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光学与电子学农药残留快速检测方案

2019/06/13 阅读:

本文讨论了一种基于光学中的朗伯—比尔定律和电子学中的单片机及外围电路的便携式农药残留快速检测装置方案。通过光学系统采集农药残留信息,以单片机为核心控制电路处理信息,提示是否超标并显示具体农药残留的浓度值。针对有机磷类农药的检测已试验成功。本文为光学与电子学结合检测农药残留的领域提供了可行性参考,将环保理念融入其中,帮助人们提高健康意识与环保意识,有效地推动电子信息化的建设,并对其以后的发展做出展望。

1.引言

在人们日常的生产生活中,给果蔬喷洒农药成为了保证产量与经济效益的一种不可或缺的途径。但近年来,随着果蔬生产结构的改变,大棚种植等技术的广泛使用,使得一些害虫也可在温湿度较为适宜的情况下快速繁殖,造成农作物减产,因此农药使用的剂量随之增加,人们不合理地使用农药情况加剧,果蔬中农药残留的水平已达到了一定的严重程度,同时也成为了全球的焦点问题。大量的使用农药导致生态环境中的农药含量超标,即使稍有少量的残留,不仅长期接触会对人体造成危害,而且一层层的生物累加性会使得农药最终对生物链顶端的人类造成伤害。而专业技术人员、场地条件并不密集的种植基地、批发市场、超市、海关等各个流通环节都迫切需要农药残留的快速检测,所以小型化、实用化、易操作化、商品化的便携式农药残留快速检测装置可适应大众的需求。由于农药种类繁杂,各种新型混合农药试剂的使用,使得农药残留检测的难度大为提升。本文在此提出一种针对含有有机磷类农药的试剂是否超标的检测提供可行性方案,本方案在实验阶段实验成功,样机试验成功。

2.光学部分

2.1原理性概述

光学部分的主要原理基于朗伯—比尔定律,当一束单色平行光垂直射入透明溶液介质时,溶液的吸光度A与溶液的浓度c和液层厚度d的乘积成正比,见式1-1,比例系数k即为吸光系数,与吸收物质的性质及入射光的波长λ有关。透射的光,获取多组数据,原理图如图1所示。为了避免外界环境中光线等因素影响检测的结果,本方案设计了一种隔绝外界环境的装置,排除了外界因素的影响,可以大幅地提高检测的准确性,暗室外观模型图如图2所示。

2.2光信号采集过程

本方案的检测模块工作在上述设计的暗室里,当按下按键打开总电源时,系统自动给嵌入式主控系统供电,分别控制两个特殊光电二极管发射两种不同波长光,从相互垂直的方向照射,经过光学信道后穿过透镜,透镜使得光束从点光源转换为平行光的同时滤波,再穿过接收部分的透镜进行滤波后,经过光学信道,光便可到达特殊的光电晶体管,如图3所示。但经过一定的时间,待光透射试管稳定后,主控系统开始控制特殊光电晶体管接收光强。

3.硬件部分

3.1硬件器件的选型

随着ARM系列的广泛应用,32位微控制器迅速成为市场主流产品。32位单片机性价比和可开发程度都比较高。在本系统中,微处理器主要负责信号的收集、滤波处理、LCD显示、数据管理等功能,同时要进行实时显示。因此,本设计选用的单片机需要有较高的处理速度。在统筹了内部集成单元结构与数量和微处理器的成本等因素后,通过多方比较后本方案采用盛群半导体公司推出的拥有32位内核的微处理器。这款芯片得益于ARMCortex-M3内核多项新型的增强结构,拥有复位电路、低电压检测、调压器、精确的RC振荡器等,具有性能优异,功耗超低等特点,能充分满足本系统的应用需求。本方案同时采用了高精度的16位模数转换器以及上述意法半导体公司推出的Cortex-M3内核的芯片作为微处理器,具有检测快速,结果稳定、精确等特点,测量精度比市场上现有的测量仪高出了一到两个数量级。

3.2硬件部分的工作过程

基于Cortex-M3内核的STM32最小片上系统,系统整体示意图如图4所示。主控系统控制特殊光电晶体管接收光强后,光信号通过光电传感器转换为单片机能够识别的电信号,微弱电信号经一级放大以后,传给滤波级,然后再经二次放大,为了使放大的信号达到要求,采取程控自动增益,使其最终放大的信号满足需求,经硬件滤波、软件滤波后传给ADC处理器。ADC处理单元与嵌入式主控单元之间建立通信连接,进行模数转换后,将数字量传给主控系统,系统处理后再进行液晶显示。电源模块为整个系统稳定运行供应电源,减少整个系统的能量损耗。在产品使用过程中,为防止电池电量过低或过高时对系统造成毁坏或者导致测量结果不准等,本方案设计了电量监测电路,保证电源持续高效地供应。为保证光源在恒定功率下工作,本方案设计了电流控制电路。同时本方案为该系统的测量部分模块化,将智能语音报警残留农药是否超标,同时显示界面有相应中文提示以及给定试管中溶液的浓度量。

4.软件部分

4.1软件设计流程图

软件设计过程中采用模块化的编程思想,整个系统可以划分为多个功能模块,在主程序中调用各个子程序从而实现系统复杂的功能。软件设计流程图如图5所示。

4.2AD采集程序设计

精确采集农残检测数据对于后面进一步的分析有着重要的意义,本系统采用AD7705模数转换器,它有2个通道,最快转换速度为lus,可以同时对2个模拟量进行快速采集。由于农残检测仪采集数据的频率要求不是很高,使用AD7705足以满足系统采样需求,此外,采用AD7705还降低了开发成本,提高了采样的稳定性。程序流程如图6所示。

4.3线性插值算法

在信号检测部分,被检测物质的吸光度经光电转换之后的电压量和A/D转换之后的数字量之间均是线性关系,但是由于光电传感器和A/D采集部分均存在一定的系统误差,使得被检测的物质浓度与最终得到的数字量之间不是严格的线性关系,因此为了得到物理量的真实值,本方案建立了被检测物理量与转换之后的数字量之间的对应关系,采用代数插值拟合算法,减小系统误差,提高设备精度。

5.实验探究

5.1波长的选择

经分析后,得到有机磷类农药的吸收光谱如图7所示,从所得曲线上可以直观得出,溶液的吸光度最高峰值在400nm,以及吸光度第二高峰值出现在600nm附近,本方案选取这两种波长。

5.2数据分析

配制有一定浓度差的有机磷类农药多组试剂: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,放置在无光且温度适宜的条件下,分别测出不同浓度对应的光强(电压)变化大小,系统显示结果如表1所示。设电压U关于浓度c的回归函数为,从上面完全不同的11次独立试验中,来确定的最大似然估计值为:代入数据计算得:根据上面实验数据,采用线性拟合的方式进行处理,农药浓度与波长分光光度法测定药物及生物样品中呋塞米:分析科学学报,2018,34(01):138-140;沈宇,王风云,郑纪业,房胜,李哲,张琛,光谱分析技术在水果品质与安全检测中的应用:中国农业信息,2018,30(03):105-112;王雅静,对食品、农药的光谱技术预测模型的研究:上海师范大学,2018。

作者:姬馨玉 姜道连 单位:天津理工大学

光学与电子学农药残留快速检测方案

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