农药残留光电快速检测电气系统的设计

农药残留光电快速检测电气系统的设计摘要：传统的农药残留检测方法主要有气相色谱法、高效液相色谱法、气相色谱质谱联用技术、液相色谱一质谱联用技术等。这些方法虽然测量准确但存在样品前处理过程繁琐、消耗试剂、耗时长等缺点，不能满足快速、绿色检测的需要。光电检测技术具有检测灵敏度高、取样量少、快速、简便，可在恶劣环境下进行在线、连续监测等优点，它在农药残留检测中的应用成为当今热点之一。本文结合化学发光法和光电检测技术原理，设计一个光电检测系统对农药残留物进行检测，并进行了理论与实验研究。关键词:农药残留；光电检测；信号处理DesignofPhotoelectricRapiddetectionSystemofPesticideResiduesAbstract:Thetraditionalpesticideresiduesdetectionmethodcontainsgaschromatography,highperformanceliquidchromatography,combinedgaschromatographymassspectrometry,highperformanceliquidchromatographymassspectrometry,andsoon.Thoughthesemethodsareprecise,thereisalotofdisadvantageinthesemethodssuchasfussysamplepreparation,largeconsumptionofresgentandlongelapsedtime.Anditcannotsatisfytherequirementofrapidandgreendetection.Photoelectricdetectiontechnologyhasadvantageofhighsensitivity,littlesample,rapidandsimple,andabletorunonlineandcontinuouslyinthesevereenvironment.Itsapplicationinpesticideresiduesdetectionhasattractedconsiderableinterest.Combiningchemiluminescencemethodwithphotoelectricdetectionprinciple,thispaperdesignedaphotoelectricdetectionsystemtodetectthepesticideresidues,andconductastudyoftheoryandexperiment.Keywords:Pesticideresidues;Photoelectricdetection;Signalprocessing目录摘要1关键词11前言12绪论22.1研究目的及意义22.2研究内容32.3技术路线32.4技术指标33光电检测电路基础理论分析43.1光电检测系统的基本构成43.2光电探测器件的基本原理43.2.1光电探测器的物理效应43.2.2光电转换定律53.2.3光电探测器的分类63.3光电探测器件的选择63.3.1接收光信号的方式63.3.2各光电探测器的性能比较63.3.3光电探测器的应用选择73.4光电倍增管73.4.1工作原理83.4.2工作过程83.4.3运行特性84光电检测系统设计94.1光电检测系统电路图94.2前置放大电路94.2.1基本电路分析114.2.2噪声分析114.2.3前置放大器的选择124.2.4前置放大电路的设计124.2.5防泄漏措施和接地144.3滤波电路154.4主放大电路164.5后续信号处理电路164.5.1A/D转换器的选择164.5.2微控制器选择174.5.3ADC与单片机的接口174.5.4单片机与计算机的I/O接口174.6电源选择184.7小结195系统软件实现195.1主程序模块195.2AD转换模块195.3通信模块205.3.1PC机的通信软件205.3.2单片机的通信软件206光电检测系统对农药残留检测的实验研究216.1测量原理216.2测量实验226.3误差分析246.4小结247结论24参考文献25致谢26附录261前言农药是指用于预防、消灭或者控制危害农业、林业的病、虫、草和其它有害生物以及有目的地调节植物、昆虫生长的化学合成或者来源于生物、其它天然物质的一种物质或者几种物质的混合物及其制剂。农业的首次使用可以追溯到公元前，农药生产进入商业化阶段是从20世纪40年代一大批有机合成农药的使用开始，其主要代表农药是具有选择性的苯氧乙酸除草剂、有机氯和有机磷杀虫剂1。农药的使用推动了农业的快速发展，给人类带来了巨大的经济利益。但是，随着农药使用量的越来越大，它的缺点也暴露出来，最主要的就是农药残留问题。农药残留指的是农药使用后残存在生物、农产品以及生态环境中的农药原体、代谢物、降解物和杂质的总称，通常把残存的数量称为残留量。在通常情况下主要是指农药原体的残留量和其代谢物、降解物的残留量，具体大小与多种因素有关。农药残留带来了水、食物以及生态环境各方面的污染，时刻危害着人们的身体健康与生命安全。进入21世纪以来，随着人们生活水平和环保意识的提高，以及进入WTO以后农产品农药含量超标引起的贸易壁垒问题，如何切实有效地控制、监测农药残留己成为人们非常关心的问题，也引起了政府的高度重视。2绪论2.1研究目的及意义农药的发明带来了农业科技的进步，但随着农药的大量使用，它所造成的危害也愈加明显。农药在环境中的残留，时刻破坏着地球的生态系统;农药在食物中的残留，严重危害了人类的身体健康和生命安全;农药残留问题影响了我国的农产品出口，造成了重大的经济损失。因此，对农药残留的高灵敏度检测就变得异常重要。目前，我国对农药残留的检测方法还主要限于气相色谱法、液相色谱法等传统农药残留检测方法，这些方法虽然具有分析精度高、定量准确等优点，但是这些方法样品前处理复杂检测时间一长，成本过高，需要在实验室由专业人员来进行检测，不能满足现场检测的需求。因此必须研究出新的农药残留检测方法，能够满足现场检测、快速、成本低、显示直观、定性和半定量及判断其产品是否使用安全的要求。光电检测技术作为一种应用范围性较广且快速可靠的技术，它在农药残留检测中有着很大的研究价值。基于此考虑，本文提出了一种化学发光法和光电检测技术相结合的农药残留检测方法。研究的意义在于:(1)对完善光电检测技术在农药残留检测领域应用中的理论探索具有重要的参考价值；(2)将化学发光法和光电检测技术相结合，省去了光电检测系统中光源的设计，从而使得检测设备更加轻便，更易于现场检测的实现；(3)为农药残留检测提供了一种新的快速检测的手段，具有应用前景。本实验系统研制，将给科研和农业检测领域带来一种高效快速的光电检测方法，并为开发新的农药残留检测仪器提供了一种新思路和有效的手段，具有广泛的应用前景和潜在的经济效益2。2.2研究内容2.2.1从系统的整体出发，进行理论研究主要包括光电检测系统的构成，光探测器原理、分类、性能参数及选取原则等的理论论述。2.2.2光电检测系统的硬件电路的设计包括前置放大电路的设计，滤波电路的设计，放大电路的设计，A/D转换电路与单片机电路等。同时对各种器件的选型也做了详细论述。2.2.3光电检测系统的软件设计主要是A/D转换器的程序设计以及单片机主程序设计。2.2.4对系统进行检测和校正将设计好的光电检测系统应用于农药浓度的检测，对实验数据进行分析处理，建立数学模型，完成系统的进一步校正，并对本文工作进行总结。2.3技术路线论文基于化学发光法和光电检测技术相结合的原理，设计完成农药残留检测的光电检测系统，对给定农药进行实验测定，建立起农药浓度与发光强度(电压)的数学模型。技术路线如下：(l)查找学习关于光电检测的相关文献资料，为系统设计铺垫好理论基础；(2)设计电路图，确定元器件的参数，选择元器件；(3)根据电路图进行检测仪器的制作；(4)进行测量实验。将发光物质和被测物质混合，注入密封装置，通过设计的光探测器检测发光强度的变化，对所得信号进行放大和滤波，用示波器测量输出电压，查看数据是否正确，波形是否存在失真，并进一步调整元器件的参数；(5)根据测试所得数据建立农药浓度与光强(电压)的数学模型；(6)根据国家有关规定，确定检测验证系统是否达到了设计要求，进一步修正元件参数，直到符合要求。2.4技术指标系统设计及实验过程中，需要满足以下指标：(l)光电二极管:能够检测波长在425nm左右的光信号，灵敏度要好；(2)运算放大器:适用于检测微弱信号的低噪声、高精度运放；(3)电源:能够提供输出为正负15V的直流电源；(4)灵敏度:农药残留检测系统的最低检出限度应该满足小于0.lmg/L。3光电检测电路基础理论分析3.2.2光电转换定律对于光电探测器而言，入射光辐射时，输出光电流。把光辐射量转换为光电流的过程，称为光电转换。单色光功率P(t)可以理解为能量hv光子流，光电流是光生电荷Q的时变量，e是电子电荷，所以有：(1)式中所有变量都应理解为统计平均量。由基本物理观点可知，I应该正比于P，引入比例系数D，得：(2)式中D又称为探测器的光电转换因子。把式(l)代入上式，有：(3)称为探测器的量子效率，它由探测器的物理性质所决定。再把式(3)代入式(2)后，有：(4)这就是基本的光电转换定律。它表明：(1)光电探测器对入射光功率的响应是光电流，因此，一个光探测器考视为一个电流源；(2)因为光功率P正比于光电场的平方，故常常把光电探测器称为平方律探测器，可见光电探测器本质上是一个非线性器件。3.2.3光电探测器的分类常用的光电探测器分类。光电探测器分为外光电效应和内光电效应，其中外光电效应分有放大作用（光电倍增管）和无放大作用（真空光电管和充气光电管），内光电效应分光导型和光伏型，光导型分杂质型（P/N型光导探测器）和本征型（光敏电阻和光导探测器），光伏型分有放大作用（光电三极管、光电场效应管、光电开关管）和无放大作用(光电池、光电二极管、双光电二极管)。3.3光电探测器件的选择选择光电探测器件，主要可以从其接收光信号的方式、性能参数以及应用匹配等方面来考虑。3.3.1接收光信号的方式接收光信号的方式有以下几种：(1)光信号的有无。光信号的有无是由被测对象造成投射到光探测器上的光信号截断或通过而产生。例如光电开关、光电警报器的应用。这时光电探测器不必考虑线性，只考虑灵敏度即可。(2)光信号按特定频率交替变化。对于这种光信号，所选器件的上限截止频率必须大于输入信号的频率，这样才能测出输入信号的变化。(3)光信号的幅度大小。当被测对象因对光的反射率、透过率变化或者是被测对象本身光辐射强度改变时，光信号的幅度亦会随之改变。这时需要选用线性好、响应快的器件。例如光电倍增管(PMT)或光电二极管等。(4)光信号的色度差异。被测对象本身光辐射的色温存在差异或者表面颜色改变时，必须选择合适的光谱特性的光电器件4。3.3.2各种光电探测器的性能比较从频率响应和时间响应特性考虑，以PMT以及光电二极管(尤其PIN管和雪崩二极管)最好；从线性特性考虑，以PMT光电二极管和光电池最好；从灵敏度特性考虑，以PMT、雪崩二极管、光敏电阻和光电三极管最好；从低外加电压考虑，选用光电二极管、光电三极管和光电池；从暗电流大小考虑，应选用PMT、光电二极管和光电池;从长期工作的稳定性考虑，优先选择光电二极管和光电池，也可以选用光电三极管；从光谱响应特性考虑，选用PMT和CdSe光敏电阻。3.3.3光电探测器的应用选择目前，固体光电探测器件用途最广。CdSe光敏电阻成本低，广泛用于光亮度控制(如照相自动曝光或路灯日光控制等)；光电池光敏面积最大，除了可作检测器件，还能作太阳能变换器；硅光电二极管体积小、响应快、可靠性高，而且在可见光与近红外波段内有较高的量子效率，在各种工业控制中广泛使用；硅雪崩管增益高、响应快、噪声小，在激光测距和光纤通信中普遍采用。光电检测器件的应用选择需要考虑以下几个方面：(1)与辐射信号源及光学系统在光谱特性匹配。例如，在紫外波段，选择PMT或者专门的紫外光电半导体器件；在可见光波段，可选PMT、光敏电阻与Si的光电器件;在红外波段，选光敏电阻；在近红外波段，选Si的光电器件或者PMT。(2)光电转换特性与入射辐射能量匹配。首先，光电探测器的感光面需要与照射光匹配好。其次，要确保入射通量的变化中心处于探测器光电特性的线性区内，从而获得良好的线性检测。(3)探测器参数与光信号调制形式、信号频率以及波形匹配，从而可以得到不失真的输出波形和良好的时间响应。这种情况应考虑响应时间段、上限频率高的器件。(4)与输入电路电特性上的匹配。这样可以确保有足够大的光电转换系数、线性范围、信噪比和快速的动态响应等。(5)考虑工作环境因素，确保光电探测器可以长期稳定工作5。3.4光电倍增管本系统采用的是光电倍增管作为光电探测器件。3.4.1工作原理光电倍增建立在外光电效应、二次电子发射和电子光学理论基础上，结合了高增益、低噪声、高频率响应和大信号接收区等特征，是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光敏电真空器件，可以工作在紫外、可见和近红外区的光谱区。日盲紫外光电倍增管对日盲紫外区以外的可见光、近紫外等光谱辐射不灵敏，具有噪声低（暗电流小于1nA）、响应快、接收面积大等特点。3.4.2工作过程当光照射到光阴极时，光阴极向真空中激发出光电子。这些光电子按聚焦极电场进入倍增系统，并通过进一步的二次发射得到的倍增放大。然后把放大后的电子用阳极收集作为信号输出。因为采用了二次发射倍增系统，所以光电倍增管在探测紫外、可见和近红外区的辐射能量的光电探测器中，具有极高的灵敏度和极低的噪声。另外，光电倍增管还具有响应快速、成本低、阴极面积大等优点。二次发射倍增系统是最复杂的部分。打拿极主要选择那些能在较小入射电子能量下有较高的灵敏度和二次发射系数的材料制成。常用的打拿极材料有锑化铯、氧化的银镁合金和氧化的铜铍合金等。打拿极的形状应有利于将前一级发射的电子收集到下一极。在各打拿极D1、D2、D3和阳极A上依次加有逐渐增高的正电压,而且相邻两极之间的电压差应使二次发射系数大于1。这样,光阴极发射的电子在D1电场的作用下以高速射向打拿极D1,产生更多的二次发射电子,于是这些电子又在D2电场的作用下向D2飞去。如此继续下去，每个光电子将激发成倍增加的二次发射电子，最后被阳极收集。电子倍增系统有聚焦型和非聚焦型两类。聚焦型的打拿极把来自前一级的电子经倍增后聚焦到下一级去，两极之间可能发生电子束轨迹的交叉。非聚焦型又分为圆环瓦片式（即鼠笼式）、直线瓦片式、盒栅式和百叶窗式。光电倍增管是依据光电子发射、二次电子发射和电子光学的原理制成的、透明真空壳体内装有特殊电极的器件。光阴极在光子作用下发射电子，这些电子被外电场(或磁场)加速，聚焦于第一次极。这些冲击次极的电子能使次极释放更多的电子，它们再被聚焦在第二次极。这样，一般经十次以上倍增,放大倍数可达到1081010。最后,在高电位的阳极收集到放大了的光电流。输出电流和入射光子数成正比。整个过程时间约10-8秒。还有一种利用弯曲铅玻璃管自身内部的二次电子发射构成小巧的倍增管。光电倍增管在全暗条件下，加工作电压时也会输出微弱电流，称为暗流。它主要来源于阴极热电子发射。光电倍增管有两个缺点：灵敏度因强光照射或因照射时间过长而降低，停止照射后又部分地恢复，这种现象称为“疲乏”；光阴极表面各点灵敏度不均匀。3.4.3运行特性光电倍增管的稳定性是由器件本身特性、工作状态和环境条件等多种因素决定的。管子在工作过程中输出不稳定的情况很多，主要有：a.管内电极焊接不良、结构松动、阴极弹片接触不良、极间尖端放电、跳火等引起的跳跃性不稳现象，信号忽大忽小。b.阳极输出电流太大产生的连续性和疲劳性的不稳定现象。c.环境条件对稳定性的影响。环境温度升高，管子灵敏度下降。d.潮湿环境造成引脚之间漏电，引起暗电流增大和不稳。e.环境电磁场干扰引起工作不稳。4光电检测系统硬件设计本光电检测系统采用的是光强型直接测量法，即将携带被检测物理信息的光强，投射到光电探测器上转换为电信号，经放大后直接采集数据。系统总体设计包括密封容器(光源部分)，光电探测器(光电二极管)，前置放大电路，滤波电路，主放大电路，模数转换(A/D转换)电路，单片机，PC。系统框图如下：图2系统框图Fig2BlockDiagramofSystem(1)光电密闭容器:其中放置石英杯(装载发光物质与农药的混合物)，光电探测器置于密封口出处；(2)光电探测器:用于检测光信号，并将之转换为电信号；(3)前置放大电路:对光电探测器检测到得信号进行放大；(4)滤波电路:滤除电路中的噪声；(5)主放大电路:对信号进行再次放大，使信号能够被A/D转换器接收到；(6)模数转换电路:把模拟信号转化为数字信号；(7)单片机:控制系统，使用户AT89C51；(8)PC:即计算机。4.1光电检测系统硬件电路图下面给出设计的光电检测系统的整体电路图。如图3所示：4.2前置放大电路光电系统中，光电检测器件所接收的光信号十分微弱，要有效利用这种信号，就必须对其进行放大。光电检测系统中，光电器件的输出端都紧密连接一个低噪声前置放大器组成前置放大电路。它的任务是:放大光电检测器件输出的微弱光信号,对前置放大器的要求是:低噪声、高增益、低输出阻抗和良好的抗干扰能力6。图3光电检测系统硬件电路图Fig3CircuitryofPhotoelectricDetectionSystem此外，还要仔细地屏蔽，以消除散杂场信号。前置放大器品质的优劣势整个信号处理系统中最关键的部分。4.2.1基本电路分析用光电二极管组成的光电转换电路，实际上是一个光电流、电压的变换器。光电二极管将接收的光信号变成与之成比例的微弱电流信号，通过运放和反馈电阻组成的放大器变换成电压信号7。基本电路如图4所示：图4电流-电压转换电路Fig4Current-VoltageSwitchingCircuit假定运放为理想的运放，其输入电阻和放大倍数都为无穷大，则输出电压为Uo=IpR。输出电压Uo的值与输入电流Ip成线性关系，灵敏度由反馈电阻R确定。而实际应用中，不存在完全理想的运放。受到运放失调电压Vod与偏置电流Ib的影响，输出电压将产生误差。误差电压Ue=Vod(l+R/Rd)+IbR，其中Rd为光电二极管的结电阻。由此式中可以看出，当运放的失调电压与偏置电流都较小时，输出电压误差才会减小。因此，选择运放时我们要选择性能参数都符合要求的运放。4.2.2噪声分析首先，给出光电转换电路的等效电路图，如图5所示：其中左端的电路是硅光电二极管的等效电路。Rf是反馈电阻，Cf是为消除震荡的反馈电容.可以推导出输出电压的公式：(5)可以看出，RD越大，CT越小，噪声影响越小，Cf可以限制高频段的噪声增益。除了电路中探测器和运放带来的噪声外，电路的主要噪声来源于电阻Rf在纯电阻电路中电阻的热噪声UT取决于检测电路的实际通频带f。(6)图5光电转换电路的等效电路图Fig5EquivalentCircuitryofPhotoelectricConvertingCircuit4.2.3前置放大器的选择本系统选用AD795KN作为前置放大电路的放大器。它是一种低噪声、高精度、FET输入的放大器。参数如下：(1)失调电压:25，最大为250uV(K级)；(2)失调电压漂移:最大为3V/(K级)；(3)输入偏置电流:25，最大为1pA(K级)；(4)0.1-10Hz电压噪声:2.5uVp-p；(5)在正负15V的功耗为40MW；(6)增益带宽乘积1MHz。4.2.4前置放大电路的设计第一种前置放大电路是在光电转换电路上的初步改进，如图6所示。它在运放的同相输入端串联了一个电阻R1来消除运放的偏置电流造成的偏压误差(其中包含了由温度引起的偏置电流漂移的影响)，但它的引入同时又带来了电阻热噪声，因此常在其两端并联一个电容C1以减小噪声宽带8。第二种是T型电阻网络的前置放大电路。图6优化的前置放大电路Fig6OptimizedPre-amplificationCircuitT型电阻网络的前置放大电路，是用一个T型电阻网络代替Rf，如图7示。RT=R2+Rf+R2Rf/R3，一般情况下，Rf远远大于R3，从而减少电阻的寄生电容的影响，提高信号的频带宽度。图7T型电阻网络的前置放大电路Fig7Pre-amplificationCircuitofTStyleResistanceNetwork通过图6和图7可以推导出UO=IpRT+En(1+RT/RD+Rf/R3)(7)电路的缺点是，T型网络使得运放的偏置电压、电压噪声以及电阻上的热噪声比非T型网络都放大了1+Rf/R3倍，而Rf远大于R3。所以电路的噪声很大，精度较差。第三种是复合前置放大电路。本系统的前置放大电路选择的是一种复合放大电路，如图8所示。它选用两个运放，由一个内反馈电路与一个外反馈电路组成。这种电路具有降低噪声带宽而不影响信号频带的特点。图中，R3、R4、C3组成了内反馈电路，它控制着U2A的增益响应特性。在直流情况下，该反馈由C3断开，此时放大器的开环增益是两个放大器开环增益的乘积。合理地设置R4/R3的比值有减小噪声带宽的功效。图中R2是为了补偿因R1过大所造成的直流误差，R2上的并联电容C2用以去除它上面的杂散噪声。外反馈电阻R1上并联的电容C1为消振电容，它的作用是减小电路的通频带9。图8复合前置放大电路Fig8CompoundPre-amplificationCircuit4.2.5防泄漏措施和接地从光电二极管出来的光电流是十分微弱的，如果电路板上再存在泄漏出去的路径，就会使得流过反馈电阻的有效电流减小，这就大大降低了整个检测电路的增益。通常反馈电阻采用玻璃绝缘的陶瓷电阻或精密金属膜电阻装载一个抽真空的玻璃封装内。而接在反馈电阻两端的补偿电容应采用低泄漏的聚丙烯或聚苯乙烯介质的电容器。同时，与虚地点的连线也应足够短。光电二极管与放大器间的电缆应尽量短且用聚四氟乙烯绝缘。电路板要采用高质量的环氧树脂玻璃纤维板。对于放大器的接地，应该主要使用单点接地，从而避免接地点与大地所形成的回路存在电流造成干扰，这种方法称为浮地技术。通常在浮地端用一个1-10千欧姆的电阻或一个小电容接地，以加强对空间电磁场的屏蔽效果。如图9所示。其中靠近运放的接陶瓷电容器，靠近电源的接电解电容器10。图9电源的接地方式Fig9GroundingMethodofSource4.3滤波电路为使电路具有良好的信噪比，对于从前置放大器输出地电压信号，必须进行滤波处理。本系统采用带通滤波器对信号进行处理。为保证测量的精确性，在前置放大电路之后设计“压控电压源二阶带通滤波电路”(如图10所示)，以除去有用信号频带以外的噪声，包括环境噪声及由前置放大器引入的噪声。图10滤波电路Fig10FilterCircuit4.4主放大电路由于所检测对象本身为微弱量，因而所得到的电量自然是小信号，一般不能直接用于采样处理。本设计的前置放大电路主要起到电流转电压的作用，经过其放大过的信号还不能满足采样电压要求，因此还需应用主放大电路。其放大电路如图11所示。图11主放大电路Fig11MainAmplificationCircuit该放大电路的放大倍数为A=1+R12/R11其中R12为反馈电阻，R10=R11R12/(R11+R12)。4.5后续信号处理电路后续信号处理电路主要是对前面电路输出地模拟信号进行模数转换，并显示所得数字信号。它包括了A/D转换器，微控制器和计算机。4.5.1A/D转换器的选择根据系统测量的需要，我们选择了模数转换器TLC1549。它是10位逐次逼近模数转换器，具有两个数字输入端和一个三态输入端，它们提供与微处理器串行端口的三线接口。具备自动采样保持功能，采取差分基准电压高阻输入，可按比例量程校准转换范围，实现低误差的转换。它的引脚图如12所示。图12TLC1549引脚图Fig12PinGraphofTLC1549图中CS是芯片选择端，低电平有效；I/OCLOCK是输入输出时钟；ANALOGIN是模拟信号输入端，DATEOUT是转换结果输出端，在时钟信号的作用下，前次转换的结果以串行方式依次在该引脚输出；REF+是基准电压的高端值加在该引脚；REF-是基准电压的低端值加在该引脚；VCC是正电源电压。TLC1549的性能参数：电源电压范围是-0.5-6.5V，推荐值为5V；模拟输入电压范围是0-VCC；正基准电压，通常取VCC;负基准电压，通常接地；总不可调整误差为正负1LSB；工作环境温度为0-60摄氏度。TLC1549的工作原理是：在芯片选择CS无效的情况下，I/OCLOCK被禁止且DATAOUT处于高阻状态。在串行接口把CS拉至有效时，转换时序开始，允许I/OCLOCK并使DATAOUT脱离高阻状态。串行接口把输入/输出时钟序列提供给I/OCLOCK，并从DATAOUT接收前次转换结果。拍CLOCK从主机串行接口接收长度在10-16之间的输入序列。开始10个I/O时钟提供采样模拟输入的控制时序。在CS的下降沿，前次转换的MSB出现在DATAOUT端。10位数据通过DATAOUT被发送到主机串行接口11。4.5.2微控制器选择本系统采用单片机芯片AT89C51作为微控制器，它使美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4bytes可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)128bytes的随即存取数据存储器(RAM)，器件采用ATMEL公司高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和FLash存储单元。它的引脚排列与8051相近12。4.5.3ADC与单片机的接口TLC1549与AT89C51的接口电路图。如下图13所示:图13ADC与单片机的接口电路Fig13InterfaceCircuitofADCandSingle-chip4.5.4单片机与计算机的I/O接口RS-232C提供了单片机与单片机、单片机与PC机间串行数据通信的标准接口。由于单片机输入、输出电平时TTL电平，与计算机的RS-232C比准串行接口电气规范不一致，本系统采用MAX232芯片实现AT89C51单片机与计算机的RS-232标准接口通信电路。电路原理图如图14所示：图14单片机与计算机的接口电路Fig14InterfaceCircuitofSingle-chipandPC4.6电源选择本系统中器件所用电源通过WYJ直流电源供应。WYJ直流电源是一种电压、电流连续可调。稳压与稳流自动转换的高精度直流稳压稳流电源，在稳流状态时，可设定稳流工作点，稳流时输出的电流能在额定范围内连续可调。输出电压从O伏起调，输出电压在额定范围内任意调节。该直流电源结构简单，维修方便。采用进口富士模块稳压，精度极高。电源输出纹波系数良好，低噪声，体积小，款式新颖。该直流电源可广泛应用于工业生产，大专院校实验室、研究所、邮电通讯和自动化设备上使用。与开关电源相比，它具有精度高，纹波小，无高频辐射干扰，适用场合广等优点13。WYJ直流稳压电压的技术参数如下：输入电压:AC110V、220V、380V士10%、0-60Hz任选；输出电压:DC0-15V、0-30V、0-60V、0-120V、0-150V、0-200V、0-300V、0-600V任选；固定输出电压:DC5V9V12V13.5V15V24V36V48V72V110V220V任选；输出电流:1-200A输出路数:1-20路任选；输出显示方式:指针、LED数码管任选。4.7小结本章对光电检测系统的硬件电路进行了设计。从低噪声角度考虑，重点设计了光电检测电路的前置放大电路、滤波部分。对光电二极管、放大器、A/D转换器、单片机和电源的选型也都做了详细说明。这些为将要进行的实验检测工作打下了基础。5系统软件实现本系统软件模块主要分为:主程序模块、AD转换模块及RS232C数据通信模块。5.1主程序模块系统模拟电路部分输出电压，经A/D转换后，将数据传输至单片机进行处理，最后通过PC显示出来。系统主程序模块主要完成的工作是为系统初始化，包括了TLC5149和通信模块的初始化等。软件流程图如15所示：图15主程序流程图Fig15FlowDiagramofMainProgram5.2AD转换模块在芯片选择CS无效的情况下I/OCLOCK被禁止且DATAOUT处于高阻状态。在串行接口把CS拉至有效时，转换时序开始，允许I/OCLOCK并使DATAOUT脱离高阻状态。串行接口把输入输出时钟序列提供给I/OCLOCK，并从DAIAOUT接收前次转换结果14。I/OCLOCK从主机串行接口接收长度在10-16之间的输入序列。开始10个刀O时钟提供采样模拟输入的控制时序。在CS的下降沿，前次转换的MSB出现在DATAOUT端。10位数据通过DATAOUT被发送到主机串行接口。为了开始转换，最少需要10个时钟脉冲。如果犯CLOCK传送大于10个时钟长度，那么在第10个时钟的下降沿，内部逻辑把DATAOUT拉至低电平以确保其余位的值为零。其软件流程图如16所示。5.3通信模块本系统通信模块，采用PC作为主机，单片机作为从机。5.3.1PC机的通信软件PC机的通信软件包括下列内容(1)对1650以(串口芯片)初始化，即设置波特率(1200b/s)、数据位数(8位)、奇偶类型和停止位位数(l位)。(2)确定数据传送方式。采用查询方式发送和接收。(3)从机地址码为OFIH。下面给出查询方式的PC机通信主程序框图。如图17所示。PC机开始设置为地址传送方式。从OFIH地址码开始发送，然后接收地址回送码，如回送地址等于发送地址码，则说明与从机握手成功。继而可以设置为数据传送方式，开始与从机交换数据直到数据结束为止15。图16TLC1549工作流程图Fig16OperatingFlowDiagramofTLC15495.3.2单片机的通信软件单片机的波特率要与PC机一致。定时器Tl作为波特率发生器，设置为工作模式2。串口设置为工作方式3，数据的传送格式为11位，即1位起始位、8位数据位、1位停止位和作为数据/地址控制位的第9位。采用查询方式发送和接收数据。单片机在通信开始阶段，首先设置为传送地址方式，等待接收地址，只有当接收到本机的地址码时，才回送本机地址给PC机，以作为应答信号。然后设置为产生数据方式，以便开始传送数据。其通信数据的约定要与PC机一致，即以什么样的数据位结束标识，多少位数据位一个数据块或多少位数据进行一次累加和校验。校验回送码为00H时表示发送正确，OFFH为错误，需要重发。下面给出单片机查询方式通信的主程序。其程序框图如图18所示。6光电检测系统对农药残留检测的实验研究利用所设计的农药残留光电检测系统对农药样品进行实际的检测实验，根据得到的电压数据，建立起农药残留浓度与光强(电压)的数学模型，验证所设计的农药残留检测系统的可行性16。图17PC机与单片机通讯主程序框图Fig17CommunicationMainProgramBlockDiagramofPCandSingle-chip6.1测量原理本系统农药残留的检测原理是:乙酞胆碱酷酶对鲁米诺-过氧化氢化学发光体系有催化作用，其经由有机磷农药(例如敌百虫)抑制后会导致鲁米诺-过氧化氢-乙酞胆碱酷酶体系的化学发光信号降低，基于此可对有机磷农药进行检测。鲁米诺-过氧化氢发光体系:鲁米诺在碱性溶液中可被过氧化氢氧化而处于激发态，当激发态回到基态时发光，最大波长为425nm。测量出的敌百虫检出限应低于食品卫生敌百虫含量国家标准0.lmg/L。6.2测量实验6.2.1实验试剂鲁米诺储备液:sigma公司购买，称0.443g的鲁米诺溶解于200mL水中，加入4g的氢氧化钠，摇匀，定容到l000mL，避光一周后使用。鲁米诺工作液:吸取50mL储备液于500mL的容量瓶中，加入200mL的水，1.8g的氢氧化钠，定容到500mL，摇匀，避光两天后使用。图18从机通讯主程序Fig18CommunicationMainProgramofSlave敌百虫储备液(100mg/L):sigma公司购买，溶于酒精中配置，冰箱中-20摄氏度保存。敌百虫工作液:配备不同浓度的敌百虫工作液(0，0.05mg/L，0.07mg/L，0.08mg/L,0.10mg/L，0.15mg/L,0.20mg/L，0.25mg/L，0.30mg/L，0.35mg/L,0.40mg/L)，冰箱中4摄氏度保存。过氧化氢储备液(0.1%):吸取0.lmL的分析纯的过氧化氢用水定容到100mL，摇匀，冰箱中4摄氏度保存。过氧化氢工作液(十万分之一浓度):吸取0.lmL的0.1%过氧化氢储备液用水定容到100mL，避光，冰箱中4摄氏度保存。(2)测定方法打开电源给系统预热，为消除光电二极管暗电流的影响，进行系统电压调零。调零完成后，将鲁米诺-过氧化氢体系3mL加入石英杯中，将配置好的不同剂量的敌百虫溶液2mL注入到装有鲁米诺-过氧化氢体系的石英杯中，测出光强(电压)变化。其测量结果如表l所示。根据已测数据，用最小二乘法进行处理，其关系趋势图如下图19所示。由图可以看出，曲线在0.08mg/L处电压有变化，即最低检出限为0.08mg/L.曲线在0.15mg/L-0.35mg/L区间内，呈现明显的线性关系。表1浓度与光强（电压）Table1DensityandLightIntensity(Voltage)浓度（mg/L）00.050.070.000.250.300.350.40电压（v）01.081.020.930.720.490.270.050.02图19浓度电压趋势图Fig19TrendChartofDensityandVoltage6.3误差分析取一组不同浓度的敌百虫溶液(0.088mg/L，0.149mg/L,0.225mg/L，0.347mg/L)，用检测系统对其检测得到一组测量浓度。将他们进行对比并做误差分析。数值如表2所示：表2浓度对比表Table2DensityComparisonTable电压（v）1.050.840.580.360.15浓度（mg/L）0.0880.1490.2250.2870.347测量浓度0.0920.1520.2260.2840.351(mg/L)相对误差4.545%2.013%0.444%1.045%1.153%注:相对误差=|测量值-真实值|/真实值由此可以看出:在接近食品卫生敌百虫含量国家标准(0.lmg/L)的低浓度范围内，测量误差偏大，灵敏度较低，这可能是因为光电二极管中的暗电流和系统中的噪声影响造成的。同类型的实验中采用光电倍增管灵敏度较高，检出限低于国家标准一个数量级，这是本系统的改进方向17。6.4小结本实验测得的农药检出限达到0.08mg/L，基本上能够达到食品卫生农药含量国家标准。但精度和灵敏度都不是太高，尤其在低浓度范围内，线性较差，本实验系统应进一步改进。如选择光敏性更好的光敏器件，并利用光纤进行传导，检测精度将得到数量级的提高，而在数据采集上可以考虑使用数据采集卡，这是本系统以后的研究方向。7结论本文针对农药残留检测技术不能满足现场快速检测需要的现状，应用化学发光与光电检测技术相结合的方法，设计了一种光电检测系统对农药残留进行检测。阐述了光电检测系统理论，利用设计的检测系统对农药残留浓度进行了实验研究。主要工作如下：(1)综述了农药残留残留检测技术及光电检测技术的研究现状。从农药残留的危害着手，阐述了农药残留实时快速检测的必要性，并说明了用光电检测技术进行农药残留快速检测的必要性和意义。(2