农药残毒快速检测智能化系统


数据库,通过比对的方式智能地分析待测果蔬样品中的农药残毒种类及溶度,并将结果数据在 3.2 寸分辨率为 320*240 的高清晰度真彩屏上显示。本文主要介绍光电转化部分,即该微型化检测仪的软硬件实现,系统整体结构如图 1 所示。
2.1 前置电路模块
 
本系统采用日本进口的具有金属封装的 H9858 系
 
列光电倍增管,其内部包含高压电源供电电路的光电传感器模块。由于本系统具有高增益、大动态范围和高速响应等特点,可使光电转换的**度大大提高,响应时间大幅缩小。并且其功耗低、体积小,为本装置的便携式提供了可能。由于化学光的微弱性,因此在单片机采集前需要放大处理,系统采用高精度斩波稳零运算放大器 ICL7650 作为核心元件,采集的农药残毒电信号经过滤波放大后直接送到单片机 P1.0 口通过内置的 10 位 A/D 转换器进行转换,光电转换原理如图 3 所示。
在打开 ADC 电源控制位后,将 ADC_START 位置 1 即可启动 A/D 转换,待 ADC_FLAG 位被系统置 1 后,模数转换结束,此时读取 ADC_DATA 、 ADC_LOW2 寄存器的数值,并按以下公式计算即可得到输入电压:
 
((ADC_DATA >> 6)*256+((ADC_DATA << 2) |
 
ADC_LOW2))/1024*Vcc
 
式中:ADC_DATA 为 A/D 转换结果寄存器的高 8 位,ADC_LOW2 为 A/D 转换结果寄存器的低两位, Vcc 为单片机实际工作电压。
 
2.4 SD 卡存储模块
 
SD 卡具有大容量、高性价比、低功耗、非易失性、可插拔等许多优点,被广泛应用于各类便携设备的存储载体。它有 SD 和 SPI 两种工作模式,在 SD 模式下,主机使用 SD 总线方式访问卡,而通常单片机不具备 SD 总线,而且如果采用 I/O 口模拟 SD 总线,不但增

加软件开销,而且传输速度亦不理想,因此本系统主要采用 SPI 总线方式访问存储卡[2-4]
 
在 SPI 模式下,SD 卡支持单多块扇区的读写,其中单块数据读写流程图如图 5 所示,而多块数据读写过程类似,只是写入的命令不同而已。需要注意的是,在 SD 卡操作前需要先对其初始化,初始化流程图如图 6 所示。
2.5 LCD 触摸屏模块
 
本系统液晶显示模块选用 240×320 分辨率,32位色 3.2 寸 TFT 触摸屏,其驱动芯片为台湾奕力科技的 ILI9325 驱动器,支持 16 位并行传输模式。彩屏自带 4 线电阻采样端,由触摸屏芯片 ADS7843 驱动,而该触摸屏芯片亦采用 SPI 总线模式,因此可与 SD 卡共用部分 I/O 口,端口为触摸感应信号,程序中只需判断该引脚为低电平时触发中断以处理触摸事件即可[5-7]。系统采用 8050 三极管驱动彩屏的 5 个背光 LED 灯,使其受控于单片机一 I/O 口,并可通过软件实现一段时间内未触屏熄灭液晶所有 LED 灯,以降低功耗。另外,由于单片机 I/O 口有限,系统采用 74HC573 锁存器实现 8 路 I/O 口分 2 次完成 16 位并行输入。
 
3 软件设计
 
系统软件设计主要包括 DS1302 驱动程序、触摸屏驱动程序、SD 卡驱动程序以及主程序等[8]。其中主程序**先对 CPU、触摸屏、时钟芯片、SD 卡等进行初始化,之后就循环等待用户操作命令,并进入相应模块处理子程序,包括调零、校准、检测,以及历史数据查询、清除、系统设置等功能,具体如图 7 所示。
4 农药残毒检测的实验研究
 
被检测的有机磷农药为敌百虫,将农药配备成不
 
同浓度的敌百虫工作液(0mg/L,0.05mg/L,0.07mg/L,0.09mg/L,0.15mg/L,0.25mg/L,
采用的试剂为鲁米诺-过氧化氢体系。乙烯胆碱酯酶对鲁米诺-过氧化氢化学发光体系具有催化作用,经由敌百虫等有机磷农药抑制后会导致鲁米诺-过氧化氢-乙烯胆碱酯酶化学发光体系产生的光信号降低。基于上述原理可以对有机磷农药进行检测。
 
在实验开始前,由于环境温度、热辐射和其他因素的影响,光电倍增管上电后会产生暗电流,需要对其进行电压调零以消除暗电流的干扰。调零完成后,将配备好的不同浓度的敌百虫溶液 2mL 通过分离柱,取鲁米诺-过氧化氢体系 3mL 与分离后的敌百虫溶液混合,测出光强变化,其测量结果如表 1 所示。
表 1 样品浓度与光强(电压)    
                 
样品浓度(mg/L) 0 0.05 0.07 0.09 0.15 0.25 0.30 0.35
                 
电压(V) 1.19 1.19 1.18 1.04 0.84 0.50 0.29 0.06
                 
 
根据测得的数据,用**小二乘法进行处理,得到输入—输出的关系趋势图如图 8 所示。从图中可以看出,曲线在 0.07mg/L 处的电压信号有明显变化,故**低检出限为 0.07mg/L;曲线在 0.09mg/L-0.35mg/L 区
 
间内呈明显的线性关系。根据表 1 的数据可得拟合曲
 
线关系为 y = -3.4568x + 1.3307 。