農藥殘留光電快速檢測系統設計

農藥殘留光電快速檢測系統設計*

周雷，雷小靜，何志琴

(貴州大學電氣工程學院，貴州貴陽550025)

摘要：設計出一種基于STM32單片機為主控制器、光電傳感器采集信號的農殘檢測系統，系統設計基于有機磷類和氨基甲酸酯類農藥對膽堿酯酶的活性具有很強的抑制作用，且抑制率與農藥的濃度成正比，通過對抑制率的分析計算可以判斷出樣品中農藥殘留是否超標的原理。該系統能對采集到的數據進行分析，并將實驗結果通過人機界面顯示。

關鍵詞:STM32光電傳感器抑制率農藥殘留

中圖分類號：TM93文獻標識碼：B

基金項目：貴州大學大學生創新創業訓練項目，貴大(省)創字2014(031)。

作者簡介：周雷(1994-)，男，貴州人,貴州大學自動化專業2012級本科生。

收稿日期：2015-04-08

Design of pesticide residue detection system based on photoelectric sensor

ZHOU Lei ,LEI Xiaojing,HE Zhiqin

Abstract:This paper introduces the design of a kind of pesticide residue detection system with STM32 as the main controller, and photoelectric sensor as the signal collector. The system is based on the theory that torganophosphate and carbamate pesticides have significant inhibiting effect on cholinesterase activity, and that the inhibition rate is in direct proportion to the concentration of pesticides, so through calculation and analysis of the inhibition rate, excessive pesticide residues in the sample can be determined. The system can analyze the collected data, and display the result of the experiment on the man-machine interface.

Keywords:STM32; photoelectric sensor; inhibition rate; pesticide residues

0引言

目前，農藥殘留快速檢測技術應用較為成熟的是酶抑制法，這種方法靈敏度高，成本低，操作也較簡單，符合市場需求。本研究采用酶抑制法來檢測農產品中的有機磷類和氨基甲酸酯類農藥殘留，實現快速檢測的要求。

1系統總體設計

本系統利用光譜吸收法實現對農藥殘留的檢測，即利用光電轉換技術—將光信號轉換為電信號。有機磷類和氨基甲酸酯類農藥對膽堿酯酶的活性具有很強的抑制作用，而且其抑制率與農藥的濃度成正比[1]。通常情況下，酶催化神經傳導代謝物水解，其水解后的產物會與顯色劑發生顯色反應產生黃色物質。如果樣品中含有上述兩類農藥，當往樣品中添加底物(膽堿酯酶)和顯色劑(二硫代二硝基甲苯)，酶由于失去活性而不能催化底物水解，也就不易發生顯色反應。且農藥濃度越高，顯色反應越難進行，待測液透光度越高。利用這一原理采集樣品液的透光度隨時間的變化數據，用單片機對這些數據進行分析，計算出酶的抑制率[2]。酶的抑制率越大，說明樣品中殘留的農藥含量越高。

系統的總體結構框圖如圖1所示，系統總共包含了光電傳感器檢測通道、STM32單片機最小系統、串口通信模塊和人機界面。

圖1　系統總體框圖

1.1檢測通道的實現

1.1.1硅光電池采集光信號

硅光電池原理圖2所示，核心部分是一個大面積的PN結。當PN結受到光照時，產生外光電效應，將吸收光子能量并激發出自由電子，產生電流。硅光電池的短路電流與照射光強度有良好的線性關系，可以通過測量硅光電池的短路電流表示此時的光強度。

圖2　硅光電池原理圖

1.1.2電流-電壓轉換電路

圖3　電流-電壓轉換電路

由于硅光電池的輸出是弱電流信號，應接入電流-電壓放大器，將電流量進行數字量化轉化為電壓量。此電路采用運算放大器OP07作為核心元件，該芯片由于具有非常低的輸入失調電壓，輸入偏置電流低和開環增益高的特點。這種低失調、高開環增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設備和放大傳感器的微弱信號，且不需要調零，簡化了設計電路。電流-電壓轉換電路如圖3所示。

在理想狀態下OP07的同相輸入端和反相輸入端等電位，因此輸出為：

Vi=-i×R1

(1)

1.1.3濾波電路

圖4　濾波電路

濾波電路如圖4所示，為一個壓控電壓源型二階有源低通濾波電路，去除高頻信號的干擾。選用頻帶較寬的OP07作為運放芯片。

該電路是由兩節RC濾波電路和同相比例放大電路組成，其特點是輸入阻抗高，輸出阻抗低，可實現低通濾波和電壓放大兩個功能[3-5]。為便于濾波設計，選用R2=R3，C1=C2，R4=R5。由二階低通濾波電路的頻率特性可知，通過改變R2、R4、C1的參數，可調節通帶截止頻率，滿足設計要求。且低通濾波器的通帶電壓增益：

(2)

由式(1)、(2)知，輸出電壓為：

Vi=-2×i×R1

(3)

圖5　軟件流程圖

因模擬量為負電壓，所以只需利用一個反相器將負電壓轉化為正電壓接入A/D轉換器，進行數據采集。

1.2軟件部分

系統軟件設計的總體流程圖如圖5所示，系統在開始運行之后首先進行的是初始化的工作，初始化完成以后進行鍵盤掃描，若有鍵按下，完成對光電傳感器數據的讀取及數據處理，LCD顯示結果并打印；同時通過串口通信程序通過串口將數據上傳到上位機。

1.2.1抑制率的計算原理

農藥濃度越高，對酶的抑制程度越強，則顯色反應速率越慢，透光度變化越不明顯，即吸光度值越少[6]。所以計算抑制率之前得先求取每一種樣品的吸光度的變化A，吸光度的值與不同反應時間通過光電傳感器采集到的電壓值有關，如果將入射光對應采集到的電壓值為V0，透過樣品的出射光對應采集到的電壓值為V1，那吸光度A的計算公式為：

A=Lg(V0/V1)

(4)

分別測出樣品的吸光度隨時間的變化值，通過吸光度的變化值便可求出抑制率，如果用ΔA標表示一定時間內不含農藥的吸光度擬合直線的吸光度變化值，用k標表示此時擬合直線斜率，用ΔA待測液表示相同時間內待測液的吸光度擬合直線的吸光度變化值，用k待測液表示此時擬合直線的斜率，則抑制率R(%)的算法公式如下：

R(%)=[(ΔA標-ΔA待測液)ΔA標]×100%

=[(k標-k待測液)/k標]×100%

(5)

當待測液中抑制率≥50%時，表示待測液中上述兩類農藥含量超標。

1.2.2計算擬合直線斜率

(6)

其中，a是直線擬合斜率，即a=tanθ，θ在0°~90°之間。從0°開始對這一區間的θ角取值，并得到不同的d值，找出其中最小的d值對應的θ角，就得到擬合的直線斜率[7]。

2實驗及結果分析

樂果是一種常用的有機磷農藥，實驗對不同樂果濃度的樣品液進行了檢測。測得各樣品液不同時刻的電壓值之后，通過Excel計算出不同濃度樣品液對應的吸光度的變化并繪制出變化曲線及對應的斜率。如圖6所示，所含農藥濃度越高的溶液，其吸光度的變化越小，對應的斜率k也就小。

圖6　不同樂果濃度的樣品液吸光度變化

通過抑制率計算公式知含有樂果兩種樣品溶液的抑制率分別為32.21%、63.23%。通過查找相關資料，酶抑制法對樂果農藥檢出限為3 mg/kg，也即含該濃度溶液的抑制率為50%。樂果濃度2 mg/kg的樣品溶液計算結果為32.21%，未達到檢出限，沒有超標。樂果濃度為4 mg/kg的樣品溶液的抑制率

超過50%，為63.23%，故樣品溶液中農藥超標，與實際相符。

3結束語

本文概述了有機磷類和氨基甲酸酯類農藥殘留光電快速檢測系統的原理和總體設計，并對系統中光電傳感器部分的電流-電壓轉換電路、濾波電路進行了詳述。介紹了一種新的基于直線擬合的抑制率算法，通過這種算法可有效的計算出樣品液的抑制率，從而可以準確的檢測出農藥殘留物是否超標。

參考文獻

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[2]朱培逸,杜潔,等.一種便攜式農藥殘毒檢測系統的設計[J].控制工程，2014,21(1):138-147

[3]唐華光.電子技術基礎模擬部分(5版)[M].北京:高等教育出版社,2012：418-423

[4]王耀宇,等.非理想運放構建的低通濾波電路優化設計[J].電子設計工程，2013,5(21):167-170

[5]桂靜宜.二階有源低通濾波電路的設計與分析[J].電子科技報，2010,23(10):15-21

[6]蔣鼎國,徐保國.智能式農藥殘毒檢測系統研究[J].湖北農業科學，2011,50(16):3 403-3 407

[7]楊琢,李小京.基于穩健算法的直線擬合[J].自動化與儀表，2008,05期:8-10

雷小靜(1991-)，女，貴州人,貴州大學自動化專業2012級本科生。

通信作者： 何志琴(1971-)，女，碩士生導師,教授,現主要從事控制理論及應用等的研究。