一种ATP荧光食品检测仪的制作方法

本实用新型涉及检测技术领域，具体是一种ATP荧光食品检测仪。

背景技术：

台式ATP荧光法微生物检测仪

（1）时间长：与常规的细菌平皿计数比较，检测系统的主要特点在于周期长、结果准确性差。平皿计数法需要两天时间才能得到检测数据。因此，采用研发快检系统是实施HACCP认证体系，建立食品安全预警、溯源制度，提高工作效率和管理标准化水平的必备条件。

（2）携带不便：传统ATP荧光检测仪器组件需要安放在一小型手提工具箱内，总重量不超过2.0公斤，携带不方便。

（3）操作复杂：需要仔细阅读使用手册，理解快检系统基本原理，执行操作步骤的条件下，经数次实际操作即可进行检测，还需要特殊培训。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种ATP荧光食品检测仪，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种ATP荧光食品检测仪，包括中央控制模块、电源模块、荧光检测模块、通信模块、输入模块、显示模块、数据存储模块、人机对话模块、信号采集放大模块、A/D转换模块、辅助电路模块和取样测试模块，所述中央控制模块分别连接电源模块、通信模块、输入模块、显示模块、数据存储模块、人机对话模块、A/D转换模块、辅助电路模块，A/D转换模块上依次连接信号采集放大模块、荧光检测模块、取样测试模块。

作为本实用新型进一步的方案：所述电源模块采用两节普通的1.5V碱性电池作为供电电源。

作为本实用新型进一步的方案：所述荧光检测模块采用低压差线形稳压芯片LP2982与AD8605运算放大器芯片结合的模块。

作为本实用新型进一步的方案：所述荧光检测模块采用铝壳进行屏蔽。

作为本实用新型进一步的方案：所述荧光检测模块上连接有校准模块。

作为本实用新型再进一步的方案：所述中央控制模块上还连接有USB接口，中央控制模块通过通信模块与Wifi、3G网络与云服务平台连接。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1）灵敏度高，可实现5*10-18mol/ATP；

2）现场检测速度快，15s可得到检测结果；

3）可检测多种项目：表面、液体（总ATP和游离ATP）、管道；也可检测水和食物中大肠菌群、大肠杆菌、菌落总数、碱性磷酸酶、蛋白酶等；

4）配套一体化液态稳定检测拭子和预湿的采样头一体化设计；

5）配套独立的数据处理软件，提供多种数据趋势分析模式，数据可导出等功能；

6）机身小巧，单手可持，适合现场作业使用；

7）采用高灵敏度、超稳定光电检测管，具有稳定性强，灵敏、快速的优点。

8）将检测技术与移动互联网技术无缝融合，把检测、监测技术随身化、穿戴化，无疑是可穿戴领域一新宠。

附图说明

图1为ATP荧光食品检测仪的检测原理图。

图2为ATP荧光食品检测仪的硬件部分连接示意图。

图3为ATP荧光食品检测仪的软件部分连接示意图。

图4为不同物质的量的ATP与发光值的对应曲线图。

图5为ATP荧光食品检测仪中电源模块的电路图。

图6为ATP荧光食品检测仪中荧光检测模块的电路图

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型实施例中， ATP荧光食品检测仪，包括生物发光处理技术、生物数字电路处理技术和移动应用设计。

（一）生物发光处理技术

（1）ATP荧光检测仪原理

该检测仪以微控制器为控制核心，通过光学检测模块，实现微弱荧光信号采集，经高精度A/D模块转换及数据处理后得到与被测样品ATP浓度对应的响应信号。检测结果除可由显示模块进行显示外，还可通过通讯模块上传至计算机进行保存和处理，ATP荧光快速检测仪原理图如图1所示。

（2）ATP荧光检测仪硬件部分

如图2所示，包括中央控制模块、电源模块、荧光检测模块、通信模块、输入模块、显示模块、数据存储模块、人机对话模块、信号采集放大模块、A/D转换模块、辅助电路模块和取样测试模块，中央控制模块分别连接电源模块、通信模块、输入模块、显示模块、数据存储模块、人机对话模块、A/D转换模块、辅助电路模块，A/D转换模块上依次连接信号采集放大模块、荧光检测模块、取样测试模块。

（3）软件设计

由于整个系统功能比较复杂，为了充分利用系统的硬件资源，方便对程序的管理以及升级，采用由内向外的操作系统层、应用层、硬件层的三层结构，如图3所示，操作系统层通过应用层连接硬件层，所述操作系统层采用μC/OS-II嵌入式操作系统，所述应用层包括信号采集处理任务、命令处理任务、显示任务、数据存储任务和通信任务，操作系统分别控制应用层的信号采集处理任务、命令处理任务、显示任务、数据存储任务和通信任务，所述硬件层为硬件部分，操作系统通过应用层的信号采集处理任务控制硬件层的荧光检测模块，操作系统通过应用层的命令处理任务控制硬件层的输入模块，操作系统通过应用层的显示任务控制硬件层的显示模块，操作系统通过应用层的数据存储任务控制硬件层的数据存储任务，操作系统通过应用层的通信任务控制硬件层的通信模块。

（1）信号采集处理任务控制MAX1407对试样的发光值进行采样并对获得的数据进行处理。是整个系统的核心，在本系统中具有最高优先级。平时处于挂起状态，由命令处理任务激活，数据采集完成后，激活数据存储任务，然后挂起。

（2）命令处理任务 根据键值和系统当前所处状态激活其他任务，任务优先级较高，在本系统中处于第二优先级。

（3）显示任务 在LCD上实时显示各种数据及状态，任务优先级较高，为第三优先级。

（4）数据存储任务 通过SPI总线与25AA640芯片进行通信，存储检测数据。

（5）通信任务 与上位机通信，传送检测数据或接收上位机命令。

系统运行时，首先进行系统初始化操作，即初始化所有数据结构，分配堆栈空间，然后建立任务间通信的信号量或者消息邮箱，进而创建任务，所有任务被置于就绪态。多任务环境开始运行，命令处理任务根据键盘状态激活其他任务，从而实现系统的各个功能。

（4）测量结果与分析

常见的微生物如真菌类，其ATP含量的数量级为10-11mol/细胞，细菌类为10-18mol /细胞。根据食品生产过程中对环境卫生的要求，本仪器的设计目标是能够准确检测10-15-10-11mol的ATP。当ATP的量在此范围时，仪器应该具有良好的重复性和线性。

为了测试仪器的性能，采用美国普洛麦格公司生产的辉光型荧光素-荧光素酶作为检测试剂，将配置的不同量的ATP标准液（10-16-10-7mol）加入到萤火虫-荧光素酶中，用仪器进行测量。为了避免偶然性，对不同数量级的ATP量进行多次试验。将测到的数据进行处理，绘制不同物质的量的ATP与发光值的对应曲线如图4所示：

可以看出，发光曲线明显的分为三个部分，下面分别对这三个部分进行分析：

（1）区域A 此部分发光量随ATP量的增加而稍微增加但不成线性关系。这是因为仪器和酶存在背景噪声，当ATP的量很小时，发出的光十分微弱，被背景噪声淹没。

（2）区域B 在此区域内发光量与ATP的量成7个数量级的线性关系。因此，可以用发光值作为评判ATP量的方法之一。

（3）区域C 在此区域内的ATP量大，而参与反应的酶的含量一定，造成ATP剩余，发光量渐趋饱和。

由测量曲线可以得出，所设计的ATP食品卫生检测仪在检测10-15-10-11mol量的ATP时，具有良好的线性和可重复性，达到了设计要求。因此，本检测仪可以实现对细菌含量的现场快速检测。

（二）生物数字电路处理技术

ATP荧光检测仪在设计过程中面临的两个突出的难点在于仪器近乎苛刻的超低功耗要求和对超微弱荧光的检测。针对这两点，对电源模块和微弱荧光检测模块采取如下设计方案。

（1）电源模块由于仪器的便携特性，采用两节普通的1.5V碱性电池作为仪器的电源。利用具有电池反接保护功能的升压开关电源芯片MAX1833，将电池电压转化整个硬件系统的3.3V工作电压，和最大150mA的电流输出。此芯片静态电流为4μA，关断电流小于1μA，电源转换效率高达90%。

微弱荧光检测模块需要精度和稳定性要求更高的电源供电，选用美国国家半导体公司生产的低压差线形稳压芯片LP2982，可提供精准的3V电压和最大50mA的电流输出，具有输出电压精度1%，低噪声和关断电流小于1μA等特点。电源模块电路如图5所示。

以上供电模块的设计，具有电源转换效率高，静态漏电流低等优点。计算证明这样的设计可使仪器待机长达6个月。

（2）微弱荧光检测模块，传统ATP检测仪采用PMT作为光电传感器，对试样所发出的荧光强度进行检测。由于PMT工作时需要正负高压电源供电，使得用其作为光电探测器的卫生检测仪体积较大且价格昂贵，不方便携带，极大的限制了此种检测仪的应用。采用日本滨松生产的s1227系列硅光电二极管作为光电传感器，具有体积较小，灵敏度高，暗电流小等优点。与PMT相比，硅光电二极管本身没有电流的放大作用，因此需要设计良好的放大电路将光电二极管输出的微弱电流进行放大。采取以下两种措施，可很好的解决微弱电流信号的放大问题：

① 选用高性能的集成运算放大器，采用ADI公司生产的AD8605运算放大器芯片作为放大器。此放大器具有偏置电压低，输入电流低（pA级），电压电流噪声低等优点，是光电二极管放大电路的最佳选择。光电二极管采用光伏模式，可以非常精确的线性工作，无暗电流，整个电路的噪声低。

② 对整个微弱荧光检测模块进行屏蔽采用的特殊设计的铝壳进行屏蔽的方法取得了很好的效果。信号放大后，由具有16位Δ-ΣA/D转换器的MAX1407数据采集芯片进行采样。整个信号调理电路如图6所示。

此外，放大器的增益漂移也是一个必须考虑的问题。设计了校准模块来解决此问题：光电二极管内阻和反馈电阻R的温度特性会导致整个电路的放大倍数随着温度而变化。采用绿光LED（发射出560nm左右的光，与ATP生物化学发光光谱非常匹配）作为校准光源来解决此问题。LED发光具有稳定的低漂移，在一定范围内发光强度与电流成正比。设电流为I1，I2为通过LED的电流，放大电路输出电压分别为V1，V2，利用公式（1）：

可以计算出当前环境下的放大系数β，与标准放大倍数相乘就可以得到当前放大倍数。此校准模块，具有自动校准的特点，不需要人工干预。

采用6键簿膜开关作为仪器的输入部分，输出部分为字符型LCD。具有打印接口以及与上位机进行通信的RS232接口。按键少，界面友好，操作简单。

（三）移动应用设计

本项目检测技术与移动互联网技术无缝融合，具有移动互联特性、支持云端应用。检测数据可通过USB等接口立即上传到PC检测仪软件，可快速、简便地对检测结果进行追踪、趋势分析、存档和报告。同时也可通过WIFI、3G网络等上传到云服务平台，云服务平台可对数据进行采集和汇总，云端数据中心统一化存储，根据收集的现场检测数据进行云端模型计算分析，分析结果进行持久化存储提供预警系统消息处理和后期追溯系统进行安全追溯查询。

本实用新型检测仪的技术效果：

（1）对社会发展所起的作用

该检测仪可用于食品生产企业生产过程检测、食品流通过程中快速自检、政府食品安全现场监督及医疗系统物体表面及操作人员手等表面洁净度快速测定的专用设备。广泛应用于车载及实验室等食品安全检测与监控场所，尤其适用于现场操作。

（2）经济效益和产业化前景

本检测仪采用ATP生物化学发光法与嵌入式系统相结合的方法，使得对微生物含量的检测时间大大缩短，只需要2min即可得到测试结果。特别由于采用硅光电二极管作为光电传感器，解决了通常使用PMT光电倍增管体积大，价格昂贵，不方便携带的缺点。测试仪的体积小，方便携带，功耗低，待机时间长，检测精度高，能够方便的对试样进行实时检测，在食品生产卫生检测领域具有很好的应用前景。

（3）对环境影响程度

本项目采用先进的光电二极管技术，整个检测仪功耗低、小巧便携式，低碳环保，绝大多数的一次性耗材均可100%回收利用，检测仪使用的材质仅为一半为塑料，不使用那些难以回收的材料，本项目产品不直接构成环境影响。

（4）资源综合利用

本项目整套解决方案采用云端运行模式，统一的数据、业务处理，大量的提升了系统整体的硬件资源利用率，减少了系统运营所需要投入的硬件设备从而有效的解决了系统运行的能源、电力等资源的消耗，从而达到绿色低碳环保节能的经济价值。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。