基于嵌入式技术的农药残留快速检测系统设计*

2015-02-28何志琴边鹏飞龚圣高

电子器件 2015年6期

刘庆，何志琴，边鹏飞，龚圣高

（贵州大学电气工程学院，贵阳 550025）

农药是农业生产的重要生产资料，对农业的发展，粮食的供给有不可替代的作用，然而由于过量及不当的使用，使得农药残留及其污染物引起的食品安全问题日益突出。这种情况下迫切需要研发一批适用于现场快速测定的检测仪器。2003年国家颁布了基于乙酰胆碱酯酶体系的农药残留快速检测方法的国家标准，国家标准的出台更加快了此类农药残毒检测仪标准化，批量化，商品化的进程［1-2］。

本文主要讲解了一种基于乙酰胆碱酯酶分析体系的新型农药残留检测仪［3］，设计以嵌入式系统STM-32为核心，使用微型化，低能耗，低成本的单色光源与检测装置，可使用220 V外接电源或干电池供电，体积小，重量轻，特别适用于现场的快速检测［4］。

1 检测原理

我国的农业生产中所使用的农药大多属于有机磷类或氨基甲酸酯类农药，在一定条件下此类农药对胆碱酯酶正常功能有抑制作用，其抑制率与农药的浓度成正相关性，这样通过抑制作用，计算出抑制率，则可以判断出样品中是否含有有机磷类或氨基甲酸酯类农药的存在。胆碱酯酶对以上两种农药的敏感度可达0.01 mg/kg～0.5 mg/kg［5］。这种酶动力学分析方法比一般仪器所采用的动物血清作为酶试剂，检测的专一性和灵敏度都有明显的提高。

在正常情况下有机磷类农药与氨基甲酸酯类农药对胆碱酯酶的活性存在一定的抑制作用，向样品中添加一定量的乙酰胆碱酯酶，当样品中含有以上两大类农药时，即会对酶的活性产生抑制作用。再向含有农药的样品中添加底物（碘化硫代乙酰胆碱）和显色剂（二硫代硝基甲酸）时，酶因丧失活性则不能彻底催化底物完成显色反应［6］。此时，通过发光管产生405 nm波长的蓝紫光照射比色皿时，能测出颜色变化造成的吸光度之差，再由吸光度值的变化计算出酶的抑制率，酶的抑制率越大，说明样品中残留农药的含量越高，反之亦然［7］。

在405 nm左右的单色光条件下测定吸光度A随时间t的变化，单色光通过样品时，使用探测器硅光电池进行接收，硅光电池属于一种PN结的单结光电池，它由半导体硅中渗入一定的微量杂质而制成。光照射到PN结上时，使PN结两端产生电动势，进而产生光伏效应，由于在较大的光照范围内，其短路电流与照度有良好的线性关系，故可以通过测量硅光电池的短路电流表示此时的光强度。同时经过电流转电压放大电路将电流量转换成电压量，吸光度定义：

U0为入射光照在硅光电池上的电压，U为出射光照在硅光电池上的电压强度。

由国标GB|T5009.199-2003推荐的分析方法是通过测量空白试液，以及待测试液2 min前后吸光度值的变化ΔAstd和ΔAsam来计算抑制率R，抑制率R的计算公式为：

其中ΔAstd表示空白样品的吸光度变化，ΔAsam表示待测样品吸光度变化，通过抑制率R可以判断出样品中是否含有高剂量的有机磷类或氨基甲酸酯类农药的存在，当待测样品的抑制率R≥50时，表示蔬菜中有高剂量的有机磷类或氨基甲酸酯类农药的存在，样品为阳性结果［8-9］。本仪器对采集到的吸光度值进行线性拟合，在拟合后的曲线上利用式（1）～式（2）计算得出吸光度值。对数据的线性拟合能加强测量数据的精准性。

2 农药残毒检测系统设计

2.1 系统整体设计

仪器由光学部分，核心处理器部分与外围辅助电路3大部分组成［10］。系统工作过程是将光源所产生的平行光经过比色皿而后进入到光电检测模块，光源采用由发光管产生的405 nm蓝紫光色平行光。由光电检测电路，将电压信号采入处理器，最后由处理器计算出农药残留度。整个反应过程被设计在一个嵌入式微处理器上完成，将计算机技术与测量控制技术结合到一起，使其成为智能仪表。图1所示为仪器的结构框图。

图1 仪器结构框图

光学部分包括LED单色平行光，比色池，光电检测及相应的辅助与控制电路，整个光学部分被密封在一个暗室内，可以有效的避免外界杂散光的影响。STM-32作为整个仪器的控制中心，外围电路有稳压电源，数据存储器［11］。输入输出部分包括320*240TFT触摸屏，键盘，串行口可直接上传到PC机。

2.2 光学部分

本系统采用酶动力学分析法，其中乙酰胆碱酶体系显色剂显色后吸收峰在405 nm左右，所以本系统采用405 nm蓝紫色平行光作为光源，相较于卤灯，氚灯等，热致发光光源相比，LED具有响应速度快，功率小等优点［12］。检测部分使用硅光电池作为光电转换部分，硅光电池的短路电流与照度成很好的线性关系，故可以通过测量硅光电池的短路电流表示光强，同时进行I/V转换，将电流转换成电压量，再将转化后的电压量送入嵌入式系统，进行后续处理。在本设计中采用的电流转电压放大器是TLC2254芯片，该芯片是德州仪器公司制造的四路运算放大器，是一款性能良好的电流转电压放大器，本器件具有满电源电压幅度输出性能，同时比现有的一般运放具有更好的输入失调电压和更低的工耗，图2为单路检测系统电路设计。

图2 单路检测系统电路设计

2.3 检测信号处理

采用乙酰胆碱酶体系显色剂处理方法［17-18］中的两点测量法［19］，每隔10 s测量一次光强值，一组试剂测量10次，用时2 min，将所测量的电压值采入嵌入式系统，将电压信号读取并由式（1）转换成吸光度值，再对数据进行线性回归拟合得到斜率K值，也就是在确定时间内的吸光度变化率。由式（2）计算出抑制率，通过线性拟合后的曲线，只要保持光源稳定，则测量精度会显著提高。图3为实际测量的一组实验数据。

图3 检测信号处理样图

横轴为时间轴，单位为s，纵轴为吸光度值。由实际的实验数据与其拟合后的曲线对比，并计算出了拟合后的曲线公式。线性拟合就是用解析表达式逼近离散数据，即离散数据的公式化。实践中，离散点组或数据往往是各种物理问题和统计问题有关量的多次观测值或实验值，它们是零散的，不仅不便于处理，而且通常不能确切和充分地体现出其固有的规律，这种缺陷正可由适当的解析表达式来弥补［14］。经过拟合后的曲线有更好的线性特性，避免了单个不良数据对整体数据的干扰，很好的提高了检测精度。

3 系统软件设计

软件的开发平台为Keil 4集成开发环境，它是基于Window的开发平台。依据检测原理中介绍的公式R=[(ΔAstd-ΔAsam)/ΔAstd]×100% ，其中 ΔAstd和 ΔAsam分别由Astd，Asam经过一定时间间隔利用线性拟合后得到的，而Astd，Asam分别为：

系统只要完成对入射光强Vi，以及标准样液出射光强Vo.std和待测溶液出射光强Vo.sam的测量，则可以进行直线拟合，并完成抑制率的计算。

基于嵌入式技术的农药残留检测仪在使用时涉及很多的运算和控制，如A/D转换、吸光度计算、浓度计算、显示和打印测量结果，这些功能的实现都需要软件程序的支持。控制软件采用C语言编写，C语言的主要特色是兼顾了高级语言和汇编语言的特点，简洁、丰富、可移植。系统软件设计主要包括A/D转换程序、触摸屏驱动程序、数据处理与传送程序以及主程序等。其中主程序流程图如下图4所示。

图4 主程序流程图

主程序首先对STM-32控制器、触摸屏等进行初始化，接下来循环等待用户操作命令，并进入相应模块处理子程序，包括A/D转换、数据处理与传送，显示与输出程序以及历史数据查询、系统设置等功能。检测电路得到的电压信号，经过A/D转换后，将数据传输至核心处理器进行计算处理。通过键盘选择功能，选择包括在TFT屏上显示农残抑制率，控制打印机打印对应通道的检测样品数据。其中采样与农残抑制率计算的程序流程图如图5所示。

图5 采样与抑制率计算的程序流程图

采样与抑制率的计算过程如下，先由STM-32系统初始化，随后通过键盘对检测通道进行选择，完成后设置采样间隔时间ΔT，最后采样开始并判断是否已完成10次采样，当已完成10次采样则利用式（4）计算出抑制率R，并将其送入存储器［15］。

4 仪器调试及结果分析

在实验平台搭建完毕后，需要通过实际样本测试来检测整个系统的实用性与可靠性，为了保证试验结果的可靠性，试验材料选用市场中比较成熟的检测试剂-广州天河绿洲生物化学研究中心的AN203型农药残留速测试剂。它是国家标准农残检测方法的专用配套试剂，酶的活性以及对农药的敏感性达到并超过了国家标准，具有稳定性好，灵敏度高，方便快捷使用等优点。实验反应原理：

由市场购买含有乐果农药的3种蔬菜作为被检测样品。由AN203型农药残留速测试剂配液说明将3个样品制成待测溶剂，并依照说明依次加入所需试剂，放入检测仪器中进行检测。由嵌入式系统记录反应过程中吸光度值的变化。

检测过程中将在检测分析室内发生化学发光反应，光电转换，并用高性能运算放大器对输入信号放大，计算出样品的农药残留量，并将分析结果显示在高清晰度真彩屏上或由打印机输出。

4.1 数据分析

将试剂检验过程中嵌入式系统记录的吸光度值制成吸光度随时间变化的二维坐标图。以下为三组待测样液与标液吸光度值的对比曲线，横轴为时间，单位为s，纵轴为吸光度。其中包括标准试液（Standard Solution）的吸光度曲线，待测试剂1（Sam⁃ple 1）的吸光度曲线，待测试剂2（Sample 2）的吸光度曲线，以及待测试剂3（Sample 3）的吸光度曲线。样机检测完毕后，使用气象色谱仪，再对样品进行检测，检测其浓度，以判断是否满足国标关于乐果农药残留的检出限。

图6为试剂1和标准试剂吸光度值的关系曲线。在计算抑制率R的过程中需要对所测量的点进行曲线拟合，而后由两点测量法对拟合后的曲线求抑制率R，这样可以减小单个不良数据对整体数据造成的影响。经计算后试剂1的抑制率为65.64%，已超标。由气象色谱仪测量可得试剂1的浓度为4 mg/kg同样超标。

图6 试剂1与样液吸光度值曲线图

图7为试剂2与标准试剂吸光度值的关系曲线。求出抑制率R。经计算后试剂2的抑制率为51.46%。由气象色谱仪测量可得试剂2的浓度为3 mg/kg，处于检出限。

图7 试剂2与样液吸光度值曲线图

图8为试剂3与标准试剂吸光度值的关系曲线。在计算抑制率R的过程中需要对所测量的点进行曲线拟合，由拟合后的曲线来求抑制率R。经计算后试剂3的抑制率为31.59%，没有超标。由气象色谱仪测量可得试剂3的浓度为2.5 mg/kg，在检出限以内。

由气象色谱仪可测得的待测样液浓度，与本设备所测量出乐果农药是否超标相符合，乐果农残国家检出限标准为 3 mg/kg［16］，测试的过程中，不仅记录下不同时间所对应的吸光度值，并将拟合曲线及其公式显示在图中。调试实验表明，本设计电路选取合理，检测性能有较高的精准性，通过数据拟合后，提高了数据计算精度。调试实验表明本产品检测一次只需要花费2 min～3 min，而目前常用的农药残留检测仪主要采用色谱仪与质谱仪，由于仪器庞大，样品制备时间过长，检测时间过程需要1 h～2 h，因此具有快速性特点。