基于光学与电子学的便携式农药残留快速检测装(2)

电源模块为整个系统稳定运行供应电源，减少整个系统的能量损耗。在产品使用过程中，为防止电池电量过低或过高时对系统造成毁坏或者导致测量结果不准等，本方案设计了电量监测电路，保证电源持续高效地供应。

为保证光源在恒定功率下工作，本方案设计了电流控制电路。

同时本方案为该系统的测量部分模块化，将智能语音报警残留农药是否超标，同时显示界面有相应中文提示以及给定试管中溶液的浓度量。

4.软件部分

4.1 软件设计流程图

软件设计过程中采用模块化的编程思想，整个系统可以划分为多个功能模块，在主程序中调用各个子程序从而实现系统复杂的功能。软件设计流程图如图5所示。

图5 主程序设计流程图

4.2 AD采集程序设计

精确采集农残检测数据对于后面进一步的分析有着重要的意义，本系统采用AD7705模数转换器，它有2个通道，最快转换速度为lus，可以同时对2个模拟量进行快速采集。由于农残检测仪采集数据的频率要求不是很高，使用AD7705足以满足系统采样需求，此外，采用AD7705还降低了开发成本，提高了采样的稳定性。程序流程如图6所示。

图6 AD采集流程图

4.3 线性插值算法

在信号检测部分，被检测物质的吸光度经光电转换之后的电压量和A/D转换之后的数字量之间均是线性关系，但是由于光电传感器和A/D采集部分均存在一定的系统误差，使得被检测的物质浓度与最终得到的数字量之间不是严格的线性关系，因此为了得到物理量的真实值，本方案建立了被检测物理量与转换之后的数字量之间的对应关系，采用代数插值拟合算法，减小系统误差，提高设备精度。

5.实验探究

5.1 波长的选择

经分析后，得到有机磷类农药的吸收光谱如图7所示，从所得曲线上可以直观得出，溶液的吸光度最高峰值在400nm，以及吸光度第二高峰值出现在600nm附近，本方案选取这两种波长。

图7 有机磷类农药的吸收光谱

5.2 数据分析

配制有一定浓度差的有机磷类农药多组试剂：0mg/L，0.05mg/L，0.08mg/L，0.12mg/L，0.20mg/L，0.30mg/L，0.40mg/L，0.50mg/L，0.60mg/L，0.70mg/L，0.80mg/L，放置在无光且温度适宜的条件下，分别测出不同浓度对应的光强（电压）变化大小，系统显示结果如表1所示。

表1 浓度与电压关系序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11浓度(mg/L) 0 0.05 0.08 0.12 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80电压(mV) 2437.52 2433.28 2154.35 2003.34 1800.23 1456.72 1125.89 816.87 541.25 201.17 90.12

设电压U关于浓度c的回归函数为从上面完全不同的11次独立试验中，来确定的最大似然估计值为：

代入数据计算得：

根据上面实验数据，采用线性拟合的方式进行处理，农药浓度与电压关系趋势图如图8所示，观察拟合曲线可以很直观发现，有机磷类农药浓度与电压之间存在线性关系，达到本系统的目标及要求。

图8 浓度与电压线性拟合图

6.总结与展望

本方案根据溶液浓度和吸光度的差值，进行轮换数据建模，同时对数据采用线性拟合的处理方法，建立了农药样品浓度——光强——电信号三者之间的较为准确的关系。样机使用时，只需将配置好溶液的试管放入检测区内，通过按键检测即可。

本方案自主提出的双波长相互垂直照射技术，且已将测量部分模块化，未来可以将测量模块改装，转化为能够测量其他溶液的仪器仪表。如测量绿色植物中的叶绿素含量，工业废水中的矿物油含量等。为以后的仪器仪表网微型化，模块化方向奠定了基础。

本方案的光电检测技术和便携式速检装置，只需三个按键即可完成检测，避免了化学试剂可能会出现的二次污染等问题。可推广至基础农业的相关领域，用于现场的初检和速检，提高农作物相关检测的效率。为人们对节约、环保意识敲响警钟。一定程度上推动我国农业方面的经济建设，推动社会信息化与智能化的发展。

参考：侯亚辉，基于朗伯—比尔定律的食品安全快速检测仪的设计与实现：中国地质大学(北京)，2017；陈婷，孟建昇，谢华相，朗伯—比尔定律在血红蛋白浓度检测中的应用研究：科技创新导报，2015，12(24)：32-33；辜忠春，李光荣，洪海彦，王宵，李晖，马林江，双波长分光光度法测定杨梅叶中总黄酮的研究：食品工业，2018，39(01)：295-297；王芳，秦节红，谭建红，江虹，双波长分光光度法测定药物及生物样品中呋塞米：分析科学学报，2018，34(01)：138-140；沈宇，王风云，郑纪业，房胜，李哲，张琛，光谱分析技术在水果品质与安全检测中的应用：中国农业信息，2018，30(03)：105-112；王雅静，对食品、农药的光谱技术预测模型的研究：上海师范大学，2018。

文章来源：《微电子学与计算机》 网址: http://www.wdzxyjsjzz.cn/qikandaodu/2021/0306/502.html