有机磷农药残留光电检测系统的制作方法

本实用新型涉及农药检测领域，特别涉及一种有机磷农药残留光电检测系统。

背景技术：

农业产业化发展导致农产品的生产过程越来越依赖农药和抗生素等外源物质。农药在农产品生产中的用量在我国一直居高不下，农药的不合理使用或滥用导致农产品的农药残留含量不同程度超标，威胁到消费者的食用安全，严重时甚至直接导致中毒死亡。

有机磷农药是当前农业生产中使用最广泛的杀虫剂，属有机磷酸酯类化合物。其种类繁多，如敌百虫、甲拌磷和敌敌畏等。现有农药残留检测方法主要有生物测定法、理化检测法及快速检测法三类。其中，活体检测法对生物的要求较高，检测结果难以确定具体农药品种；理化检测法检测精度高，但存在检测耗时长且操作过程繁琐，难以满足实时检测需求；快速检验法目前发展较快，但也存在检测成本高和检测灵敏度低等缺陷。因此，探索一种简单有效、快速准确的农药残留定量检测系统对解决农药残留问题极其重要。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的相关问题，本实用新型提供了一种有机磷农药残留光电检测系统。

根据本实用新型实施例的一个方面，提供一种有机磷农药残留光电检测系统，包括密封容器（1）、光电转换电路（2）、对数放大电路（3）、滤波电路（4）、主放大电路（5）、A/D转换器（6）、单片机（7）以及显示器（8）；

其中，所述密封容器（1）内部预先放置有发光物质，用于放置待测溶液，所述发光物质为鲁米诺-过氧化氢-乙酰胆碱酯酶化学发光体系，所述待测溶液为农药混合物；

所述光电转换电路（2）中包括有PN结硅光电二极管D1，且所述PN结硅光电二极管D1位于所述密封容器(1)内部；

所述光电转换电路(2)的输出端与所述对数放大电路(3)的输入端电连接，所述对数放大电路(3)的输出端与所述滤波电路(4)的输入端电连接，所述滤波电路(4)的输出端与所述主放大电路(5)的输入端电连接，所述主放大电路(5)的输出端与所述A/D转换器(6)的输入端电连接，所述A/D转换器(6)的输出端与所述单片机(7)的输入端电连接，所述单片机(7)的输出端与所述显示器(8)的输入端电连接，并将检测出的所述待测溶液中有机磷农药残留的浓度值显示于所述显示器（8）。

作为本实用新型的优选方案，所述单片机（7）的输入端还连接有输入电路（9）。

作为本实用新型的优选方案，所述单片机（7）的输出端还连接有蜂鸣报警器（10）。

作为本实用新型的优选方案，所述A/D转换器（6）为TLC1543芯片。

作为本实用新型的优选方案，所述单片机（7）为AT89C51单片机。

作为本实用新型的优选方案，所述显示器（8）为LCD液晶显示器。

本实用新型的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

通过将化学发光法和光电检测技术相结合，可有效弥补传统检测方法存在的样品预处理过程繁琐、耗时复杂及消耗试剂等不足，实现了农药残留的快速实时高精度检测；提供了一种针对微弱光信号的智能检测方法，将单片机控制系统与微弱光检测电路结合在一起，搭建了一套集微弱光电信号放大、采集和传输为一体的智能检测系统，实现了数字化处理；有机磷农药残留光电检测系统的设计省去了检测光源的电路设计，有效简化和降低了硬件系统的结构及设计复杂度，使得农药残留物光电检测系统的生产成本较低，生产效率较高。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本实用新型。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本实用新型的实施例，并于说明书一起用于解释本实用新型的原理。

图1是根据一示例性实施例示出的一种有机磷农药残留光电检测系统的模块示意图。

图2是根据一示例性实施例示出的一种光电转换电路的电路示意图。

图3是根据一示例性实施例示出的一种对数放大电路的电路示意图。

图4是根据一示例性实施例示出的一种滤波电路的电路示意图。

图5是根据一示例性实施例示出的一种主放大电路的电路示意图。

图6是根据一示例性实施例示出的一种A/D转换器、单片机、显示器、输入电路与蜂鸣报警器的电路示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。

本实用新型提供的有机磷农药残留光电检测系统所使用的有机磷农药残留检测原理：乙酰胆碱酯酶对鲁米诺-过氧化氢化学发光体系有催化作用。生态毒理学的研究表明，有机磷农药对乙酰胆碱酯酶有很强的抑制作用，其抑制率与农药残留的浓度呈正相关，在一定浓度范围内，有机磷农药与乙酰胆碱酯酶的活性之间存在一定的线性关系。即经过有机磷农药的抑制，会导致鲁米诺-过氧化氢-乙酰胆碱酯酶体系的化学发光强度一定程度降低。通过检测抑制前后的光强，计算出抑制率，推断是否含有有机磷农药，或定量分析有机磷农药的残留量大小。研究分析表明，农药残留浓度与发光强度成比例关系。按照国家标准规定，农残抑制率不应超过50%，大于或等于这个数值则属超标。

图1是根据一示例性实施例示出的一种有机磷农药残留光电检测系统的模块示意图。如图1所示，该有机磷农药残留光电检测系统包括密封容器（1）、光电转换电路（2）、对数放大电路（3）、滤波电路（4）、主放大电路（5）、A/D转换器（6）、单片机（7）以及显示器（8）。

其中，密封容器（1）内部预先放置有发光物质（鲁米诺-过氧化氢-乙酰胆碱酯酶化学发光体系），用于放置待测溶液（农药混合物）。

需要说明的是，密封容器（1）可以是具有容器塞或者容器盖等密封结构的容器。

光电转换电路（2）中包括有PN结硅光电二极管D1，且PN结硅光电二极管D1位于密封容器(1)内部。

由化学发光原理可知，鲁米诺在碱性溶液中被过氧化氢氧化后处于激发态，从激发态回到基态时发出最大波长为425nm的光。综合光电探测器的响应率、光谱响应及稳定性等性能指标和器件的工作电压、暗电流等特性参数，设计光电转换电路（2）时选择PN结硅VTB5051B光电二极管作为农药残留检测用光电探测器，其光谱响应范围为330-720nm，与发光体系发光波长匹配。VTB5051B光电二极管具有结构简单、噪声低、响应快及线性好等优点，有着广泛的用途。

光电二极管光电转换模式主要有光电压模式和光电导模式。光电压模式下光电二极管的偏置电压为0，流出光电二极管的电流由于被抑制，两端电势差累积到一定数值而形成电压。具有暗电流小、线性度好及噪声低等优点，适宜于精密仪器仪表的光电变换场合，具体光电转换电路（2）的电路示意图如图2所示。

其中，图2中的V₁为光电转换电路（2）的输出电压。

在本实用新型提供的有机磷农药残留光电检测系统中，光电转换电路(2)的输出端与对数放大电路(3)的输入端电连接，对数放大电路(3)的输出端与滤波电路(4)的输入端电连接，滤波电路(4)的输出端与主放大电路(5)的输入端电连接，主放大电路(5)的输出端与A/D转换器(6)的输入端电连接，A/D转换器(6)的输出端与单片机(7)的输入端电连接，单片机(7)的输出端与显示器(8)的输入端电连接，并将检测出的待测溶液中有机磷农药残留的浓度值显示于显示器（8）。

需要说明的是，采用化学发光法检测农药残留浓度时，一方面光电二极管接收到的光信号十分微弱，另一方面由于检测过程不能处于绝对黑暗环境，光信号检测易受到环境光等多种噪声干扰。噪声信号经光电转换后也同步放大。为精准测出待测光信号，需对光电变换电路做进一步处理。

通常情况下，微弱光信号通过光电探测器转换成光电流后，其波动范围为从pA级到mA级不等。较大的动态范围不利于信号检测，使用普通线性放大器难以有效实现信号放大。另一方面，为适应输入信号较大的动态变化，在后续设计模数转换电路时选用的A/D转换器位数也需相应增加。为解决上述问题，考虑到对数放大电路的输出与输入的对数成线性关系，可对输入信号的动态范围进行一定程度压缩，允许输入信号有较大波动范围。本实用新型提供的农药残留物光电检测系统采用如图3示出的对数放大电路（3）对微弱信号进行放大，以适应输入信号的较大动态范围。

按照对数特性，通过对数变换可将混合信号中的噪声信号压缩、微弱有用信号放大，把有用信号从强噪声背景中提取弱信号。与此同时，较宽动态变化范围的输入信号经过对数压缩处理，采用较低位数A/D转换器就可以实现对信号的最大不失真变换。

因此，本实用新型设计了图3所示的对数放大电路（3），该对数放大电路（3）基于分立原件而设计，采用两个特性相同的晶体管组成互补对称电路，可消减晶体管的反向饱和电流对运算关系造成的影响。图3中V_ref设置为5V；晶体管电压V_T=kT/q，k=1.38×10^-23焦耳/度(波尔兹曼常数)，q为电子电荷量，T为绝对温度(单位为开尔文)。其中，温度变化会对V_T产生影响，从而引起运放电路输出电压V₂的波动。为保持输入输出关系稳定，电路设计时引入一正温度系数的热敏电阻R_T，其温度变化系数与晶体管PN结的变化一致，较大程度实现对V_T的抵消补偿，克服由于温度变化而产生的负面影响。

此外，为了提高检测电路的信噪比，本实用新型将对数放大电路（3）输出的电压V₂采用带通滤波器进行滤波处理。为保证农药残留的检测精度，本实用新型采用了如图4所示的滤波电路（4）去除环境噪声和通过前置放大器引入的噪声信号，其中，V₂是对数放大电路（3）输入至滤波电路（4）的电压，V₃为滤波电路（4）的输出电压。

微弱电信号经过前面光电转换、对数放大和直流滤波后，为更好满足采样电压要求，本实用新型设计了图5所示的主放大电路（5）对直流电压信号的幅值做进一步放大处理，其中，V₃为滤波电路（4）输入至主放大电路（5）的电压，V₄为主放大电路（5）的输出电压。

作为本实用新型的优选方案，单片机（7）的输入端还连接有输入电路（9）。

为方便用户进行农药残留浓度的阈值设置，本实用新型还设计了输入电路（9）。

作为本实用新型的优选方案，单片机（7）的输出端还连接有蜂鸣报警器（10）。

单片机（7）的P1.5口可以外接蜂鸣报警器（10）报警，当单片机（7）检测到农药残留浓度的检测结果超过设定阈值时，启动蜂鸣报警器（10）报警，以提醒用户待测溶液中农药残留浓度超标。

作为本实用新型的优选方案，A/D转换器（6）为TLC1543芯片。

按照检测系统测量需求，系统设计时选择TLC1543芯片作为A/D转换器（6）。TLC1543芯片为20脚DIP封装的CMOS 10位开关电容逐次A/D逼近模数转换器，内有三个控制输入端CS、CLK、ADDR和一个数据输出端SDO遵循串行外设接口SPI协议，要求微处理器具有SPI接口。片内设有采样-保持电路，在转换结束时，EOC（19脚）输出端变高表明转换完成。具有高速度（10μS转换时间）、高精度（10位分辨率，最大±1LSB不可调整误差）和低噪声等优点，能满足本检测系统实际要求。

作为本实用新型的优选方案，单片机（7）为AT89C51单片机。

微处理器的选择直接影响到检测系统的性能，基于单片机的控制系统适合中低速数据的采集和处理。选用性价比较高的AT89C51单片机作为控制器，它内含4bytes可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和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，内置通用8位中央处理器和Flash存储单元。AT89C51单片机具有功能全面和性价比高等优点，完全满足本农药残留物光电检测系统的要求。

作为本实用新型的优选方案，显示器（8）为LCD液晶显示器。

用于农药残留检测结果显示的显示器选用较为通用的LCD1602液晶显示器，可显示2行16个字符，有8位数据总线和RS、R/W、EN三个控制端口，并带有字符对比度和背光调节。

为了更好地说明A/D转换器（6）、单片机（7）、显示器（8）、输入电路（9）、蜂鸣报警器（10）之间的电路连接关系，本实用新型通过图6示出了A/D转换器（6）、单片机（7）、显示器（8）、输入电路（9）与蜂鸣报警器（10）的电路示意图。

在图6中，V₄为主放大电路（5）输入至作为A/D转换器（6）的TLC1543芯片的电压，TLC1543芯片通过AIN0端口接收V₄，TLC1543芯片的SDO引脚与作为单片机（7）的AT89C51单片机的P1.0引脚连接，TLC1543芯片的ADDR引脚与AT89C51单片机的P1.1引脚连接，TLC1543芯片的CS引脚与AT89C51单片机的P1.2引脚连接，TLC1543芯片的CLK引脚与AT89C51单片机的P1.3引脚连接，TLC1543芯片的EOC引脚与AT89C51单片机的P1.4引脚连接；AT89C51单片机的RST引脚与复位电路连接，用于使电路恢复到起始状态；AT89C51单片机的XTAL1引脚、XTAL2引脚分别与晶振电路连接，用于获取AT89C51单片机所必须的时钟频率；AT89C51单片机的P0.0-P0.7引脚分别与上拉电阻RP1连接，用于拉低电流，保护AT89C51单片机的输入输出口不被烧坏；AT89C51单片机的P1.5引脚与蜂鸣报警器（10）连接，用于在检测出待测溶液中农药残留浓度达到预设数值时启动蜂鸣报警器（10）；作为显示器（8）的LCD液晶显示器的D0-D7引脚分别与AT89C51单片机的P0.0-P0.7引脚相连接，用于接收AT89C51单片机输出的数据并进行显示，LCD液晶显示器的RS、R/W、EN三个引脚分别与AT89C51单片机的P2.0、P2.1、P2.2引脚相连，LCD液晶显示器的VEE、VDD、VSS引脚分别与滑动电阻RV2的滑片、接线柱、接地端相连，用于调节LCD液晶显示器的屏幕亮度；输入电路（9）包括按键B2-B4，分别对应为阈值设置键和阈值加减键，并与AT89C51单片机的P3.2-P3.4的3个引脚分别连接，且按键B2-B4分别与保护电阻R16、R17、R18并联。

在使用本实用新型提供的有机磷农药残留光电检测系统时，工作人员可以将含有有机磷农药的待测溶液置入含有发光物质（鲁米诺-过氧化氢-乙酰胆碱酯酶化学发光体系）的密封容器（1）内，根据有机磷农药残留检测原理，鲁米诺-过氧化氢-乙酰胆碱酯酶化学发光体系中的乙酰胆碱酯酶被有机磷农药抑制，且抑制率与农药残留的浓度呈正相关，导致密封容器（1）内部的鲁米诺-过氧化氢-乙酰胆碱酯酶化学发光体系的化学发光强度一定程度降低。此时，光电转换电路（2）中的PN结硅光电二极管D1接收密封容器（1）内部的鲁米诺-过氧化氢-乙酰胆碱酯酶化学发光体系所发出的光信号，该光信号通过PN结硅光电二极管D1转化为电压信号，并由光电转换电路（2）将该电压信号输入至对数放大电路（3），并经过对数放大电路（3）对该电压信号进行微弱信号放大后，输入至滤波电路（4）进行直流滤波去噪，再由滤波电路（4）将去噪后的电压信号输入至主放大电路（5）进行电压信号的幅值放大处理，最后将放大处理后的电压信号输入至A/D转换器（6），由A/D转换器（6）将电压信号转换为数字信号，并将该数字信号输入至单片机（7），由于单片机（7）已存储有密封容器内部的鲁米诺-过氧化氢-乙酰胆碱酯酶化学发光体系对应的初始数字信号，单片机（7）可以根据该初始数字信号以及接收到的数字信号计算出待测溶液中有机磷农药的残留浓度，并将包含该残留浓度的数据发送至显示器（8）进行显示。此外，单片机（7）还外接有输入电路（9）和蜂鸣报警器（10），单片机（7）还可以接收用户通过输入电路（9）输入的残留浓度阈值，并在检测到待测溶液中有机磷农药的残留浓度数值达到该残留浓度阈值时，启用蜂鸣报警器（10）进行报警。

综上所述，本实用新型提供的一种有机磷农药残留光电检测系统，通过将化学发光法和光电检测技术相结合，可有效弥补传统检测方法存在的样品预处理过程繁琐、耗时复杂及消耗试剂等不足，实现了农药残留的快速实时高精度检测；提供了一种针对微弱光信号的智能检测方法，将单片机控制系统与微弱光检测电路结合在一起，搭建了一套集微弱光电信号放大、采集和传输为一体的智能检测系统，实现了数字化处理；农药残留物光电检测系统的设计省去了检测光源的电路设计，有效简化和降低了硬件系统的结构及设计复杂度，使得农药残留物光电检测系统的生产成本较低，生产效率较高。

需要说明的是，本实用新型仅保护由密封容器（1）、光电转换电路（2）、对数放大电路（3）、滤波电路（4）、主放大电路（5）、A/D转换器（6）、单片机（7）、显示器（8）以及输入电路（9）、蜂鸣报警器（10）等装置或部件构成的硬件网络物理平台，而不涉及其中的软件部分。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。