基于嵌入式的食品中重金屬光電檢測系統(tǒng)設計

雷 鋼，孫建延，路銀川

(中州大學工程技術(shù)學院，鄭州 450044)

重金屬指密度大于5g/cm3的金屬，常見的有Hg、As、Ag、Ni、Pb、Cr、Co、Cu、Cd、Au 等 45 種，其中對人體危害最大的有 Hg、Pb、Cd、Cr、As 等。［1］這類重金屬在人體內(nèi)能和蛋白質(zhì)及各種酶發(fā)生強烈的相互作用，使它們失去活性;也可能在人體的某些器官中累積，如果超過人體所能耐受的限度，就會對人體造成危害。僅僅通過簡單蒸煮、浸泡或清洗不能去除食品中的重金屬。［2］因此，隨著我國工業(yè)經(jīng)濟的快速發(fā)展，提高食品中重金屬快速檢測技術(shù)水平具有重要意義。

1 傳統(tǒng)重金屬污染定量檢測方法

目前，國內(nèi)外對重金屬的檢測方法一般需要經(jīng)過長時間和復雜的樣品前處理過程，而且所使用的檢測儀器(如原子吸收分光光度計、原子熒光光度計、氣相色譜、高壓液相色譜等)雖然最低檢測濃度低、測試靈敏度高，但價格昂貴，操作、維護復雜，測試成本高。

傳統(tǒng)的重金屬定量檢測方法主要有原子吸收光譜法、紫外可見分光光度法、原子熒光光譜法、X射線熒光光譜法和電感耦合等離子體質(zhì)譜法五種。［3］

(1)原子吸收光譜法是依據(jù)自由基態(tài)原子對特征輻射光的共振吸收，通過測量輻射光的減弱程度，求出樣品中被測元素的含量。該法對分析食品中的Pb、Cd、Zn、Cu等重金屬元素有較高的靈敏度。

(2)原子熒光光譜法是特定頻率的輻射能激發(fā)待測元素的原子蒸汽并產(chǎn)生熒光，通過測量該熒光的發(fā)射強度進而得到對應元素含量。該法靈敏度高于原子吸收光譜法，線性范圍較寬。

(3)X射線熒光光譜法是利用待測樣品對X射線的吸收情況獲得對應元素含量。該法分析相對快速、樣品前處理簡單、譜線簡單、光譜干擾少。

(4)電感耦合等離子體質(zhì)譜法具有線性范圍廣、分析速度快、靈敏度高等優(yōu)點，可給出相關(guān)同位素的信息，并能進行同位素的示蹤研究。

(5)紫外可見分光光度法是在特定波長下比色檢測。顯色劑與待測重金屬發(fā)生絡合反應，產(chǎn)生有色分析液，通過分析液顏色深淺得到對應元素含量。本文光電比色檢測方法就是基于分光光度法原理實現(xiàn)的。

2 光電比色法重金屬檢測原理

比色法是以可見光作光源，以生成有色化合物的顯色反應為基礎，通過比較或測量有色物質(zhì)溶液顏色深度來確定待測組分含量的方法。比色分析對顯色反應的基本要求是:反應具有較高的靈敏度和選擇性;生成的有色化合物的組成恒定且較穩(wěn)定，它和顯色劑的顏色差別較大。選擇適當?shù)娘@色反應和控制好適宜的反應條件，是比色分析的關(guān)鍵。

光電比色法測量原理是基于朗伯—比爾定律。當一束平行單色光通過均勻的有色溶液時，溶液的吸光度與吸光溶液濃度及溶液厚度的乘積成正比。其檢測原理如下:樣品經(jīng)前期處理消化后，所有形態(tài)的重金屬(包括砷、鉛、鎘、鉻、汞、鎳、鐵、鋁、鋅、錳、銅等)都轉(zhuǎn)化為離子型態(tài)，在近中性條件下加入相關(guān)檢測試劑后與溶液中重金屬作用，在一定濃度范圍內(nèi)溶液顏色的深淺與重金屬的含量呈比例關(guān)系。在光電比色計上測量一系列標準溶液的吸光度，將吸光度對濃度作圖，繪制工作曲線，然后根據(jù)待測組分溶液的吸光度在工作曲線上查得其濃度或含量。光電比色計通常由光源(鎢燈)、濾光片、吸收池、接收器(光電池或光電管)、檢流計等五部分組成。光通路測量示意圖如圖1所示。與目視比色法相比，光電比色法消除了主觀誤差，提高了測量準確度，而且可以通過選擇濾光片和參比溶液來消除干擾，從而提高了選擇性。

圖1 光通路測量示意圖

3 基于光電傳感方法的食品中重金屬檢測系統(tǒng)設計

檢測控制系統(tǒng)硬件功能組成框圖如圖2所示。檢測系統(tǒng)通過鍵盤和漢字液晶顯示器與使用者交互，提示測量步驟，顯示測量結(jié)果;測量或分析的結(jié)果可以通過打印機接口在微型打印機上打印輸出;系統(tǒng)通過RS232串行接口與微機通信，把測量數(shù)據(jù)送入上位機，建立數(shù)據(jù)庫;通過日歷時鐘模塊(DS1302)記錄測量數(shù)據(jù)時間;通過數(shù)字溫度傳感器(DS18B20)提取當前溫度信息。

圖2 檢測控制系統(tǒng)硬件功能結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)要求存儲器模塊里要包括一定容量的RAM和相當容量的FLASH用來存放液晶顯示數(shù)據(jù)、打印數(shù)據(jù)以及測量過程中的測量數(shù)據(jù)、運算數(shù)據(jù)、結(jié)果數(shù)據(jù)等。FLASH中要存放整個測量及控制程序、參數(shù)數(shù)據(jù)、漢字庫、對數(shù)和反對數(shù)表等。

系統(tǒng)限于篇幅，只針對重金屬成分檢測關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行電路說明，其他如LCD顯示、鍵盤控制、時鐘模塊電路、RS232接口及打印機接口都是采用通用接口電路設計，可參考相關(guān)內(nèi)容進行移植即可。

3.1 系統(tǒng)光控制電路設計

重金屬成分測量關(guān)鍵環(huán)節(jié)是光控制電路設計，包括光源燈泡選擇、光路控制、光電傳感器的選型與采樣轉(zhuǎn)換電路設計等。

(1)光源選擇

為了提高測試精度，特別是滿足紫光測量所需光強，發(fā)光燈泡選擇使用6V6W的鹵素燈，并實際測定了這種鹵素燈在不同電壓下的內(nèi)阻與電流參數(shù)。

(2)光電檢測電路設計

光電檢測器采用美國TI公司生產(chǎn)的TSL系列光電傳感元件TSL230，該元件使用硅光電二極管來測量光強，可測性好，具有響應快(us級)、重復性和穩(wěn)定性高、不易老化和疲勞的優(yōu)點;元件是單芯片高分辨率光/頻轉(zhuǎn)換器件，無需其他外部器件;可與MCU直接連接，輸出的頻率信號可以直接被MCU采集，不需要信號放大和AD轉(zhuǎn)換系統(tǒng);靈敏度可編程控制，增益共有1倍、10倍和100倍3種級別，增益為100倍時的感光面積是增益為1倍時的100倍;輸出方波信號頻率可編程控制，進行1，2，10和100分頻。

系統(tǒng)使用MSP430內(nèi)部兩個16位定時器TA、TB，具有多路比較/捕獲通道。與TA相比，TB在捕獲比較模塊中增加了比較鎖存器。系統(tǒng)中使用TA定時器捕獲外來脈沖信號，TB用于定時。檢測器TSL230頻率信號輸出端與MSP430的TA相連，當TSL230接收到外部光強，并把光強轉(zhuǎn)換成頻率信號被TA端捕獲，在TB設定的時間內(nèi)，單片機對捕獲的信號進行計數(shù)，光強與計數(shù)值正比對應。分頻和增益調(diào)整通過MSP430的4根口線靈活控制。

(3)光強控制電路設計

在重金屬成分測量中，最為關(guān)鍵的是光強控制。不同的測量成分要求使用不同顏色的濾光片來獲得所需單色光，不同顏色的濾光片對光強的削弱作用相差很大。為了提高測量精度，使得在不同的濾光片下，都能得到必要的光強，并且光電傳感器的輸出又都能在線性范圍內(nèi)，就需要根據(jù)所采用濾光片的顏色來改變鹵素燈的光強，即要求鹵素燈電流的大小可以控制，且最大應能經(jīng)受1A的電流。

根據(jù)以上要求及考慮價格因素，確定采用MOSFET來控制光強，經(jīng)實驗調(diào)試和改進設計了一種簡單而又切實可行的光強控制電路，如圖3所示。

開始時，光強控制電路的燈泡電源直接采用VDD控制，如圖3中實線部分。實驗發(fā)現(xiàn)，當通過MCU調(diào)節(jié)數(shù)字電位計1改變VGS，把流過鹵素燈的電流定在某一強度之后，光電傳感器的輸出并不能穩(wěn)定在某個值的周圍，而是在一個不小的范圍內(nèi)漂動，往往是持續(xù)上升，繼而持續(xù)下降，周而復始。說明光強在微觀上是波動的，這種波動直接影響到測量精度，并且光強較強時，波動相對較小，但強光會導致燈泡長時間工作在大電流下，會引起熱副作用。

圖3 光強控制電路

在對燈泡工作電流、電壓以及光強的反復實驗的基礎上，經(jīng)研究與分析發(fā)現(xiàn):在一定范圍內(nèi)，光電傳感器的光電壓輸出與光源的輻射度呈線性關(guān)系，在光照面積不變的情況下，輻射度不是直接取決于燈泡的電流，而是與燈泡的發(fā)光功率有關(guān)。因此，設計中需要在一定的測量條件下使燈泡的發(fā)光功率基本不變。根據(jù)燈泡工作電流可調(diào)，并且在某一工作電流下燈泡的發(fā)光功率穩(wěn)定的原則，對原光強控制電路進行了修改，采用可調(diào)的DC-DC模塊代替直接VDD燈泡供電模式，如圖3虛線部分電路。

以MCU控制下的數(shù)字電位計和普通MOSFET構(gòu)成光強控制電路，用數(shù)字電位計2調(diào)整可調(diào)DCDC電源模塊的輸出電源電壓，其目的是控制加在燈泡和MOSFET上的總電壓;用數(shù)字電位計1調(diào)節(jié)MOSFET的柵源電壓VGS，可以為MOSFET選擇工作曲線，如圖4所示。

首先根據(jù)所用MOSFET的特性，MCU調(diào)節(jié)數(shù)字電位計1為MOSFET選擇一條合適的工作曲線，即該曲線在可變電阻區(qū)應有一定的陡度。然后根據(jù)不同的測量項目，MCU調(diào)整數(shù)字電位計2，從而調(diào)整加在燈泡和MOSFET上的電壓，使MOSFET的工作點落在該曲線上可變電阻區(qū)段的某一點，在這個區(qū)域里，MOSFET的漏極電流ID隨漏源電壓VDS的增加而線性上升。一般情況，紫光測量時，工作點位置較高，以便獲得較大的漏極電流ID，亦即燈泡電流;而紅光測量時，工作點位置較低，可獲得較小的ID。

圖4 MOSFET的特性曲線

一旦根據(jù)不同的測量項目選定了工作點，如何在燈泡電流相對穩(wěn)定的情況下，使燈泡的發(fā)光功率始終穩(wěn)定?顯然，人工難以控制這種隨機的變化，這里可以利用MOSFET本身的工作特性來補償ID和V燈的波動。設工作點選在圖4中的A點，它所對應的工作電流為ID，漏源電壓為VDS，則V燈等于電源電壓減去VDS。燈泡的消耗功率P燈=ID×V燈。在工作過程中，當燈泡散熱少于獲得的熱量時，燈泡溫度升高，燈泡電阻R燈隨溫度微增，燈泡上的電壓V燈隨之升高，導致MOSFET的VDS自行下降，即工作點沿曲線微微下移，MOSFET自然以新的、微降的ID工作，結(jié)果使P燈=ID×V燈基本保持不變;反之亦然。事實證明，這種自行微調(diào)的方法能在測量的過程中動態(tài)地穩(wěn)定光強，從而保證了光電傳感器輸出光電壓的穩(wěn)定，為重金屬成分的高精度測量奠定了基礎。

在這種方式下，我們經(jīng)過反復實驗，找到了在各種不同測量項目下最佳的工作參數(shù)，在大量數(shù)據(jù)的基礎上，最后確定各測量項目的具體測量方法與計算公式。實驗結(jié)果表明，在紫色光測量時，精度可達0.1%～0.4%，紅色光測量時精度可達0.2%～0.4%，綠色光測量時精度可達0.3% ～0.8%，超過國家標準。

3.2 嵌入式控制系統(tǒng)軟件設計

控制系統(tǒng)軟件采用C語言編寫，在MSP430 IAR Embedded Workbench for MSP430集成開發(fā)環(huán)境編譯調(diào)試。

儀器控制軟件具有測量樣品、設置測量條件、保存和統(tǒng)計測量數(shù)據(jù)、顯示和打印測量結(jié)果及PC機聯(lián)機等功能。儀器使用時，系統(tǒng)控制操作由LCD顯示的用戶界面菜單驅(qū)動，當與PC機聯(lián)機后，系統(tǒng)控制操作由PC機發(fā)來的命令驅(qū)動。系統(tǒng)整體控制流程如圖5所示。

設置系統(tǒng)參數(shù)包括串行口接口參數(shù)、日期參數(shù)等;設置測量條件模塊中選定測量項目，對所選的測量項目設定具體參數(shù);測量模塊完成參比測量、測量樣品和計算含量等任務。

4 實驗結(jié)果分析

采用一種聯(lián)合消化的方法，只消化一個樣品便可同時測定幾種重金屬元素(鉛、砷、鉻、鎘)的含量。由于汞在高溫下容易揮發(fā)，所以對汞進行單獨消化。

圖5 控制軟件的整體流程圖

采用IRIS儀器及本系統(tǒng)檢測儀器分別對西紅柿、洋蔥、茄子3種蔬菜中的重金屬砷、鉛、鉻、鎘、汞進行測定，結(jié)果見表1。國標方法依據(jù)是JY/T 015-1996感耦等離子體原子發(fā)射光譜法通則。

實驗表明，測量誤差符合國標要求，能夠達到檢測出國家所規(guī)定安全蔬菜的標準。并且和常規(guī)方法比較起來，具有快速、簡便等優(yōu)點，大大縮短了消化時間和整體測試時間。

5 結(jié)束語

本檢測系統(tǒng)設計采用了光源恒功率技術(shù)和光強自動調(diào)整技術(shù)，使光強按照不同波長自動調(diào)整到最佳狀態(tài)并穩(wěn)定不變，儀器的穩(wěn)定性、測量精度有了極大提高。使用本檢測儀器，可以較好地檢測出食品中常見的重金屬。當然，要解決食品中重金屬污染問題，需要建立一個多層次的監(jiān)控體系，首先要控制重金屬污染源，其次要切實執(zhí)行相關(guān)環(huán)境保護法規(guī)，再次要完善重金屬污染的監(jiān)測機構(gòu)，最后要努力提高食品中重金屬污染的監(jiān)測水平。［4］

表1 3種蔬菜中重金屬檢測結(jié)果

［1］程望斌，周勇.食品中常見的重金屬污染及檢測方法研究［J］.湖南理工學院學報:自然科學版，2012(9):69-72.

［2］王書言，檀尊社.淺談農(nóng)產(chǎn)品中重金屬檢測技術(shù)發(fā)展［J］.河南農(nóng)業(yè)，2009(4):39-40.

［3］駱新崢.食品中常見的重金屬污染及檢測技術(shù)研究進展［J］.質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督研究，2010(6):39-43，49.

［4］呂彩云.重金屬檢測方法研究綜述［J］.資源開發(fā)與市場，2008，24(10):887-890.