基于ＴＣＳ２３０果蔬稻米農(nóng)藥殘留檢測系統(tǒng)的設(shè)計

張福軍 黃爽 劉坤

摘要：針對如何實現(xiàn)果蔬稻米農(nóng)藥殘留度的檢測問題，設(shè)計了以顏色傳感器ＴＣＳ２３０和單片機Ｃ８０５１Ｆ３１０為核心的檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)通過對ＴＣＳ２３０顏色識別的結(jié)果，對比顏色數(shù)據(jù)與農(nóng)藥殘留程度數(shù)據(jù)庫，查找出相應(yīng)的農(nóng)藥殘留度數(shù)據(jù)，液晶顯示器ＨＴＧ２４０１６０Ｃ和語音裝置給予用戶提示。系統(tǒng)開機顯示待機畫面、當(dāng)前時間，鍵盤選擇“選項”和“檢測”功能菜單，完成系統(tǒng)設(shè)置或農(nóng)藥殘留檢測。測試結(jié)果表明，利用該系統(tǒng)完成的果蔬稻米農(nóng)藥殘留檢測，結(jié)構(gòu)簡單、可靠，操作方便，易于掌握。

關(guān)鍵詞：農(nóng)藥殘留；顏色；檢測；鍵盤選擇

中圖分類號：ＴＰ３６８．１文獻標(biāo)識碼：Ａ文章編號：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

隨著人們生活水平的不斷提高，健康已逐漸成為人們關(guān)注的焦點。但是水果、蔬菜、稻米等食品上的農(nóng)藥殘留嚴(yán)重威脅著人們的健康。因此設(shè)計出一款便攜式農(nóng)藥殘留檢測儀，能在幾分鐘內(nèi)鑒別出果蔬稻米中是否有殘余農(nóng)藥非常重要。

檢測儀以ＴＣＳ２３０顏色傳感器和Ｃ８０５１Ｆ３1０單片機為核心，液晶顯示器ＨＴＧ２４０１６０Ｃ顯示農(nóng)藥的殘留程度，若農(nóng)藥殘留超標(biāo)則給予語音報警提示，按鍵選擇被測對象的種類和測試精度的設(shè)置，系統(tǒng)還可以存儲檢測數(shù)據(jù)，利用專用ＰＣ軟件自動上傳數(shù)據(jù)，ＰＣ管理和打印，方便高效［１］。

１ＴＣＳ２３０顏色傳感器工作原理

ＴＣＳ２３０是美國ＴＡＯＳ公司推出的可編程彩色光／頻率轉(zhuǎn)換器，是世界上第一個有數(shù)字兼容接口的ＲＧＢ顏色傳感器。該轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字信號，可以驅(qū)動標(biāo)準(zhǔn)的ＴＴＬ或ＣＭＯＳ電路，因此可直接與微處理器或其他邏輯電路相連接。ＴＣＳ２３０能夠?qū)崿F(xiàn)每個彩色信道１０位以上的轉(zhuǎn)換精度，因而不再需要Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器，使電路變得更簡單。圖１是ＴＣＳ２３０的引腳封裝和功能圖［２］。

圖１中，ＴＣＳ２３０采用８引腳的ＳＯＩＣ表面貼裝式封裝，在單一芯片上集成有６４個光電二極管。該傳感器的典型輸出頻率范圍為２ Ｈｚ～５００ ＫＨｚ，用戶還可以通過兩個可編程引腳來選擇１００％、２０％或２％的輸出比例因子，或電源關(guān)斷模式。輸出比例因子使傳感器的輸出能夠適應(yīng)不同的測量范圍，提高了它的適應(yīng)能力［３］。

Ｓ０、Ｓ１為輸出比例因子或電源關(guān)斷模式，Ｓ２、Ｓ３為濾波器類型的選擇（表１）。OE為頻率輸出使能，也可以片選信號，低電平有效；ＯＵＴ為頻率輸出。

當(dāng)入射光投到ＴＣＳ２３０上時，通過Ｓ２、Ｓ３的不同組合選擇不同的濾波器，經(jīng)過內(nèi)部轉(zhuǎn)換電路輸出不同頻率占空比為１／２的方波。不同頻率和光強對應(yīng)不同的頻率，選擇Ｓ０、Ｓ１的組合，選擇不同的輸出比例因子，對輸出頻率進行微調(diào)［４］。Ｃ８０５１Ｆ３１０對ＴＣＳ２３０輸出的頻率進行測試后得到一定的數(shù)據(jù)，再與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)進行比較，從而確定收到光的顏色比例與強度。

２果蔬農(nóng)藥殘留檢測的原理

蔬菜、水果和稻米在生長過程中使用的農(nóng)藥主要是有機磷和氨基甲酸酯類農(nóng)藥，這類農(nóng)藥能抑制昆蟲中樞和周圍神經(jīng)系統(tǒng)中特殊的酶——乙酰膽堿酯酶的活性，造成神經(jīng)傳導(dǎo)介質(zhì)乙酰膽堿的積累，影響正常的神經(jīng)傳導(dǎo)。系統(tǒng)正是應(yīng)用了這個原理，從昆蟲中提取乙酰膽堿酯酶與蔬菜、水果中的殘留農(nóng)藥萃取液進行反應(yīng)，農(nóng)藥殘留量越多酶的抑制率越高，通過檢測酶被抑制程度，來判斷農(nóng)藥殘留情況［５］。

利用檢測系統(tǒng)中的膽堿酯酶（白色粉末）可催化靛酚乙酸酯（紅色粉末）水解為乙酸與靛酚。由于有機磷和氨基甲酸酯類農(nóng)藥對膽堿酯酶的活性有抑制作用，使催化水解后的顯色發(fā)生改變。因此采用顏色傳感器ＴＣＳ２３０測量顯色的不同，即可判斷樣品中有機磷或氨基甲酸酯類農(nóng)藥的殘留情況。

３硬件電路設(shè)計

圖２為果蔬農(nóng)藥殘留檢測系統(tǒng)的硬件電路原理圖，主要包括單片機Ｃ８０５１Ｆ３１０、顏色傳感器ＴＣＳ２３０、液晶顯示器ＨＴＧ２４０１６０Ｃ、日歷時鐘芯片ＰＣＦ８５６３。Ｃ８０５１Ｆ系列單片機具有超低功耗、強大的處理能力、高性能模擬技術(shù)及豐富的片上外圍模塊、系統(tǒng)工作穩(wěn)定等優(yōu)點。Ｐ０．６控制頻率輸出；Ｐ０．１為頻率是輸出接收端，串行接收顏色數(shù)據(jù)；Ｐ０．２、Ｐ０．３控制濾波器選擇；Ｐ０．４、Ｐ０．５控制輸出比例因子，設(shè)置Ｃ８０５１Ｆ３１０的定時器為外部計數(shù)方式。通過讀取計數(shù)器的數(shù)值確定ＴＣＳ２３０的輸出頻率，并根據(jù)Ｐ０．２、Ｐ０．３、Ｐ０．４、Ｐ０．５的控制數(shù)據(jù)就可以確定Ｒ、Ｇ、Ｂ的顏色及強度，結(jié)合Ｃ８０５１Ｆ３１０內(nèi)部存儲器存儲的農(nóng)藥殘留度與顏色的對比數(shù)據(jù)，查找出農(nóng)藥的殘留程度數(shù)據(jù)，送液晶顯示器顯示［６］。

液晶顯示器選用ＨＴＧ２４０１６０Ｃ，該液晶是ＦＳＴＮ圖形點陣ＣＯＧ封裝、帶灰度顯示、可以顯示１０行每行１５個漢字（沒有考慮設(shè)置字與字之間的距離）、外形尺寸為７７．４ ｍｍ×６１.0 ｍｍ×２．８ ｍｍ、視域尺寸為７３．４ ｍｍ×４８．０ ｍｍ、驅(qū)動芯片是ＳＴ７５２９、背光為ＬＥＤ、工作電壓為３．３ Ｖ，可顯示白底黑字和藍底白字。

系統(tǒng)開機顯示當(dāng)前的日期與時間，即顯示年、月、星期、日、時、分、秒，因此擴展了日歷時鐘芯片ＰＣＦ８５６３，該芯片只有８個引腳，采用Ｉ２Ｃ總線方式，所以硬件連接非常簡單，ＰＣＦ８５６３的外圍電路及與Ｃ８０５１Ｆ３１０的接口如圖２所示［７］。

４系統(tǒng)軟件設(shè)計

記錄儀的軟件系統(tǒng)由主程序和若干個子程序構(gòu)成，主程序調(diào)用各個子程序完成預(yù)定的功能。程序編寫時充分利用模塊化的設(shè)計方法，把握主程序框架，由“點”成“線”最后組成“面”的設(shè)計思路，充分發(fā)揮軟件優(yōu)勢，從而設(shè)計出快速、高效的軟件系統(tǒng)。主程序流程圖如圖３。

系統(tǒng)開機后顯示待機畫面，并顯示當(dāng)前時間，“選項”與“檢測”菜單共用戶選擇，“選項”菜單提供校準(zhǔn)當(dāng)前時間、查詢檢測記錄、更改測試精度、更改被測農(nóng)藥物種類等功能；“檢測”菜單提供對被測水果、蔬菜和稻米殘留農(nóng)藥的檢測，并通過“結(jié)束”按鍵結(jié)束當(dāng)前被測對象的檢測，系統(tǒng)重新顯示待機畫面。

若用戶按“檢測”菜單，系統(tǒng)完成對被測對象殘留農(nóng)藥的檢測，并把測試結(jié)果送至ＨＴＧ２４０１６０Ｃ液晶顯示器，這一過程是在鍵盤處理子程序中完成的，程序流程圖如圖４。

軟件設(shè)計中要求ＨＴＧ２４０１６０Ｃ顯示１６×１６的點陣漢字格式、８×１６和１６×３２的兩種點陣字符格式，還要顯示待機圖形、電池容量、日歷時鐘、坐標(biāo)系。此外，還要設(shè)置漢字、字符、圖形的顯示范圍、對顯示器進行刷屏等操作。下面僅以顯示１６×１６的點陣漢字為例進行介紹。

若正確顯示漢字，首先要得到這個漢字的字模，可以采用字模提取軟件，目前這種軟件很多，在使用時要注意設(shè)置點陣的大小、取模方式、存取格式等［８］。本系統(tǒng)液晶顯示器顯示16×16的點陣漢字程序如下：

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小結(jié)

果蔬稻米農(nóng)藥殘留檢測系統(tǒng)采用單片機Ｃ８０５１Ｆ３１０和顏色傳感器ＴＣＳ２３０為核心，由于ＴＣＳ２３０可以有效地辨別出數(shù)十種不同的顏色，通過單片機計算出農(nóng)藥的殘留度，檢測結(jié)果通過液晶顯示和語音提示。系統(tǒng)體積小、結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)速度快、成本低以及方便使用等優(yōu)點，為便攜式果蔬稻米農(nóng)藥檢測儀的研制提供了有力依據(jù)。若進一步擴充顏色數(shù)據(jù)庫并改進系統(tǒng)測量準(zhǔn)確度，可辨別的顏色數(shù)將大大增加，這樣系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于以顏色為特征的產(chǎn)品分揀和過程監(jiān)控領(lǐng)域，其應(yīng)用前景十分廣闊。

參考文獻：

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［２］ 盧川英，于浩成，孫敬輝，等．基于ＴＣＳ２３０傳感器的顏色檢測系統(tǒng)［Ｊ］．吉林大學(xué)學(xué)報（信息科學(xué)版），２００８，２６（６）：６２１－２２６．

［３］ 張松燦，肖本賢．高分辨率顏色傳感器ＴＣＳ２３０的原理和應(yīng)用［Ｊ］．單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，２００５（３）：４４－４６．

［４］ 李致金，吳文娟．基于ＭＳＰ４３０的微控制器的帶ＵＳＢ通信的顏色識別系統(tǒng)［Ｊ］．電子技術(shù)應(yīng)用，２００９（８）：５２－５５．

［５］ 陳冬蘭，夏彤，王志波，等．幾種常用蔬菜農(nóng)藥殘留檢測技術(shù)概述及比較［Ｊ］．現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，２０１０（９）：１７２－１７３，１７５．

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