光學與電子學農藥殘留快速檢測方案范文

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本文討論了一種基于光學中的朗伯—比爾定律和電子學中的單片機及外圍電路的便攜式農藥殘留快速檢測裝置方案。通過光學系統采集農藥殘留信息，以單片機為核心控制電路處理信息，提示是否超標并顯示具體農藥殘留的濃度值。針對有機磷類農藥的檢測已試驗成功。本文為光學與電子學結合檢測農藥殘留的領域提供了可行性參考，將環保理念融入其中，幫助人們提高健康意識與環保意識，有效地推動電子信息化的建設，并對其以后的發展做出展望。

1.引言

在人們日常的生產生活中，給果蔬噴灑農藥成為了保證產量與經濟效益的一種不可或缺的途徑。但近年來，隨著果蔬生產結構的改變，大棚種植等技術的廣泛使用，使得一些害蟲也可在溫濕度較為適宜的情況下快速繁殖，造成農作物減產，因此農藥使用的劑量隨之增加，人們不合理地使用農藥情況加劇，果蔬中農藥殘留的水平已達到了一定的嚴重程度，同時也成為了全球的焦點問題。大量的使用農藥導致生態環境中的農藥含量超標，即使稍有少量的殘留，不僅長期接觸會對人體造成危害，而且一層層的生物累加性會使得農藥最終對生物鏈頂端的人類造成傷害。而專業技術人員、場地條件并不密集的種植基地、批發市場、超市、海關等各個流通環節都迫切需要農藥殘留的快速檢測，所以小型化、實用化、易操作化、商品化的便攜式農藥殘留快速檢測裝置可適應大眾的需求。由于農藥種類繁雜，各種新型混合農藥試劑的使用，使得農藥殘留檢測的難度大為提升。本文在此提出一種針對含有有機磷類農藥的試劑是否超標的檢測提供可行性方案，本方案在實驗階段實驗成功，樣機試驗成功。

2.光學部分

2.1原理性概述

光學部分的主要原理基于朗伯—比爾定律，當一束單色平行光垂直射入透明溶液介質時，溶液的吸光度A與溶液的濃度c和液層厚度d的乘積成正比，見式1-1，比例系數k即為吸光系數，與吸收物質的性質及入射光的波長λ有關。透射的光，獲取多組數據，原理圖如圖1所示。為了避免外界環境中光線等因素影響檢測的結果，本方案設計了一種隔絕外界環境的裝置，排除了外界因素的影響，可以大幅地提高檢測的準確性，暗室外觀模型圖如圖2所示。

2.2光信號采集過程

本方案的檢測模塊工作在上述設計的暗室里，當按下按鍵打開總電源時，系統自動給嵌入式主控系統供電，分別控制兩個特殊光電二極管發射兩種不同波長光，從相互垂直的方向照射，經過光學信道后穿過透鏡，透鏡使得光束從點光源轉換為平行光的同時濾波，再穿過接收部分的透鏡進行濾波后，經過光學信道，光便可到達特殊的光電晶體管，如圖3所示。但經過一定的時間，待光透射試管穩定后，主控系統開始控制特殊光電晶體管接收光強。

3.硬件部分

3.1硬件器件的選型

隨著ARM系列的廣泛應用，32位微控制器迅速成為市場主流產品。32位單片機性價比和可開發程度都比較高。在本系統中，微處理器主要負責信號的收集、濾波處理、LCD顯示、數據管理等功能，同時要進行實時顯示。因此，本設計選用的單片機需要有較高的處理速度。在統籌了內部集成單元結構與數量和微處理器的成本等因素后，通過多方比較后本方案采用盛群半導體公司推出的擁有32位內核的微處理器。這款芯片得益于ARMCortex-M3內核多項新型的增強結構，擁有復位電路、低電壓檢測、調壓器、精確的RC振蕩器等，具有性能優異，功耗超低等特點，能充分滿足本系統的應用需求。本方案同時采用了高精度的16位模數轉換器以及上述意法半導體公司推出的Cortex-M3內核的芯片作為微處理器，具有檢測快速，結果穩定、精確等特點，測量精度比市場上現有的測量儀高出了一到兩個數量級。

3.2硬件部分的工作過程

基于Cortex-M3內核的STM32最小片上系統，系統整體示意圖如圖4所示。主控系統控制特殊光電晶體管接收光強后，光信號通過光電傳感器轉換為單片機能夠識別的電信號，微弱電信號經一級放大以后，傳給濾波級，然后再經二次放大，為了使放大的信號達到要求，采取程控自動增益，使其最終放大的信號滿足需求，經硬件濾波、軟件濾波后傳給ADC處理器。ADC處理單元與嵌入式主控單元之間建立通信連接，進行模數轉換后，將數字量傳給主控系統，系統處理后再進行液晶顯示。電源模塊為整個系統穩定運行供應電源，減少整個系統的能量損耗。在產品使用過程中，為防止電池電量過低或過高時對系統造成毀壞或者導致測量結果不準等，本方案設計了電量監測電路，保證電源持續高效地供應。為保證光源在恒定功率下工作，本方案設計了電流控制電路。同時本方案為該系統的測量部分模塊化，將智能語音報警殘留農藥是否超標，同時顯示界面有相應中文提示以及給定試管中溶液的濃度量。

4.軟件部分

4.1軟件設計流程圖

軟件設計過程中采用模塊化的編程思想，整個系統可以劃分為多個功能模塊，在主程序中調用各個子程序從而實現系統復雜的功能。軟件設計流程圖如圖5所示。

4.2AD采集程序設計

精確采集農殘檢測數據對于后面進一步的分析有著重要的意義，本系統采用AD7705模數轉換器，它有2個通道，最快轉換速度為lus，可以同時對2個模擬量進行快速采集。由于農殘檢測儀采集數據的頻率要求不是很高，使用AD7705足以滿足系統采樣需求，此外，采用AD7705還降低了開發成本，提高了采樣的穩定性。程序流程如圖6所示。

4.3線性插值算法

在信號檢測部分，被檢測物質的吸光度經光電轉換之后的電壓量和A/D轉換之后的數字量之間均是線性關系，但是由于光電傳感器和A/D采集部分均存在一定的系統誤差，使得被檢測的物質濃度與最終得到的數字量之間不是嚴格的線性關系，因此為了得到物理量的真實值，本方案建立了被檢測物理量與轉換之后的數字量之間的對應關系，采用代數插值擬合算法，減小系統誤差，提高設備精度。

5.實驗探究

5.1波長的選擇

經分析后，得到有機磷類農藥的吸收光譜如圖7所示，從所得曲線上可以直觀得出，溶液的吸光度最高峰值在400nm，以及吸光度第二高峰值出現在600nm附近，本方案選取這兩種波長。

5.2數據分析

配制有一定濃度差的有機磷類農藥多組試劑：0mg/L，0.05mg/L，0.08mg/L，0.12mg/L，0.20mg/L，0.30mg/L，0.40mg/L，0.50mg/L，0.60mg/L，0.70mg/L，0.80mg/L，放置在無光且溫度適宜的條件下，分別測出不同濃度對應的光強（電壓）變化大小，系統顯示結果如表1所示。設電壓U關于濃度c的回歸函數為，從上面完全不同的11次獨立試驗中，來確定的最大似然估計值為：代入數據計算得：根據上面實驗數據，采用線性擬合的方式進行處理，農藥濃度與波長分光光度法測定藥物及生物樣品中呋塞米：分析科學學報，2018，34(01)：138-140；沈宇，王風云，鄭紀業，房勝，李哲，張琛，光譜分析技術在水果品質與安全檢測中的應用：中國農業信息，2018，30(03)：105-112；王雅靜，對食品、農藥的光譜技術預測模型的研究：上海師范大學，2018。

作者：姬馨玉 姜道連 單位：天津理工大學