基于光学与电子学的便携式农药残留快速检测装

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。

图1 光学部分原理性图

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。

图2 暗室模型图

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。

图3 光信号采集过程示意图

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ARM Cortex-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。

图4 系统架构框图

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。

文章来源：《微电子学与计算机》 网址: http://www.wdzxyjsjzz.cn/qikandaodu/2021/0306/502.html