一种便携式农药残毒检测系统的设计

王东艳　童伟　林紫瑶　段超毅

摘  要：随着经济增长，人民生活水平提高，社会各界对食品安全的关注程度也有所提升，但现有农药残毒检测设备很难满足当前形势下的检测需求。于是文章首先对农药残毒检测技术的应用现状及发展趋势进行阐述，拟开发新型便携式农药残毒检测系统和仪器，明确了检测原理和软件、硬件组成，给未来阶段检测设备的研制提供参考。

关键词：便携;农药残毒检测;系统设计

中图分类号：R155.5        文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）08-0023-02

Abstract： With the economic growth and the improvement of people's living standards， the attention of all walks of life to food safety has also increased， but the existing pesticide residual testing equipment is difficult to meet the current situation of testing needs. In this paper， the application status and development trend of pesticide residue detection technology are described firstly， and a new portable pesticide residue detection system and instrument are proposed. The detection principle， software and hardware composition are defined， which provides reference for the development of detection equipment in the future.

Keywords： portability; pesticide residue detection; system design

1 农药残毒检测技术的应用现状及发展趋势

据相关统计显示，早在2010年，我国的农药年使用量就已突破了80万吨，居世界首位。以降低农药残留对人体的危害为目标，除了减少农药使用量外，同时还要加强食品中农药残留的检测能力及检测力度。常规的检测技術、检测设备都只能实验室内实现，从获取样品，再到送至实验室，由专业的检测人员应用检测仪器进行化验，这一流程时间较长、效率较低、空间跨度大，难以应对当前农药使用形势，无法充分保障食品安全。现阶段，市场上主要售卖及应用的快速检测设备，大多采用酶促反应及免疫化学方法的原理，但这些方法使用起来反应体系较为复杂，容易受到客观因素及主观因素影响，如外界温度、反应酶的活性、反应介质等，导致农药残毒检测的分析信号的可靠性不高[1]。

在当前农药残毒检测的整个环节中，样品的预处理工作应遵循降低人为因素干扰的原则，尽可能降低外界因素导致的检测误差，同时要提升检测设备的精度，最大程度上降低检测系统的结果误差，尽可能避免样品在转移过程中出现的损失，提升回收率，同时努力推动处理技术向自动化、无害化、高效化、微量化及高效益方向发展。未来时期内农药残毒检测样品的预处理工作应向快速、环保、智能、自动化及精准方向发展。将多残留检测技术及快速筛选检测技术，结合先进、高效、环保、智能化、自动化的前处理技术进行农药残留检测，提高检测效率及精准度，已成为农药残毒检测发展的大趋势[2]。基于当前现状及发展趋势，本文提出了一种便携式农药残毒检测系统的检测方法，该方法应用到光转化-化学发光法的原理，同时在农药残毒检测中进行试验。

2 基于光转化-化学发光农药残毒的检测原理分析

随着科学技术的发展，应用化学原理检测农药残毒的方法层出不穷，如流动注射化学发光技术被纳入到检测的理论研究中，但该技术的研究尚不成熟，一方面发光体系的表现不够灵敏，需要应用增敏剂提升灵敏度，同时还要避免外界杂质干扰;且该方法应用的试剂灵活性及重现性都需要进一步提升。

通过分析氯代酚类物质发现，当有荧光剂并存时，农残物质受到光辐照射后，荧光剂FL会吸收光子产生激发态的FL，此后与水中的氧分子反应可生成单线态氧，继续作用下去会产生氧化物中间体，产出后的物质与氧化剂NBS反应在FL的共同作用下发出荧光。进一步研究后发现，多种农药在相同操作下皆可出现发光现象，尤其是有机磷农药及现阶段国家命令禁止使用的有机氯农药，具体为甲拌磷、内吸磷、对流磷、敌百虫、乐果、敌敌畏，以及狄氏剂、异狄氏剂、滴滴涕、氯丹等等。有机磷农药进入人体后，会降低乙酰胆碱酯酶活性，导致乙酰胆碱不能水解，引起中毒反应;有机氯农药在进入人体血液循环中会产生不稳定的含氧化合物，侵害人体神经及器官。二者对人体危害极大，因此要做好快速、可靠的检测。

3 便携式农药残毒检测系统的设计

3.1 系统整体设计

传统的农药残毒检测设备体积过大，反应机理复杂，反应时间、检测周期长，只能在研究所内进行，无法随身携带。因此检测的反应需要在反应装置内进行，应用光化学、电化学检测方法，能够有效避免色谱型检测及质谱型检测的缺陷，为后期微型、精准、稳定的农药残毒快速检测奠定基础。计划应用较为成熟的微控流分析系统，将反应过程集成在微型芯片上，将计算与测量控制继续融合，提高检测设备的智能化水平，以解决传统设备应用中的不足。

目前将光信号转变为电信号进行信息采集，应用最广泛的设备就是光电倍增管，是一种具有极高灵敏度、相应速度的光探测仪器。能够广泛应用于光子技术、微弱光探测、化学发光检测等测试需要的部件中，作为仪器的光信号收集装置。在本文的设计中采用H9858系列带有金属封装的光电倍增管及高压电源供电电路的光电传感模块。金属封装光电倍增管的金属封装规格与半导体光电传感器的TO-8型的封装外壳规格一致，不仅能够保持光电二极管的微型规格，还能够提升动态范围及高速响应等优点。内置的电源有电路小、功耗低、质量轻等优点。

3.2 系统的硬件设计

借助微电子技术的高速发展，便携式农药残留快速检测得以实现。研制高精度、高性能、多功能的测量设备时，几乎所有研究人员都有考虑使用微型处理器使检测设备向智能化发展，其中在仪表制造领域应用最广泛的微处理器就是单片机。应用单片机可在测量中将计算机技术与测量技术进行结合，使测量仪表转向智能化设备，可以解决传统仪表在检测中的不足。此外还可对仪表电路进行精简优化，提升仪表稳定性，降低仪表生产成本，将更多的资源分配到新产品研发当中。此类仪表的设计重点从模拟和逻辑电路的设计转化为专用单片机模板、功能部件、接口电路及输入输出通道的设计，及集成电路的组合优化、软件开发。此次设计的检测系统以MSP430单片机作为核心，如STC12C5410AD作为主控芯片，具体的硬件结构如图1所示。

本文在设计中应用到的串行时钟电路芯片为DS1302，具有可传输串行数据的优点，同时在断电的情况下，还具备可充电功能，其控制字节如表1所示。

系统主要软件的程序框图如图2所示，在图中可以看出，如果将采集的数据输入至DS1302内，那么需要控制字节的最高有效位不需要满足逻辑1，不然不能输入至DS1302内。当位6为逻辑0时，就代表存取日历时钟数据，为逻辑1时代表的是存取RAM数据。位5到位1显示的是操作单元的地址;最低有效位如果为0则代表要写入，为1则代表要读取，控制字节要维持从最低位开始输出的原则。

3.3 系统软件设计

系统软件设计的主体部分是系统监控程序，主要对系统中各环节进行初始化操作，此后在监控系统根据键盘指示开展工作。检测系统开发的目的是实现用户能够清晰、明确的了解检测仪器的操作方法，因此在系统软件编程中应遵循大多数电子仪器软件开发的思路。

从图2中可以看出，系统软件设计的功能主要包括时钟驱动、触摸屏驱动、储存卡驱动及分析主程序。主程序运行时首先对CPU、触摸屏、时钟、存储卡进行初始化，之后再执行和循环操作指令，同时再将数据分配到其他程序。

3.4 实物制作及调试结果分析

结合上述设计规格、技术，制造出了便携式农药残毒检测设备，从外观来看，检测仪器体积小巧、重量适中，与传统的检测仪器相比有巨大优势，且对检测人员专业化程度要求不太高。测试了在种植期间施放敌百虫的芹菜，将处理好的样品进行分析，加入可以與农药反应发光的试剂，经过设备各环节信息处理最后显示结果与专业设备测得结果一致。整体测试耗时3分钟，与传统的检测仪器2小时的检测周期相比，时间缩短到1/40。

4 结束语

综上，本文介绍的便携式农药残毒检测系统设计，符合当前农药残毒检测的发展趋势，文中从软件设计、硬件设计两个方面详细介绍了系统逻辑、功能实现方法，对设备的试验结果来看，缩小了设备体积，缩短了检测时长，同时能够保证检测精度，该系统有价值在检测领域推广及应用。

参考文献：

[1]张德胜.农产品中农药残留检测技术及其发展趋向[J].乡村科技，2017（26）：83-84.

[2]王琪，吕小兰，王贵生.蔬菜中农药残留检测前处理技术的研究进展[J].农业技术与装备，2017（1）：47-48.

[3]魏巍，张宝华.农药残留检测中样品前处理技术[J].河南农业，2018（5）：53-53.