhǔn)確控制X軸載動裝系統(tǒng)、Y軸載動系統(tǒng)和Z軸升降系統(tǒng)的定位和蠕動泵的泵液量。系統(tǒng)三個載動軸的定位采用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過STM32的定時器TIM來產(chǎn)生PWM信號，輸出到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片上驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)運行，蠕動泵的控制則通過上位機(jī)的串行通信接口實現(xiàn)。
5 實驗結(jié)果
采用三聚氰胺HPLC-UV方法對三聚氰胺進(jìn)行檢測的過程中，采用儀器進(jìn)行樣品的凈化處理，用儀器對樣品進(jìn)行萃取凈化后，對搜集液用50℃的氮氣吹干，用20%的甲醇水溶液進(jìn)定容至2ml，用HPLC(高效液相色譜法)進(jìn)行分析。
6 結(jié)束語
本文所設(shè)計的全自動固相萃取儀采用SolidWorks三維軟件對儀器機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，采用ARM9和Cortex-M3雙核架構(gòu)，基于WindowsCE6.0嵌入式操作系統(tǒng)用Visual Studio 2005進(jìn)行應(yīng)用軟件開發(fā)，能夠?qū)崿F(xiàn)樣品的高通量、高效率處理，實現(xiàn)固相萃取的自動化、智能化。實驗結(jié)果表明能很好的用于自動化分析檢測樣品前處理的場合，具有很好的應(yīng)用前景和實用價值。
【基于ARM的全自動固相萃取儀設(shè)計研究論文】相關(guān)文章：
關(guān)于淺析萃取精餾技術(shù)的研究論文11-07
基于手持設(shè)備的智能球研究與設(shè)計論文11-02
全自動浸錫機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計研究論文10-29
基于寒冷地區(qū)公共空間設(shè)計方法研究論文11-01
氣相色譜儀的發(fā)展軌跡與趨勢論文03-03
基于無障礙設(shè)計理念的電梯設(shè)計討論與研究論文10-29
論文：全自動生化分析儀的維護(hù)保養(yǎng)及故障排除07-03