基于嵌入式技術的農藥殘留快速檢測系統設計*

劉 慶，何志琴，邊鵬飛，龔圣高

（貴州大學電氣工程學院，貴陽 550025）

農藥是農業生產的重要生產資料，對農業的發展，糧食的供給有不可替代的作用，然而由于過量及不當的使用，使得農藥殘留及其污染物引起的食品安全問題日益突出。這種情況下迫切需要研發一批適用于現場快速測定的檢測儀器。2003年國家頒布了基于乙酰膽堿酯酶體系的農藥殘留快速檢測方法的國家標準，國家標準的出臺更加快了此類農藥殘毒檢測儀標準化，批量化，商品化的進程［1-2］。

本文主要講解了一種基于乙酰膽堿酯酶分析體系的新型農藥殘留檢測儀［3］，設計以嵌入式系統STM-32為核心，使用微型化，低能耗，低成本的單色光源與檢測裝置，可使用220 V外接電源或干電池供電，體積小，重量輕，特別適用于現場的快速檢測［4］。

1 檢測原理

我國的農業生產中所使用的農藥大多屬于有機磷類或氨基甲酸酯類農藥，在一定條件下此類農藥對膽堿酯酶正常功能有抑制作用，其抑制率與農藥的濃度成正相關性，這樣通過抑制作用，計算出抑制率，則可以判斷出樣品中是否含有有機磷類或氨基甲酸酯類農藥的存在。膽堿酯酶對以上兩種農藥的敏感度可達0.01 mg/kg～0.5 mg/kg［5］。這種酶動力學分析方法比一般儀器所采用的動物血清作為酶試劑，檢測的專一性和靈敏度都有明顯的提高。

在正常情況下有機磷類農藥與氨基甲酸酯類農藥對膽堿酯酶的活性存在一定的抑制作用，向樣品中添加一定量的乙酰膽堿酯酶，當樣品中含有以上兩大類農藥時，即會對酶的活性產生抑制作用。再向含有農藥的樣品中添加底物（碘化硫代乙酰膽堿）和顯色劑（二硫代硝基甲酸）時，酶因喪失活性則不能徹底催化底物完成顯色反應［6］。此時，通過發光管產生405 nm波長的藍紫光照射比色皿時，能測出顏色變化造成的吸光度之差，再由吸光度值的變化計算出酶的抑制率，酶的抑制率越大，說明樣品中殘留農藥的含量越高，反之亦然［7］。

在405 nm左右的單色光條件下測定吸光度A隨時間t的變化，單色光通過樣品時，使用探測器硅光電池進行接收，硅光電池屬于一種PN結的單結光電池，它由半導體硅中滲入一定的微量雜質而制成。光照射到PN結上時，使PN結兩端產生電動勢，進而產生光伏效應，由于在較大的光照范圍內，其短路電流與照度有良好的線性關系，故可以通過測量硅光電池的短路電流表示此時的光強度。同時經過電流轉電壓放大電路將電流量轉換成電壓量，吸光度定義：

U0為入射光照在硅光電池上的電壓，U為出射光照在硅光電池上的電壓強度。

由國標GB|T5009.199-2003推薦的分析方法是通過測量空白試液，以及待測試液2 min前后吸光度值的變化ΔAstd和ΔAsam來計算抑制率R，抑制率R的計算公式為：

其中ΔAstd表示空白樣品的吸光度變化，ΔAsam表示待測樣品吸光度變化，通過抑制率R可以判斷出樣品中是否含有高劑量的有機磷類或氨基甲酸酯類農藥的存在，當待測樣品的抑制率R≥50時，表示蔬菜中有高劑量的有機磷類或氨基甲酸酯類農藥的存在，樣品為陽性結果［8-9］。本儀器對采集到的吸光度值進行線性擬合，在擬合后的曲線上利用式（1）～式（2）計算得出吸光度值。對數據的線性擬合能加強測量數據的精準性。

2 農藥殘毒檢測系統設計

2.1 系統整體設計

儀器由光學部分，核心處理器部分與外圍輔助電路3大部分組成［10］。系統工作過程是將光源所產生的平行光經過比色皿而后進入到光電檢測模塊，光源采用由發光管產生的405 nm藍紫光色平行光。由光電檢測電路，將電壓信號采入處理器，最后由處理器計算出農藥殘留度。整個反應過程被設計在一個嵌入式微處理器上完成，將計算機技術與測量控制技術結合到一起，使其成為智能儀表。圖1所示為儀器的結構框圖。

圖1 儀器結構框圖

光學部分包括LED單色平行光，比色池，光電檢測及相應的輔助與控制電路，整個光學部分被密封在一個暗室內，可以有效的避免外界雜散光的影響。STM-32作為整個儀器的控制中心，外圍電路有穩壓電源，數據存儲器［11］。輸入輸出部分包括320*240TFT觸摸屏，鍵盤，串行口可直接上傳到PC機。

2.2 光學部分

本系統采用酶動力學分析法，其中乙酰膽堿酶體系顯色劑顯色后吸收峰在405 nm左右，所以本系統采用405 nm藍紫色平行光作為光源，相較于鹵燈，氚燈等，熱致發光光源相比，LED具有響應速度快，功率小等優點［12］。檢測部分使用硅光電池作為光電轉換部分，硅光電池的短路電流與照度成很好的線性關系，故可以通過測量硅光電池的短路電流表示光強，同時進行I/V轉換，將電流轉換成電壓量，再將轉化后的電壓量送入嵌入式系統，進行后續處理。在本設計中采用的電流轉電壓放大器是TLC2254芯片，該芯片是德州儀器公司制造的四路運算放大器，是一款性能良好的電流轉電壓放大器，本器件具有滿電源電壓幅度輸出性能，同時比現有的一般運放具有更好的輸入失調電壓和更低的工耗，圖2為單路檢測系統電路設計。

圖2 單路檢測系統電路設計

2.3 檢測信號處理

采用乙酰膽堿酶體系顯色劑處理方法［17-18］中的兩點測量法［19］，每隔10 s測量一次光強值，一組試劑測量10次，用時2 min，將所測量的電壓值采入嵌入式系統，將電壓信號讀取并由式（1）轉換成吸光度值，再對數據進行線性回歸擬合得到斜率K值，也就是在確定時間內的吸光度變化率。由式（2）計算出抑制率，通過線性擬合后的曲線，只要保持光源穩定，則測量精度會顯著提高。圖3為實際測量的一組實驗數據。

圖3 檢測信號處理樣圖

橫軸為時間軸，單位為s，縱軸為吸光度值。由實際的實驗數據與其擬合后的曲線對比，并計算出了擬合后的曲線公式。線性擬合就是用解析表達式逼近離散數據，即離散數據的公式化。實踐中，離散點組或數據往往是各種物理問題和統計問題有關量的多次觀測值或實驗值，它們是零散的，不僅不便于處理，而且通常不能確切和充分地體現出其固有的規律，這種缺陷正可由適當的解析表達式來彌補［14］。經過擬合后的曲線有更好的線性特性，避免了單個不良數據對整體數據的干擾，很好的提高了檢測精度。

3 系統軟件設計

軟件的開發平臺為Keil 4集成開發環境，它是基于Window的開發平臺。依據檢測原理中介紹的公式R=[(ΔAstd-ΔAsam)/ΔAstd]×100% ，其中 ΔAstd和 ΔAsam分別由Astd，Asam經過一定時間間隔利用線性擬合后得到的，而Astd，Asam分別為：

系統只要完成對入射光強Vi，以及標準樣液出射光強Vo.std和待測溶液出射光強Vo.sam的測量，則可以進行直線擬合，并完成抑制率的計算。

基于嵌入式技術的農藥殘留檢測儀在使用時涉及很多的運算和控制，如A/D轉換、吸光度計算、濃度計算、顯示和打印測量結果，這些功能的實現都需要軟件程序的支持。控制軟件采用C語言編寫，C語言的主要特色是兼顧了高級語言和匯編語言的特點，簡潔、豐富、可移植。系統軟件設計主要包括A/D轉換程序、觸摸屏驅動程序、數據處理與傳送程序以及主程序等。其中主程序流程圖如下圖4所示。

圖4 主程序流程圖

主程序首先對STM-32控制器、觸摸屏等進行初始化，接下來循環等待用戶操作命令，并進入相應模塊處理子程序，包括A/D轉換、數據處理與傳送，顯示與輸出程序以及歷史數據查詢、系統設置等功能。檢測電路得到的電壓信號，經過A/D轉換后，將數據傳輸至核心處理器進行計算處理。通過鍵盤選擇功能，選擇包括在TFT屏上顯示農殘抑制率，控制打印機打印對應通道的檢測樣品數據。其中采樣與農殘抑制率計算的程序流程圖如圖5所示。

圖5 采樣與抑制率計算的程序流程圖

采樣與抑制率的計算過程如下，先由STM-32系統初始化，隨后通過鍵盤對檢測通道進行選擇，完成后設置采樣間隔時間ΔT，最后采樣開始并判斷是否已完成10次采樣，當已完成10次采樣則利用式（4）計算出抑制率R，并將其送入存儲器［15］。

4 儀器調試及結果分析

在實驗平臺搭建完畢后，需要通過實際樣本測試來檢測整個系統的實用性與可靠性，為了保證試驗結果的可靠性，試驗材料選用市場中比較成熟的檢測試劑-廣州天河綠洲生物化學研究中心的AN203型農藥殘留速測試劑。它是國家標準農殘檢測方法的專用配套試劑，酶的活性以及對農藥的敏感性達到并超過了國家標準，具有穩定性好，靈敏度高，方便快捷使用等優點。實驗反應原理：

由市場購買含有樂果農藥的3種蔬菜作為被檢測樣品。由AN203型農藥殘留速測試劑配液說明將3個樣品制成待測溶劑，并依照說明依次加入所需試劑，放入檢測儀器中進行檢測。由嵌入式系統記錄反應過程中吸光度值的變化。

檢測過程中將在檢測分析室內發生化學發光反應，光電轉換，并用高性能運算放大器對輸入信號放大，計算出樣品的農藥殘留量，并將分析結果顯示在高清晰度真彩屏上或由打印機輸出。

4.1 數據分析

將試劑檢驗過程中嵌入式系統記錄的吸光度值制成吸光度隨時間變化的二維坐標圖。以下為三組待測樣液與標液吸光度值的對比曲線，橫軸為時間，單位為s，縱軸為吸光度。其中包括標準試液（Standard Solution）的吸光度曲線，待測試劑1（Sam?ple 1）的吸光度曲線，待測試劑2（Sample 2）的吸光度曲線，以及待測試劑3（Sample 3）的吸光度曲線。樣機檢測完畢后，使用氣象色譜儀，再對樣品進行檢測，檢測其濃度，以判斷是否滿足國標關于樂果農藥殘留的檢出限。

圖6為試劑1和標準試劑吸光度值的關系曲線。在計算抑制率R的過程中需要對所測量的點進行曲線擬合，而后由兩點測量法對擬合后的曲線求抑制率R，這樣可以減小單個不良數據對整體數據造成的影響。經計算后試劑1的抑制率為65.64%，已超標。由氣象色譜儀測量可得試劑1的濃度為4 mg/kg同樣超標。

圖6 試劑1與樣液吸光度值曲線圖

圖7為試劑2與標準試劑吸光度值的關系曲線。求出抑制率R。經計算后試劑2的抑制率為51.46%。由氣象色譜儀測量可得試劑2的濃度為3 mg/kg，處于檢出限。

圖7 試劑2與樣液吸光度值曲線圖

圖8為試劑3與標準試劑吸光度值的關系曲線。在計算抑制率R的過程中需要對所測量的點進行曲線擬合，由擬合后的曲線來求抑制率R。經計算后試劑3的抑制率為31.59%，沒有超標。由氣象色譜儀測量可得試劑3的濃度為2.5 mg/kg，在檢出限以內。

由氣象色譜儀可測得的待測樣液濃度，與本設備所測量出樂果農藥是否超標相符合，樂果農殘國家檢出限標準為 3 mg/kg［16］，測試的過程中，不僅記錄下不同時間所對應的吸光度值，并將擬合曲線及其公式顯示在圖中。調試實驗表明，本設計電路選取合理，檢測性能有較高的精準性，通過數據擬合后，提高了數據計算精度。調試實驗表明本產品檢測一次只需要花費2 min～3 min，而目前常用的農藥殘留檢測儀主要采用色譜儀與質譜儀，由于儀器龐大，樣品制備時間過長，檢測時間過程需要1 h～2 h，因此具有快速性特點。

圖8 試劑3與樣液吸光度值曲線圖

5 誤差分析

實驗誤差是實驗測量值（包括直接和間接測量值）與真值（客觀存在的準確值）之差，實驗誤差來源于多個方面，其中包含了系統誤差和隨機誤差。本實驗儀器誤差主要來源于三個方面，其中包括系統性誤差光源誤差，使用實驗器材誤差，以及溫度這一隨機誤差。

5.1 系統光源誤差

任何光源都不會是絕對穩定的，其光強都會有微小變化，另外本系統中使用了放大電路，使得微弱的電流變化也會造成較大的電壓變化。使得采入嵌入式系統中的數據產生一定的偏差。下面數據是一個光源反復測量其光強度而觀察到的光源不穩定現象。

表1 光源強度的不穩定

5.2 室溫

室內溫度低于37℃，導致酶的反應速度隨之減慢，加入酶和相關試劑后容易導致變化率變低，而引起抑制率的偏差。

5.3 儀器誤差

在實驗操作配制溶劑的過程中，因實驗儀器的使用也會造成一定的誤差。裝入比色皿的不同溶液會因實驗器材的不標準操作造成誤差，測得的吸光度值大小也會產生差別。另外在放入比色皿的時間上也會有差別，造成檢測反應初始時間點也有差別，而引起吸光度變化率的差別。

6 結論

本文介紹了一種農藥殘毒檢測系統的設計方法，它由光電采集系統采集到農藥殘毒顯色反應的信息，再由嵌入式系統進行信息處理與運算，輸出結果信號并在顯示設備上顯示，通過多次試驗后，通過對實驗數據的分析，顯示該設計思路達到了預期的效果，并且該便攜式農藥殘毒檢測儀器具有體積小，便于攜帶以及操作簡潔等優點。

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劉 慶（1989-），男，漢族，貴州大學電氣工程學院12級研究生，主要研究方向為計算機控制技術，544137493@qq.com；

邊鵬飛（1990-），男，漢族，貴州大學電氣工程學院13級研究生，主要研究方向為計算機控制技術。

何志琴（1971-），女，漢族，貴州大學電氣工程學院，教授，碩士生導師，主要研究方向為計算機控制技術；