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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(nóng)藥殘留快速檢測裝置方案。通過光學系統(tǒng)采集農(nóng)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(nóng)藥殘留的濃度值。針對有機磷類農(nóng)藥的檢測已試驗成功。本文為光學與電子學結(jié)合檢測農(nóng)藥殘留的領(lǐng)域提供了可行性參考，將環(huán)保理念融入其中，幫助人們提高健康意識與環(huán)保意識，有效地推動電子信息化的建設(shè)，并對其以后的發(fā)展做出展望。

1.引言

在人們?nèi)粘５纳a(chǎn)生活中，給果蔬噴灑農(nóng)藥成為了保證產(chǎn)量與經(jīng)濟效益的一種不可或缺的途徑。但近年來，隨著果蔬生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的改變，大棚種植等技術(shù)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(nóng)作物減產(chǎn)，因此農(nóng)藥使用的劑量隨之增加，人們不合理地使用農(nóng)藥情況加劇，果蔬中農(nóng)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(nóng)藥導致生態(tài)環(huán)境中的農(nóng)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(nóng)藥最終對生物鏈頂端的人類造成傷害。而專業(yè)技術(shù)人員、場地條件并不密集的種植基地、批發(fā)市場、超市、海關(guān)等各個流通環(huán)節(jié)都迫切需要農(nóng)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(nóng)藥殘留快速檢測裝置可適應大眾的需求。由于農(nóng)藥種類繁雜，各種新型混合農(nóng)藥試劑的使用，使得農(nóng)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(nóng)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(zhì)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(shù)k即為吸光系數(shù)，與吸收物質(zhì)的性質(zhì)及入射光的波長λ有關(guān)。透射的光，獲取多組數(shù)據(jù)，原理圖如圖1所示。為了避免外界環(huán)境中光線等因素影響檢測的結(jié)果，本方案設(shè)計了一種隔絕外界環(huán)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(shè)計的暗室里，當按下按鍵打開總電源時，系統(tǒng)自動給嵌入式主控系統(tǒng)供電，分別控制兩個特殊光電二極管發(fā)射兩種不同波長光，從相互垂直的方向照射，經(jīng)過光學信道后穿過透鏡，透鏡使得光束從點光源轉(zhuǎn)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(jīng)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(jīng)過一定的時間，待光透射試管穩(wěn)定后，主控系統(tǒng)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(chǎn)品。32位單片機性價比和可開發(fā)程度都比較高。在本系統(tǒng)中，微處理器主要負責信號的收集、濾波處理、LCD顯示、數(shù)據(jù)管理等功能，同時要進行實時顯示。因此，本設(shè)計選用的單片機需要有較高的處理速度。在統(tǒng)籌了內(nèi)部集成單元結(jié)構(gòu)與數(shù)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(nèi)核的微處理器。這款芯片得益于ARMCortex-M3內(nèi)核多項新型的增強結(jié)構(gòu)，擁有復位電路、低電壓檢測、調(diào)壓器、精確的RC振蕩器等，具有性能優(yōu)異，功耗超低等特點，能充分滿足本系統(tǒng)的應用需求。本方案同時采用了高精度的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及上述意法半導體公司推出的Cortex-M3內(nèi)核的芯片作為微處理器，具有檢測快速，結(jié)果穩(wěn)定、精確等特點，測量精度比市場上現(xiàn)有的測量儀高出了一到兩個數(shù)量級。

3.2硬件部分的工作過程

基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32最小片上系統(tǒng)，系統(tǒng)整體示意圖如圖4所示。主控系統(tǒng)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(zhuǎn)換為單片機能夠識別的電信號，微弱電信號經(jīng)一級放大以后，傳給濾波級，然后再經(jīng)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(jīng)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(shù)轉(zhuǎn)換后，將數(shù)字量傳給主控系統(tǒng)，系統(tǒng)處理后再進行液晶顯示。電源模塊為整個系統(tǒng)穩(wěn)定運行供應電源，減少整個系統(tǒng)的能量損耗。在產(chǎn)品使用過程中，為防止電池電量過低或過高時對系統(tǒng)造成毀壞或者導致測量結(jié)果不準等，本方案設(shè)計了電量監(jiān)測電路，保證電源持續(xù)高效地供應。為保證光源在恒定功率下工作，本方案設(shè)計了電流控制電路。同時本方案為該系統(tǒng)的測量部分模塊化，將智能語音報警殘留農(nóng)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(shè)計流程圖

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

4.2AD采集程序設(shè)計

精確采集農(nóng)殘檢測數(shù)據(jù)對于后面進一步的分析有著重要的意義，本系統(tǒng)采用AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它有2個通道，最快轉(zhuǎn)換速度為lus，可以同時對2個模擬量進行快速采集。由于農(nóng)殘檢測儀采集數(shù)據(jù)的頻率要求不是很高，使用AD7705足以滿足系統(tǒng)采樣需求，此外，采用AD7705還降低了開發(fā)成本，提高了采樣的穩(wěn)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(zhì)的吸光度經(jīng)光電轉(zhuǎn)換之后的電壓量和A/D轉(zhuǎn)換之后的數(shù)字量之間均是線性關(guān)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(tǒng)誤差，使得被檢測的物質(zhì)濃度與最終得到的數(shù)字量之間不是嚴格的線性關(guān)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(zhuǎn)換之后的數(shù)字量之間的對應關(guān)系，采用代數(shù)插值擬合算法，減小系統(tǒng)誤差，提高設(shè)備精度。

5.實驗探究

5.1波長的選擇

經(jīng)分析后，得到有機磷類農(nóng)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(xiàn)在600nm附近，本方案選取這兩種波長。

5.2數(shù)據(jù)分析

配制有一定濃度差的有機磷類農(nóng)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(tǒng)顯示結(jié)果如表1所示。設(shè)電壓U關(guān)于濃度c的回歸函數(shù)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(shù)據(jù)計算得：根據(jù)上面實驗數(shù)據(jù)，采用線性擬合的方式進行處理，農(nóng)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(yè)，房勝，李哲，張琛，光譜分析技術(shù)在水果品質(zhì)與安全檢測中的應用：中國農(nóng)業(yè)信息，2018，30(03)：105-112；王雅靜，對食品、農(nóng)藥的光譜技術(shù)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