基于ＴＣＳ２３０果蔬稻米农药残留检测系统的设计

张福军 黄爽 刘坤

摘要：针对如何实现果蔬稻米农药残留度的检测问题，设计了以颜色传感器ＴＣＳ２３０和单片机Ｃ８０５１Ｆ３１０为核心的检测系统。系统通过对ＴＣＳ２３０颜色识别的结果，对比颜色数据与农药残留程度数据库，查找出相应的农药残留度数据，液晶显示器ＨＴＧ２４０１６０Ｃ和语音装置给予用户提示。系统开机显示待机画面、当前时间，键盘选择“选项”和“检测”功能菜单，完成系统设置或农药残留检测。测试结果表明，利用该系统完成的果蔬稻米农药残留检测，结构简单、可靠，操作方便，易于掌握。

关键词：农药残留；颜色；检测；键盘选择

中图分类号：ＴＰ３６８．１文献标识码：Ａ文章编号：0439－８114（２０12）15－3349-03

Design of Pesticide Residue Detection System for Fruit，Vegetable and Rice Based

on TCS230

ＺＨＡＮＧ Ｆｕ－ｊｕｎ１，ＨＵＡＮＧ Ｓｈｕａｎｇ２，ＬＩＵ Ｋｕｎ１

（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ Ｂａyｉ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｄａｑｉｎｇ １６３３１９， Ｈｅｉｌｏｎgｊｉａｎｇ， Ｃｈｉｎａ；

２．Ｅｍｅｒｓｏｎ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏ．， Ｌｔｄ．， Ｈａｒｂｉｎ １５０００１，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｃｏｌｏｒ ｓｅｎｓｏｒｓ ＴＣＳ２３０ ａｎｄ Ｃ８０５１Ｆ３１０ ｓｉｎｇｌｅ－ｃｈｉｐ ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｅｓｔｉｃｉｄｅ ｒｅｓｉｄｕｅｓ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍ ｉｎ ｆｒｕｉｔ， ｖｅｇｅｔａｂｌｅ ａｎｄ rｉｃｅ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ＴＣＳ２３０ cｏｌｏｒ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｔｅｓｔ ｗｅｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｌｏｒ ｄａｔａ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｐｅｓｔｉｃｉｄｅ ｒｅｓｉｄｕｅ ｄａｔａｂａｓｅ， ａｎｄ ｔｈｅ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｐｅｓｔｉｃｉｄｅ ｒｅｓｉｄｕｅ ｄａｔａ was found． Ｔｈｅ ｒｅｍｉｎｄｅｒｓ ｗｅｒｅ ｇｉｖｅｎ ｂｙ ｔｈｅ ＬＣＤ ｍｏｎｉｔｏｒ ＨＴＧ２４０１６０Ｃ ａｎｄ ｖｏｉｃｅ ｄｅｖｉｃｅ． Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｂｏｏｔｓ ｓｈｏｗｓ ｓｔａｎｄｂｙ ｓｃｒｅｅｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｉｍｅ． Ｔｈｅ ｏｐｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｔｅｓｔｉｎｇ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｍｅｎｕ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｏｐｅｒａｔｅｄ ｂｙ ｋｅｙｂｏａｒｄ ｔｏ ｓｅｌｅｃｔ， and ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｓｙｓｔｅｍ ｓｅｔｔｉｎｇｓ ｏｒ ｐｅｓｔｉｃｉｄｅ ｒｅｓｉｄｕｅ． Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｅｓｔｉｃｉｄｅ ｒｅｓｉｄｕｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ ｂｙ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ， ａｎｄ ｉｔ ｉｓ ｓｉｍｐｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ， ｒｅｌｉａｂｌｅ， ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅａｓｙ ｔｏ ｍａｓｔｅｒ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｐｅｓｔｉｃｉｄｅ ｒｅｓｉｄｕｅｓ； ｃｏｌｏｒ； ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ； ｋｅｙｂｏａｒｄ ｓｅｌｅｃｔion

随着人们生活水平的不断提高，健康已逐渐成为人们关注的焦点。但是水果、蔬菜、稻米等食品上的农药残留严重威胁着人们的健康。因此设计出一款便携式农药残留检测仪，能在几分钟内鉴别出果蔬稻米中是否有残余农药非常重要。

检测仪以ＴＣＳ２３０颜色传感器和Ｃ８０５１Ｆ３1０单片机为核心，液晶显示器ＨＴＧ２４０１６０Ｃ显示农药的残留程度，若农药残留超标则给予语音报警提示，按键选择被测对象的种类和测试精度的设置，系统还可以存储检测数据，利用专用ＰＣ软件自动上传数据，ＰＣ管理和打印，方便高效［１］。

１ＴＣＳ２３０颜色传感器工作原理

ＴＣＳ２３０是美国ＴＡＯＳ公司推出的可编程彩色光／频率转换器，是世界上第一个有数字兼容接口的ＲＧＢ颜色传感器。该转换器输出数字信号，可以驱动标准的ＴＴＬ或ＣＭＯＳ电路，因此可直接与微处理器或其他逻辑电路相连接。ＴＣＳ２３０能够实现每个彩色信道１０位以上的转换精度，因而不再需要Ａ／Ｄ转换器，使电路变得更简单。图１是ＴＣＳ２３０的引脚封装和功能图［２］。

图１中，ＴＣＳ２３０采用８引脚的ＳＯＩＣ表面贴装式封装，在单一芯片上集成有６４个光电二极管。该传感器的典型输出频率范围为２ Ｈｚ～５００ ＫＨｚ，用户还可以通过两个可编程引脚来选择１００％、２０％或２％的输出比例因子，或电源关断模式。输出比例因子使传感器的输出能够适应不同的测量范围，提高了它的适应能力［３］。

Ｓ０、Ｓ１为输出比例因子或电源关断模式，Ｓ２、Ｓ３为滤波器类型的选择（表１）。OE为频率输出使能，也可以片选信号，低电平有效；ＯＵＴ为频率输出。

当入射光投到ＴＣＳ２３０上时，通过Ｓ２、Ｓ３的不同组合选择不同的滤波器，经过内部转换电路输出不同频率占空比为１／２的方波。不同频率和光强对应不同的频率，选择Ｓ０、Ｓ１的组合，选择不同的输出比例因子，对输出频率进行微调［４］。Ｃ８０５１Ｆ３１０对ＴＣＳ２３０输出的频率进行测试后得到一定的数据，再与基准数据进行比较，从而确定收到光的颜色比例与强度。

２果蔬农药残留检测的原理

蔬菜、水果和稻米在生长过程中使用的农药主要是有机磷和氨基甲酸酯类农药，这类农药能抑制昆虫中枢和周围神经系统中特殊的酶——乙酰胆碱酯酶的活性，造成神经传导介质乙酰胆碱的积累，影响正常的神经传导。系统正是应用了这个原理，从昆虫中提取乙酰胆碱酯酶与蔬菜、水果中的残留农药萃取液进行反应，农药残留量越多酶的抑制率越高，通过检测酶被抑制程度，来判断农药残留情况［５］。

利用检测系统中的胆碱酯酶（白色粉末）可催化靛酚乙酸酯（红色粉末）水解为乙酸与靛酚。由于有机磷和氨基甲酸酯类农药对胆碱酯酶的活性有抑制作用，使催化水解后的显色发生改变。因此采用颜色传感器ＴＣＳ２３０测量显色的不同，即可判断样品中有机磷或氨基甲酸酯类农药的残留情况。

３硬件电路设计

图２为果蔬农药残留检测系统的硬件电路原理图，主要包括单片机Ｃ８０５１Ｆ３１０、颜色传感器ＴＣＳ２３０、液晶显示器ＨＴＧ２４０１６０Ｃ、日历时钟芯片ＰＣＦ８５６３。Ｃ８０５１Ｆ系列单片机具有超低功耗、强大的处理能力、高性能模拟技术及丰富的片上外围模块、系统工作稳定等优点。Ｐ０．６控制频率输出；Ｐ０．１为频率是输出接收端，串行接收颜色数据；Ｐ０．２、Ｐ０．３控制滤波器选择；Ｐ０．４、Ｐ０．５控制输出比例因子，设置Ｃ８０５１Ｆ３１０的定时器为外部计数方式。通过读取计数器的数值确定ＴＣＳ２３０的输出频率，并根据Ｐ０．２、Ｐ０．３、Ｐ０．４、Ｐ０．５的控制数据就可以确定Ｒ、Ｇ、Ｂ的颜色及强度，结合Ｃ８０５１Ｆ３１０内部存储器存储的农药残留度与颜色的对比数据，查找出农药的残留程度数据，送液晶显示器显示［６］。

液晶显示器选用ＨＴＧ２４０１６０Ｃ，该液晶是ＦＳＴＮ图形点阵ＣＯＧ封装、带灰度显示、可以显示１０行每行１５个汉字（没有考虑设置字与字之间的距离）、外形尺寸为７７．４ ｍｍ×６１.0 ｍｍ×２．８ ｍｍ、视域尺寸为７３．４ ｍｍ×４８．０ ｍｍ、驱动芯片是ＳＴ７５２９、背光为ＬＥＤ、工作电压为３．３ Ｖ，可显示白底黑字和蓝底白字。

系统开机显示当前的日期与时间，即显示年、月、星期、日、时、分、秒，因此扩展了日历时钟芯片ＰＣＦ８５６３，该芯片只有８个引脚，采用Ｉ２Ｃ总线方式，所以硬件连接非常简单，ＰＣＦ８５６３的外围电路及与Ｃ８０５１Ｆ３１０的接口如图２所示［７］。

４系统软件设计

记录仪的软件系统由主程序和若干个子程序构成，主程序调用各个子程序完成预定的功能。程序编写时充分利用模块化的设计方法，把握主程序框架，由“点”成“线”最后组成“面”的设计思路，充分发挥软件优势，从而设计出快速、高效的软件系统。主程序流程图如图３。

系统开机后显示待机画面，并显示当前时间，“选项”与“检测”菜单共用户选择，“选项”菜单提供校准当前时间、查询检测记录、更改测试精度、更改被测农药物种类等功能；“检测”菜单提供对被测水果、蔬菜和稻米残留农药的检测，并通过“结束”按键结束当前被测对象的检测，系统重新显示待机画面。

若用户按“检测”菜单，系统完成对被测对象残留农药的检测，并把测试结果送至ＨＴＧ２４０１６０Ｃ液晶显示器，这一过程是在键盘处理子程序中完成的，程序流程图如图４。

软件设计中要求ＨＴＧ２４０１６０Ｃ显示１６×１６的点阵汉字格式、８×１６和１６×３２的两种点阵字符格式，还要显示待机图形、电池容量、日历时钟、坐标系。此外，还要设置汉字、字符、图形的显示范围、对显示器进行刷屏等操作。下面仅以显示１６×１６的点阵汉字为例进行介绍。

若正确显示汉字，首先要得到这个汉字的字模，可以采用字模提取软件，目前这种软件很多，在使用时要注意设置点阵的大小、取模方式、存取格式等［８］。本系统液晶显示器显示16×16的点阵汉字程序如下：

void disp16×16(uchar x,uchar y,uchar *hanzi16×16)

{

uchar data i,j,dt;

uchar h,t;

setxy(x,y,x+5,y+16);

for(i=0;i<2;i++)

{ for(j=0;j<8;j++)

{ for(t=0;t<2;t++)

{ dt=hanzi16x16[i*16+2*j+t];

for(h=0;h<8;h++)

{if(dt&0×80)

write_data(0×ff);

else

write_data(0×00);

dt<<=1;

}

}

write_data(0×00);

write_data(0×00);

}

}

}

５小结

果蔬稻米农药残留检测系统采用单片机Ｃ８０５１Ｆ３１０和颜色传感器ＴＣＳ２３０为核心，由于ＴＣＳ２３０可以有效地辨别出数十种不同的颜色，通过单片机计算出农药的残留度，检测结果通过液晶显示和语音提示。系统体积小、结构简单，响应速度快、成本低以及方便使用等优点，为便携式果蔬稻米农药检测仪的研制提供了有力依据。若进一步扩充颜色数据库并改进系统测量准确度，可辨别的颜色数将大大增加，这样系统可广泛应用于以颜色为特征的产品分拣和过程监控领域，其应用前景十分广阔。

参考文献：

［１］ 陈家胜． 便携式液体色差测试仪的设计［Ｊ］．传感技术学报，２００６， １９（１）：２５３－２５６．

［２］ 卢川英，于浩成，孙敬辉，等．基于ＴＣＳ２３０传感器的颜色检测系统［Ｊ］．吉林大学学报（信息科学版），２００８，２６（６）：６２１－２２６．

［３］ 张松灿，肖本贤．高分辨率颜色传感器ＴＣＳ２３０的原理和应用［Ｊ］．单片机与嵌入式系统应用，２００５（３）：４４－４６．

［４］ 李致金，吴文娟．基于ＭＳＰ４３０的微控制器的带ＵＳＢ通信的颜色识别系统［Ｊ］．电子技术应用，２００９（８）：５２－５５．

［５］ 陈冬兰，夏彤，王志波，等．几种常用蔬菜农药残留检测技术概述及比较［Ｊ］．现代农业科技，２０１０（９）：１７２－１７３，１７５．

［６］ 张涛，王金岗．单片机原理与接口技术［Ｍ］．北京：冶金工业出版社，２００７．

［７］ 杨效余，钱玮．实时时钟／日历芯片ＰＣＦ８５６３在智能火灾报警控制器中的应用［Ｊ］．自动化技术与应用，２００６，２５（２）：６４－６７．

［８］ 童长飞．Ｃ８０５１Ｆ系列单片机开发与Ｃ语言编程［Ｍ］． 北京：北京航空航天大学出版社，２００５．