基于嵌入式技術(shù)的農(nóng)藥殘留快速檢測系統(tǒng)設(shè)計*

劉 慶，何志琴，邊鵬飛，龔圣高

（貴州大學電氣工程學院，貴陽 550025）

農(nóng)藥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要生產(chǎn)資料，對農(nóng)業(yè)的發(fā)展，糧食的供給有不可替代的作用，然而由于過量及不當?shù)氖褂?，使得農(nóng)藥殘留及其污染物引起的食品安全問題日益突出。這種情況下迫切需要研發(fā)一批適用于現(xiàn)場快速測定的檢測儀器。2003年國家頒布了基于乙酰膽堿酯酶體系的農(nóng)藥殘留快速檢測方法的國家標準，國家標準的出臺更加快了此類農(nóng)藥殘毒檢測儀標準化，批量化，商品化的進程［1-2］。

本文主要講解了一種基于乙酰膽堿酯酶分析體系的新型農(nóng)藥殘留檢測儀［3］，設(shè)計以嵌入式系統(tǒng)STM-32為核心，使用微型化，低能耗，低成本的單色光源與檢測裝置，可使用220 V外接電源或干電池供電，體積小，重量輕，特別適用于現(xiàn)場的快速檢測［4］。

1 檢測原理

我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中所使用的農(nóng)藥大多屬于有機磷類或氨基甲酸酯類農(nóng)藥，在一定條件下此類農(nóng)藥對膽堿酯酶正常功能有抑制作用，其抑制率與農(nóng)藥的濃度成正相關(guān)性，這樣通過抑制作用，計算出抑制率，則可以判斷出樣品中是否含有有機磷類或氨基甲酸酯類農(nóng)藥的存在。膽堿酯酶對以上兩種農(nóng)藥的敏感度可達0.01 mg/kg～0.5 mg/kg［5］。這種酶動力學分析方法比一般儀器所采用的動物血清作為酶試劑，檢測的專一性和靈敏度都有明顯的提高。

在正常情況下有機磷類農(nóng)藥與氨基甲酸酯類農(nóng)藥對膽堿酯酶的活性存在一定的抑制作用，向樣品中添加一定量的乙酰膽堿酯酶，當樣品中含有以上兩大類農(nóng)藥時，即會對酶的活性產(chǎn)生抑制作用。再向含有農(nóng)藥的樣品中添加底物（碘化硫代乙酰膽堿）和顯色劑（二硫代硝基甲酸）時，酶因喪失活性則不能徹底催化底物完成顯色反應(yīng)［6］。此時，通過發(fā)光管產(chǎn)生405 nm波長的藍紫光照射比色皿時，能測出顏色變化造成的吸光度之差，再由吸光度值的變化計算出酶的抑制率，酶的抑制率越大，說明樣品中殘留農(nóng)藥的含量越高，反之亦然［7］。

在405 nm左右的單色光條件下測定吸光度A隨時間t的變化，單色光通過樣品時，使用探測器硅光電池進行接收，硅光電池屬于一種PN結(jié)的單結(jié)光電池，它由半導(dǎo)體硅中滲入一定的微量雜質(zhì)而制成。光照射到PN結(jié)上時，使PN結(jié)兩端產(chǎn)生電動勢，進而產(chǎn)生光伏效應(yīng)，由于在較大的光照范圍內(nèi)，其短路電流與照度有良好的線性關(guān)系，故可以通過測量硅光電池的短路電流表示此時的光強度。同時經(jīng)過電流轉(zhuǎn)電壓放大電路將電流量轉(zhuǎn)換成電壓量，吸光度定義：

U0為入射光照在硅光電池上的電壓，U為出射光照在硅光電池上的電壓強度。

由國標GB|T5009.199-2003推薦的分析方法是通過測量空白試液，以及待測試液2 min前后吸光度值的變化ΔAstd和ΔAsam來計算抑制率R，抑制率R的計算公式為：

其中ΔAstd表示空白樣品的吸光度變化，ΔAsam表示待測樣品吸光度變化，通過抑制率R可以判斷出樣品中是否含有高劑量的有機磷類或氨基甲酸酯類農(nóng)藥的存在，當待測樣品的抑制率R≥50時，表示蔬菜中有高劑量的有機磷類或氨基甲酸酯類農(nóng)藥的存在，樣品為陽性結(jié)果［8-9］。本儀器對采集到的吸光度值進行線性擬合，在擬合后的曲線上利用式（1）～式（2）計算得出吸光度值。對數(shù)據(jù)的線性擬合能加強測量數(shù)據(jù)的精準性。

2 農(nóng)藥殘毒檢測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計

儀器由光學部分，核心處理器部分與外圍輔助電路3大部分組成［10］。系統(tǒng)工作過程是將光源所產(chǎn)生的平行光經(jīng)過比色皿而后進入到光電檢測模塊，光源采用由發(fā)光管產(chǎn)生的405 nm藍紫光色平行光。由光電檢測電路，將電壓信號采入處理器，最后由處理器計算出農(nóng)藥殘留度。整個反應(yīng)過程被設(shè)計在一個嵌入式微處理器上完成，將計算機技術(shù)與測量控制技術(shù)結(jié)合到一起，使其成為智能儀表。圖1所示為儀器的結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 儀器結(jié)構(gòu)框圖

光學部分包括LED單色平行光，比色池，光電檢測及相應(yīng)的輔助與控制電路，整個光學部分被密封在一個暗室內(nèi)，可以有效的避免外界雜散光的影響。STM-32作為整個儀器的控制中心，外圍電路有穩(wěn)壓電源，數(shù)據(jù)存儲器［11］。輸入輸出部分包括320*240TFT觸摸屏，鍵盤，串行口可直接上傳到PC機。

2.2 光學部分

本系統(tǒng)采用酶動力學分析法，其中乙酰膽堿酶體系顯色劑顯色后吸收峰在405 nm左右，所以本系統(tǒng)采用405 nm藍紫色平行光作為光源，相較于鹵燈，氚燈等，熱致發(fā)光光源相比，LED具有響應(yīng)速度快，功率小等優(yōu)點［12］。檢測部分使用硅光電池作為光電轉(zhuǎn)換部分，硅光電池的短路電流與照度成很好的線性關(guān)系，故可以通過測量硅光電池的短路電流表示光強，同時進行I/V轉(zhuǎn)換，將電流轉(zhuǎn)換成電壓量，再將轉(zhuǎn)化后的電壓量送入嵌入式系統(tǒng)，進行后續(xù)處理。在本設(shè)計中采用的電流轉(zhuǎn)電壓放大器是TLC2254芯片，該芯片是德州儀器公司制造的四路運算放大器，是一款性能良好的電流轉(zhuǎn)電壓放大器，本器件具有滿電源電壓幅度輸出性能，同時比現(xiàn)有的一般運放具有更好的輸入失調(diào)電壓和更低的工耗，圖2為單路檢測系統(tǒng)電路設(shè)計。

圖2 單路檢測系統(tǒng)電路設(shè)計

2.3 檢測信號處理

采用乙酰膽堿酶體系顯色劑處理方法［17-18］中的兩點測量法［19］，每隔10 s測量一次光強值，一組試劑測量10次，用時2 min，將所測量的電壓值采入嵌入式系統(tǒng)，將電壓信號讀取并由式（1）轉(zhuǎn)換成吸光度值，再對數(shù)據(jù)進行線性回歸擬合得到斜率K值，也就是在確定時間內(nèi)的吸光度變化率。由式（2）計算出抑制率，通過線性擬合后的曲線，只要保持光源穩(wěn)定，則測量精度會顯著提高。圖3為實際測量的一組實驗數(shù)據(jù)。

圖3 檢測信號處理樣圖

橫軸為時間軸，單位為s，縱軸為吸光度值。由實際的實驗數(shù)據(jù)與其擬合后的曲線對比，并計算出了擬合后的曲線公式。線性擬合就是用解析表達式逼近離散數(shù)據(jù)，即離散數(shù)據(jù)的公式化。實踐中，離散點組或數(shù)據(jù)往往是各種物理問題和統(tǒng)計問題有關(guān)量的多次觀測值或?qū)嶒炛?，它們是零散的，不僅不便于處理，而且通常不能確切和充分地體現(xiàn)出其固有的規(guī)律，這種缺陷正可由適當?shù)慕馕霰磉_式來彌補［14］。經(jīng)過擬合后的曲線有更好的線性特性，避免了單個不良數(shù)據(jù)對整體數(shù)據(jù)的干擾，很好的提高了檢測精度。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件的開發(fā)平臺為Keil 4集成開發(fā)環(huán)境，它是基于Window的開發(fā)平臺。依據(jù)檢測原理中介紹的公式R=[(ΔAstd-ΔAsam)/ΔAstd]×100% ，其中 ΔAstd和 ΔAsam分別由Astd，Asam經(jīng)過一定時間間隔利用線性擬合后得到的，而Astd，Asam分別為：

系統(tǒng)只要完成對入射光強Vi，以及標準樣液出射光強Vo.std和待測溶液出射光強Vo.sam的測量，則可以進行直線擬合，并完成抑制率的計算。

基于嵌入式技術(shù)的農(nóng)藥殘留檢測儀在使用時涉及很多的運算和控制，如A/D轉(zhuǎn)換、吸光度計算、濃度計算、顯示和打印測量結(jié)果，這些功能的實現(xiàn)都需要軟件程序的支持。控制軟件采用C語言編寫，C語言的主要特色是兼顧了高級語言和匯編語言的特點，簡潔、豐富、可移植。系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括A/D轉(zhuǎn)換程序、觸摸屏驅(qū)動程序、數(shù)據(jù)處理與傳送程序以及主程序等。其中主程序流程圖如下圖4所示。

圖4 主程序流程圖

主程序首先對STM-32控制器、觸摸屏等進行初始化，接下來循環(huán)等待用戶操作命令，并進入相應(yīng)模塊處理子程序，包括A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理與傳送，顯示與輸出程序以及歷史數(shù)據(jù)查詢、系統(tǒng)設(shè)置等功能。檢測電路得到的電壓信號，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，將數(shù)據(jù)傳輸至核心處理器進行計算處理。通過鍵盤選擇功能，選擇包括在TFT屏上顯示農(nóng)殘抑制率，控制打印機打印對應(yīng)通道的檢測樣品數(shù)據(jù)。其中采樣與農(nóng)殘抑制率計算的程序流程圖如圖5所示。

圖5 采樣與抑制率計算的程序流程圖

采樣與抑制率的計算過程如下，先由STM-32系統(tǒng)初始化，隨后通過鍵盤對檢測通道進行選擇，完成后設(shè)置采樣間隔時間ΔT，最后采樣開始并判斷是否已完成10次采樣，當已完成10次采樣則利用式（4）計算出抑制率R，并將其送入存儲器［15］。

4 儀器調(diào)試及結(jié)果分析

在實驗平臺搭建完畢后，需要通過實際樣本測試來檢測整個系統(tǒng)的實用性與可靠性，為了保證試驗結(jié)果的可靠性，試驗材料選用市場中比較成熟的檢測試劑-廣州天河綠洲生物化學研究中心的AN203型農(nóng)藥殘留速測試劑。它是國家標準農(nóng)殘檢測方法的專用配套試劑，酶的活性以及對農(nóng)藥的敏感性達到并超過了國家標準，具有穩(wěn)定性好，靈敏度高，方便快捷使用等優(yōu)點。實驗反應(yīng)原理：

由市場購買含有樂果農(nóng)藥的3種蔬菜作為被檢測樣品。由AN203型農(nóng)藥殘留速測試劑配液說明將3個樣品制成待測溶劑，并依照說明依次加入所需試劑，放入檢測儀器中進行檢測。由嵌入式系統(tǒng)記錄反應(yīng)過程中吸光度值的變化。

檢測過程中將在檢測分析室內(nèi)發(fā)生化學發(fā)光反應(yīng)，光電轉(zhuǎn)換，并用高性能運算放大器對輸入信號放大，計算出樣品的農(nóng)藥殘留量，并將分析結(jié)果顯示在高清晰度真彩屏上或由打印機輸出。

4.1 數(shù)據(jù)分析

將試劑檢驗過程中嵌入式系統(tǒng)記錄的吸光度值制成吸光度隨時間變化的二維坐標圖。以下為三組待測樣液與標液吸光度值的對比曲線，橫軸為時間，單位為s，縱軸為吸光度。其中包括標準試液（Standard Solution）的吸光度曲線，待測試劑1（Sam?ple 1）的吸光度曲線，待測試劑2（Sample 2）的吸光度曲線，以及待測試劑3（Sample 3）的吸光度曲線。樣機檢測完畢后，使用氣象色譜儀，再對樣品進行檢測，檢測其濃度，以判斷是否滿足國標關(guān)于樂果農(nóng)藥殘留的檢出限。

圖6為試劑1和標準試劑吸光度值的關(guān)系曲線。在計算抑制率R的過程中需要對所測量的點進行曲線擬合，而后由兩點測量法對擬合后的曲線求抑制率R，這樣可以減小單個不良數(shù)據(jù)對整體數(shù)據(jù)造成的影響。經(jīng)計算后試劑1的抑制率為65.64%，已超標。由氣象色譜儀測量可得試劑1的濃度為4 mg/kg同樣超標。

圖6 試劑1與樣液吸光度值曲線圖

圖7為試劑2與標準試劑吸光度值的關(guān)系曲線。求出抑制率R。經(jīng)計算后試劑2的抑制率為51.46%。由氣象色譜儀測量可得試劑2的濃度為3 mg/kg，處于檢出限。

圖7 試劑2與樣液吸光度值曲線圖

圖8為試劑3與標準試劑吸光度值的關(guān)系曲線。在計算抑制率R的過程中需要對所測量的點進行曲線擬合，由擬合后的曲線來求抑制率R。經(jīng)計算后試劑3的抑制率為31.59%，沒有超標。由氣象色譜儀測量可得試劑3的濃度為2.5 mg/kg，在檢出限以內(nèi)。

由氣象色譜儀可測得的待測樣液濃度，與本設(shè)備所測量出樂果農(nóng)藥是否超標相符合，樂果農(nóng)殘國家檢出限標準為 3 mg/kg［16］，測試的過程中，不僅記錄下不同時間所對應(yīng)的吸光度值，并將擬合曲線及其公式顯示在圖中。調(diào)試實驗表明，本設(shè)計電路選取合理，檢測性能有較高的精準性，通過數(shù)據(jù)擬合后，提高了數(shù)據(jù)計算精度。調(diào)試實驗表明本產(chǎn)品檢測一次只需要花費2 min～3 min，而目前常用的農(nóng)藥殘留檢測儀主要采用色譜儀與質(zhì)譜儀，由于儀器龐大，樣品制備時間過長，檢測時間過程需要1 h～2 h，因此具有快速性特點。

圖8 試劑3與樣液吸光度值曲線圖

5 誤差分析

實驗誤差是實驗測量值（包括直接和間接測量值）與真值（客觀存在的準確值）之差，實驗誤差來源于多個方面，其中包含了系統(tǒng)誤差和隨機誤差。本實驗儀器誤差主要來源于三個方面，其中包括系統(tǒng)性誤差光源誤差，使用實驗器材誤差，以及溫度這一隨機誤差。

5.1 系統(tǒng)光源誤差

任何光源都不會是絕對穩(wěn)定的，其光強都會有微小變化，另外本系統(tǒng)中使用了放大電路，使得微弱的電流變化也會造成較大的電壓變化。使得采入嵌入式系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定的偏差。下面數(shù)據(jù)是一個光源反復(fù)測量其光強度而觀察到的光源不穩(wěn)定現(xiàn)象。

表1 光源強度的不穩(wěn)定

5.2 室溫

室內(nèi)溫度低于37℃，導(dǎo)致酶的反應(yīng)速度隨之減慢，加入酶和相關(guān)試劑后容易導(dǎo)致變化率變低，而引起抑制率的偏差。

5.3 儀器誤差

在實驗操作配制溶劑的過程中，因?qū)嶒瀮x器的使用也會造成一定的誤差。裝入比色皿的不同溶液會因?qū)嶒炂鞑牡牟粯藴什僮髟斐烧`差，測得的吸光度值大小也會產(chǎn)生差別。另外在放入比色皿的時間上也會有差別，造成檢測反應(yīng)初始時間點也有差別，而引起吸光度變化率的差別。

6 結(jié)論

本文介紹了一種農(nóng)藥殘毒檢測系統(tǒng)的設(shè)計方法，它由光電采集系統(tǒng)采集到農(nóng)藥殘毒顯色反應(yīng)的信息，再由嵌入式系統(tǒng)進行信息處理與運算，輸出結(jié)果信號并在顯示設(shè)備上顯示，通過多次試驗后，通過對實驗數(shù)據(jù)的分析，顯示該設(shè)計思路達到了預(yù)期的效果，并且該便攜式農(nóng)藥殘毒檢測儀器具有體積小，便于攜帶以及操作簡潔等優(yōu)點。

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劉 慶（1989-），男，漢族，貴州大學電氣工程學院12級研究生，主要研究方向為計算機控制技術(shù)，544137493@qq.com；

邊鵬飛（1990-），男，漢族，貴州大學電氣工程學院13級研究生，主要研究方向為計算機控制技術(shù)。

何志琴（1971-），女，漢族，貴州大學電氣工程學院，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為計算機控制技術(shù)；