智能式农药残毒检测系统设计

蒋鼎国 徐保国

摘要：针对农产品中的农药残毒状况，设计一种基于酶抑制法的运用先进检测技术的农产品农药残毒自动检测系统。该系统以单片机控制器为核心，硬件包括ＬＥＤ显示器、比色池、硅光电池和数据采集器等部分，利用ＵＳＢ接口将温度、吸光度以及抑制率等信号上传给上位ＰＣ机，在基于ＬａｂＶＩＥＷ的软件平台上对其进行分析处理。该系统可对多种样品同时检测，测量准确度高，精密度好，方便快速，适合于各种实际应用场合，具有广泛的应用前景。试验证明，该系统稳定性好，数据传输可靠性高，实现了农残数据的采集、存储和分析等功能。

关键词：农药残毒；酶抑制法；单片机；检测系统

中图分类号：Ｏ６５７；Ｓ４８１＋．８文献标识码：Ａ文章编号：0439－８114（２０11）16－3403-05

Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ the Automatic Ｐｅｓｔｉｃｉｄｅ Ｒｅｓｉｄｕｅ Ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ

ＪＩＡＮＧ Ｄｉｎｇ－ｇｕｏ１，Ｘ?譈 Ｂａｏ－ｇｕｏ２

（１．Ｏｆｆｉｃｅ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕａｉｙｉｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕａｉａｎ ２２３００３，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ；

２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Internet of Things Engineering， Ｊｉａｎｇｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｘｉ ２１４１２２，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａｎ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ the ａｄｖａｎｃｅｄ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ of ｅｎｚｙｍｅ ｉｎｈｉｂｉｔｉｏｎ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｐｅｓｔｉｃｉｄｅ ｒｅｓｉｄｕｅ ｉｎ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｓ． Ｕｓｉｎｇ ｓｉｎｇｌｅ－ｃｈｉｐ ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｒｅ， ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｔａｉｎed ｈａｒｄｗｉｒｅｓ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ＬＥＤ， ｃｕｖｅｔｔｅｓ ｔｏ ｓｔｏｒｅ ｔｈｅ ｌｉｑｕｉｄ， ｓｉｌｉｃｏｎ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｃｅｌｌｓ ａｎｄ ａ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ． Ｉｔ ｃould ａｃｑｕｉｒｅ ａｎｄ ｓｔｏｒｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｌｉｇｈｔ ａｂｓｏｒｂｅｎｃｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｈｉｂｉｔｉｏｎ ｒａｔｅ，ａｎｄ could ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅ ｗｉｔｈ ＰＣ ｕｓｉｎｇ ＵＳＢ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ． Ｔｈｅ ｖｉｒｔｕａｌ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｓｙｓｔｅｍ was ｂａｓｅｄ ｏｎ ＬａｂＶＩＥＷ． Ｓｅｖｅｒａｌ ｓａｍｐｌｅｓ ｃould ｂｅ ａｎａｌｙzｅｄ ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ． Ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ ａｎｄ ｆａｓｔ ｗｉｔｈ ａ ｇｏｏｄ ａｃｃｕｒａｃｙ ａｎｄ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ． Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ waｓ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｒｅｓｉｄｕｅｓ ｏｆ ｏｒｇａｎｏｐｈｏｓｐｈａｔｅ ａｎｄ ｃａｒｂａｎａｔｅ ｉｎｓｅｃｔｉｃｉｄｅｓ ｉｎ ｖａｒｉｏｕｓ ｓａｍｐｌｅｓ． Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔ ｉｎｄｉｃａｔｅd ｔｈａｔ ｉｔ waｓ ｒｅｌｉａｂｌｅ ａｎｄ ｓｕｉｔａｂｌｅ． Ｉｔ ｃould ａｃｑｕｉｒｅ，ｓｔｏｒｅ，ｐｅｒｆｏｒｍ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｄａｔａ ｏｆ ｐｅｓｔｉｃｉｄｅ ｒｅｓｉｄｕｅ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｐｅｓｔｉｃｉｄｅ ｒｅｓｉｄｕｅ； ｅｎｚｙｍｅ ｉｎｈｉｂｉｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ； ｓｉｎｇｌｅ－ｃｈｉｐ ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ； ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ system

由于我国在农药生产和使用上存在一定问题，加强对食品及农产品中农药残毒的检测显得非常必要。在现行的农产品生产加工及市场检测监督领域，尚缺乏一种现场对农药残毒检测简捷有效的快速检测仪器和设备。我国农业生产模式仍以个体农户经济为主，因此不容易实现集中检测和管理。而采用价格昂贵、成本高的大型检测仪器设备并不现实，无法进行普及。目前农产品中使用的有机磷、氨基甲酸酯类农药常作为高效、广谱的杀虫剂，被广泛地用于农业、家庭以及仓储等的杀虫，其对人体健康都会造成一定危害，因此研制开发一种廉价、高效的农药残毒快速检测微型智能分析仪能有效降低由农药残毒带来的安全风险。

目前利用有机磷农药毒理特性的酶抑制法应用较多，其特点是操作简便、检测快速，已经得到了一定程度的应用。依据该原理的农药残毒检测方法已有相关的研究［１－３］，但这类方法多关注化学方法的应用，涉及自动检测、数据采集和处理的自动化程度的研究较少。本研究以解决食品及农产品中农药残毒的快速检测问题，从检测原理及方法上展开了系统研究，设计了一种基于酶抑制法的应用先进检测技术的农产品农药残留自动检测系统。

１农药残毒检测系统总体设计思路

系统总体方案如图１所示。①单色光源：系统采用具有４１０ ｎｍ波长蓝紫色的发光二极管（ＬＥＤ）作为光源。②待测液：待测样品与试剂在样品池中进行水解显色反应，反应后的液体颜色深度与样品的农药残留相关。③传感器：设计选用ＴＳＬ２３０作为光频转换器件。其特点是感光性能稳定、反应迅速、对强光无记忆效应、对弱光也很灵敏。④单片机：采用单片机控制，完成信号的采集、处理、反馈及结果输出的软、硬件设计，结果采用液晶显示并可将检测数据通过微型打印机打印出来，同时通过通信系统实现与微型计算机的通信，实现数据共享［４－６］。⑤无线收发：采用ｎＲＦ２４Ｌ０１无线收发器，实现上、下位机之间的数据通信。⑥电平转换：下位机系统可以与ＰＣ机通过串行接口进行通信，使用电平转换芯片ＭＡＸ２３２，将单片机输出的ＴＴＬ电平转化为ＲＳ２３２电平。⑦ＰＣ机：基于ＰＣ机的ＬａｂＶＩＥＷ环境下［７，８］，调用信号处理函数，编写程序和设计虚拟仪器界面，形成检测农药残毒功能的应用程序，进行检测结果数据显示。

２系统硬件设计

２．１系统硬件总体结构

系统硬件部分是以单片机系统为核心，包括ＬＣＤ显示、总线接口ＲＳ２３２、无线收发模块nRF24L01、便携式电源、输入键盘、打印机等。单片机系统总体框架如图２所示。

２．２光源系统及传感器

系统采用４１０ｎｍ波长蓝紫色的高亮度ＬＥＤ作为光源。光频转换器ＴＳＬ２３０是美国ＴＩ公司的最新智能传感器，它可直接对可见光进行频率转换；其灵敏度、分频输出可由程序控制，该器件特别适合于频率计數器、脉冲累加器及高速定时器。采用ＴＳＬ２３０的前端检测电路如图３所示。

２．３单片机选型

设计采用的单片机是Ｐ８９Ｖ５１系列。Ｐ８９Ｖ５１ＲＢ２是一款８０Ｃ５１微控制器，包含１６ｋＢ Ｆｌａｓｈ和１ ０２４字节的数据ＲＡＭ。Ｐ８９Ｖ５１ＲＢ２的典型特性是它的Ｘ２方式选项。利用该特性，设计工程师可使应用程序以传统的８０Ｃ５１时钟频率（每个机器周期包含１２个时钟）或Ｘ２方式（每个机器周期包含６个时钟）的时钟频率运行，选择Ｘ２方式可在相同时钟频率下获得２倍的吞吐量。从该特性获益的另一种方法是将时钟频率减半而保持特性不变，这样可以极大地降低电磁干扰（ＥＭＩ）。Ｆｌａｓｈ程序存储器支持并行和串行在系统编程（ＩＳＰ）。并行编程方式提供了高速的分组编程（页编程）方式，可节省编程成本和上市时间。ＩＳＰ允许在软件控制下对成品中的器件进行重复编程。应用固件的产生／更新能力实现了ＩＳＰ的大范围应用。Ｐ８９Ｖ５１ＲＢ２也可采用在应用中编程（ＩＡＰ），允许随时对Ｆｌａｓｈ程序存储器重新配置，即使是应用程序正在运行也不例外。由Ｐ８９Ｖ５１组成的主控制电路如图４所示。

２．４单片机外围子系统设计

单片机外围子系统包括测量数据的存储，液晶显示电路、键盘阵列、打印机、ＰＣ機通信接口电路、便携式电源等。

２．４．１液晶显示设计采用杭州清达光电技术有限公司生产的具有１２８×６４分辨率的大屏幕液晶显示模块ＬＣＭ１２８６４，该模块提供有１２８×６４点阵，包括ＬＣＤ显示屏、ＬＣＤ驱动电路、连接件、ＬＣＤ控制模块、ＰＣＢ线路板、背光源和结构件等。驱动电压５Ｖ。写信号ＷＲ与读信号ＲＤ分别由单片机的Ｐ４．６口和Ｐ４．７口控制，７管脚是片选端，直接与单片机的Ｐ６．６口相连接，８管脚是命令数据端口，与Ｐ６．７口相连接，数据线１０－１７管脚与Ｐ０口相连接，ＳＬＡ与ＳＬＢ管脚是液晶背景灯的控制端子，其中ＳＬＡ管脚通过０．５Ω的电阻与５Ｖ电源连接，ＳＬＫ管脚由单片机Ｐ２．２端口通过一个达林顿管与之连接，当Ｐ２．２管脚给出低电平时，第一个三极管处于截止状态，而第二个三极管处于饱和导通，使得ＳＬＫ端接地，背景灯点亮，反之则背景灯熄灭。

２．４．２ＰＣ机通信接口设计设计实现了单片机与计算机的通信功能。主要应用单片机的Ｐ３．０口（串行数据接收端），Ｐ３．１口（串行数据发送端），以及电平转换专用芯片ＭＡＸ２３２、ＲＳ２３２通信接口来实现这一功能。使用电平转换芯片ＭＡＸ２３２将单片机输出的ＴＴＬ电平转化为ＰＣ机的ＲＳ２３２电平。采用５Ｖ电源，需要的外围元件少，且遵循ＥＩＡ／ＴＩＡ２３２通信标准，传输速率达２２０ｋｂｐｓ。电路如图５所示。

３系统软件设计

系统整体软件框架如图６所示，主程序是系统的监控程序，主要先对系统中的各部分进行初始化工作，然后监控系统按照键盘指示进行工作。因为系统研发的最终目的是完成一个用户能够直接进行操作使用的电子仪器，因此在编程思想上遵从电子仪器产品软件开发的一般思路进行。

３．１基于吸光光度分析方法的软件编程

酶抑制法是基于有机磷和氨基甲酸酯类农药能抑制某些特定的生物酶的活性的特点，借助于显色反应对农药残毒进行判定［９，１０］。以乙酰硫代胆碱作为水解反应的底物时，在其化学作用下乙酰硫代胆碱被水解成硫代胆碱和乙酸，硫代胆碱和二硫双对硝基苯甲酸产生显色反应，使反应液呈黄色，在分光光度计４１０ ｎｍ处有最大吸收峰，由此即可测得酶活性被抑制的程度［１１］。

抑制率的计算方法是首先测量相对透射光强Ｓ，然后计算透光度Ｔ：Ｔ＝ｌｇ（１／Ｓ）；接着计算吸光度Ａ：Ａ＝Ｔ０－Ｔ，式中Ｔ０和Ｔ分别为初始透光度和当前透光度；最后计算抑制率Ｙ：Ｙ＝［（Ｋ０－Ｋｔ）／Ｋ０］×１００％，式中Ｋｔ和Ｋ０分别是待测样品和空白样品在４１０ ｎｍ左右测定吸光度Ａ随时间ｔ的变化的曲线的斜率值。

系统只要完成对入射光强、标准溶液出射光强以及样品溶液出射光强的测量，就可以经过软件的直线拟合完成对抑制率的检测。如图７所示为采集存储的流程。

３．２分析系统软件设计

分析系统软件采用模块化设计思想，主要包括数据管理模块、数据采集模块、数据分析模块和报表打印模块等。由于模块众多，在一个面板上很难显示出所有内容，一般可以通过Ｔａｂ Ｃｏｎｔｒｏｌ控件进行分页显示，但如果前面板控件过多，程序必然繁乱，因此系统采用多面板方式设计虚拟分析系统软件。在主程序中通过ＶＩ引用方法节点，实现子面板与主程序相互独立运行。主程序结构如图８所示。

３．３数据采集模块设计

通过通用的驱动程序或接口，例如ＶＩＳＡ、ＩＶＩ、ＯＰＣ、ＡｃｔｉｖｅＸ和ＤＬＬ等，ＬａｂＶＩＥＷ几乎能与任何厂商甚至自制的硬件通信。数据采集模块采用ＶＩＳＡ，实现了ＬａｂＶＩＥＷ与硬件装置之间的通信。

ＶＩＳＡ即虚拟仪器软件架构是成立于１９９３年的ＶＸＩｐｌｕｇ＆ｐｌａｙ系统联盟最重要的成果之一，通过它用户能与大多数仪器总线连接，包括ＧＰＩＢ、ＵＳＢ、串口、ＰＸＩ、ＶＸＩ和以太网。ＶＩＳＡ函数在Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｉ／Ｏ→ＶＩＳＡ面板下，包括ＶＩＳＡ Ｒｅａｄ、ＶＩＳＡ Ｗｒｉｔｅ、ＶＩＳＡ Ｏｐｅｎ、ＶＩＳＡ Ｃｌｏｓｅ、ＶＩＳＡ Ｃｏｎｆｉｇｕｒｅ Ｓｅｒｉａｌ Ｐｏｒｔ和ＶＩＳＡ Ｓｅｔ Ｉ／Ｏ Ｂｕｆｆｅｒ Ｓｉｚｅ等。在程序框图设计时需要注意：必须设置与下位机一样的数据通信格式，即１位起始位、８位数据位、无奇偶校验位、１位停止位。为了将采集的数据保存在ＰＣ机中以便进一步分析，数据采集模块首先利用Ｏｐｅｎ／Ｃｒｅａｔｅ／Ｒｅｐｌａｃｅ Ｆｉｌｅ函数创建一个文本文件，如果这个文件存在就替换它，然后再利用Ｗｒｉｔｅ ｔｏ Ｔｅｘｔ Ｆｉｌｅ函数将数据保存为文本文件。图９为数据采集模块前面板，前面板显示的是由光频转换器测得的用频率表示的透射光强随时间变化的关系曲线图。

３．４数据分析模块设计

系统还要具备分析功能，如绘制某日某蔬菜批发市场各种农产品农药残毒曲线或某时间段某种农产品农药残毒曲线等。经过处理后的所有数据都能以．ｔｘｔ形式存在硬盘的指定目录中，用户可以进行备份或者用第三方软件进行再分析。图１０中显示的是２０１０年３月１~１５日共１５ ｄ被抽检的某市场的四季豆农药残毒曲线图。

４系统测试

４．１系统光源稳定性误差分析

设计选用ＴＳＬ２３０作为光频转换器件，实际光源的稳定性决定了其光强会有微弱的变化，进行８次光源光强测量后得到的频率值如表１所示。

在温度条件方面，乙酰胆碱酯酶的反应速度和环境温度有密切关系，当环境温度低于３７ ℃时，酶的反应速度下降，则加入乙酰胆碱酯酶液和显色剂溶液后进行的测量容易导致变化率低于正常值。时间条件方面，如果乙酰胆碱酯酶放置时间过长，加上温度的变化，可能导致其活性降低，仍会引起变化率低于正常值。

４．２农药浓度与抑制率关系试验结果

试验研究了甲胺磷、氧乐果、敌敌畏、敌百虫、克百威、灭多威等不同种类不同浓度的农药对酶抑制率的影响关系。将标准浓度的甲胺磷农药加去离子水稀释成不同浓度的溶液，用高精度移液器取样２ ｍＬ，果蔬样品２ ｇ进行测试，根据农业行业标准ＮＹ／Ｔ４４８—２００１《蔬菜上有机磷和氨基甲酸酯类农药残毒快速检测方法》进行酶抑制率检测，试验数据见表２。

结果表明抑制率与农药残毒浓度呈正相关，抑制率随着农药残毒浓度的升高而升高。当抑制率≤４０％时，农药残毒较低，可判定为合格产品；当抑制率在４０％和７０％之间时，为可疑农残超标产品，需要复查；当抑制率≥７０％时，农药残毒浓度较高，可判定为农药残毒超标产品。实际应用时对农药残毒超标产品多次重复检测的重现性应在８０％以上。

５结论

通过采集系统采集到农药残毒信息，经过单片机系统进行信息处理与控制运算，输出测量结果数据，并在显示设备上显示，进行多次模拟试验成功后，在随后进行的实地现场试验中也得到了成功的验证，达到了预期的快速检测效果。软件方面成功地实现了信息的检测、信息的处理与控制运算、数据读取及ＬＣＤ显示、ＬａｂＶＩＥＷ用户界面设计等功能。课题开发的便携式农药残毒检测仪器具有体积小、易携带、功能多、精度高以及易操作等优点。设计创新点在于，将自动检测技术、信息处理和控制技术以及现代虚拟仪器设计方法应用于农药残毒检测中，取得了比较理想的效果。

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