农药残留光电检测系统硬件设计
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究背景 1
1.2 光电检测技术介绍 2
2 总体设计方案介绍 2
3 芯片及元器件选择 3
3.1 元器件的种类 3
3.2 STC89C51 3
3.3 PCF8591 5
3.4 LCD1602液晶显示器 6
4 单元电路模块设计 10
4.1 电源模块 10
4.2 按键模块 11
4.3 光电检测模块 12
4.4 模数转换电路 13
4.5 单片机系统模块 14
4.6 液晶显示模块 16
5 仿真及调试 17
5.1 原理图设计过程 17
5.2 系统仿真 18
5.3 软件部分概述 20
5.4 硬件调试 21
5.5 硬件、软件联合调试 23
结 论 24
致谢 25
参考文献 26
附录 A 农药残留光电检测系统硬件原理图 27
附录 B 农药残留光电检测系统硬件PCB图 28
1 绪论
1.1 课题研究背景
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[1-3]。我国是农业大国，农药的利用能够有效地防治有害生物，从而为我国食粮的增产起到了不可忽视的作用，然而，伴随农药利用量的加大，它的弊端也随之而来，最主要的便是 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
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，具体大小与多种要素相关[4]。农作物被施用农药后，其上的农药会借助各类方式转化，但也有部分难以分解的农药的有效化学成分残留下来，农药残留有两种方式，一种方式是附着在农作物的表层，另一种方式是随着农作物的生长直接进入到它们的根茎叶中。长时间食用含残留农药的食品，对身体会造成很大的危害，例如，会导致人体消化功能紊乱，增加肝脏的负担，导致女性不孕，内分泌失调，导致胃肠道疾病。另外，残留农药在一定程度上也会破坏我们赖以生存的自然环境，对与我们共生的野生动、植物也形成必不可少的侵害。伴随发达国家或农产品进口国把愈来愈苛刻的农药残留准则作为重要的技术贸易壁垒手段，我国越来越严重的农药残留问题妨碍了农产品的出口，造成了巨大的经济损失和资源浪费[5]。
农药残留检测已经成为当今国际前沿领域的钻研热门，可行的农药残留物快速检测技术措施还没有在国际上出现。大型仪器检测和快速检测是用于检测残留农药的两大重要方式，大型仪器检测主要应用气相色谱法(GC)、高效液相色谱法(HPLC)等方式，美国国家环境保护总署和加利福尼亚州州政府实验室应用快速全扫描技术检测蔬菜水果中的农药残留量。单组样检测用时1.5h～3h，检测极限可以达到10-9，体现了国际先进水平。但是，该类方法不适用于现场快速检测，因为其前处理过程、设备和工艺复杂，并且价格昂贵。
目前，中国在农药残留检测和分析方面已经做了很大的努力，许多检测系统已经被设计用于农药残留快速检测，如农药残毒快速检测仪、食品安全检测车和先进农残测定MRSM技术，这些设计对农药残留快速检测起到了一定的作用。
本课题拟利用光电检测技术，研究微型化、检测速度快、可靠、操作简便的农药残留光电检测系统。
1.2 光电检测技术介绍
1.2.1 光电检测技术研究现状
目前，光电检测方法在农药检测中的使用，一般分布在直接光谱剖析技术与荧光剖析法方面。在直接光谱分析方面，日本的H.lshizawa团体正在尝试利用傅氏变换衰减全反射对蔬菜表层的异菌脲、氰马菊酯等进行了检测，精度可至0.05ppm[6]。在荧光分析法方面，孙玲、周寿桓等研究了一种激光荧光光谱检测方法观察了虫胆威等5种农药的荧光光谱[7]；Richard D.Harris等通过农药残留的检测方法测定水中二氯苯氧基乙酸，灵敏度为0.68*10-4ug/L[8]。
1.2.2 光电检测技术简介
光电检测是一种不需要接触而进行测量的先进技术，它以激光、红外、光纤等现代光电器件为基础，使用光电传感器将接收到的光照强度转换成电压或其它电形式，由输入电路、滤波电路等电路提取有效信息，然后经模数转换端口传输给计算机、处理，然后传输给计数、显示或记录装置，实现自动目标参数测量和自动跟踪等自动控制任务从而提供一个清晰的目标图像或自动控制系统。而光电检测系统的核心——光电传感器，具备不受电磁影响、高灵敏度、高精度、高时间分辨率和空间分辨率等特征。随着现代检测技术的不断发展，光电检测技术是检测技术的一个重要发展方向[9,10]。
2 总体设计方案介绍
本课题设计的系统是农药残留光电检测系统硬件部分，目的是检测农药残留在蔬菜或水果中的数量的多少，检测农药残留量的工具是一个完善的光电检测系统。用于检测农药残留量的方式主要有气相色谱法、免疫法、化学发光法[11]等，而我们一般采用化学发光法，原因是这种方法原理简单，操作简便。化学发光法的原理是将待测农药与发光物质（比如鲁米诺、洛酚）混合后，发生化学反应，产生光辐射，然后由光电检测系统检测这种光辐射并进行处理，得到农药残留量的大小。
光电检测系统是本课题研究的重点内容，首先此光电系统必须要具备光电探测器，光电探测器的种类有很多，有光电二极管，光电三极管，光敏电阻，雪崩二极管等。它们各有各的优点，根据每个设计电路要求的不同而选择不同的光电探测器，本课题研究的系统采用的是光敏电阻。光敏电阻将检测到的光辐射信号转换成电信号后传输给A/D转换器件，A/D转换器将模拟电压信号转换成数字信号后传输给单片机，单片机再将自身处理后的信号传输给显示器，最终得到我们所需的结果。综上，此光电检测系统必备的功能模块包括光电探测器、A/D转换电路、单片机电路和显示器。
本课题具体采用的单片机型号是STC89C51，A/D转换器采用的型号是PCF8591，显示器是LCD1602液晶显示器。除了这些必备模块外，我们还设计了键盘电路和电源模块。软件部分主要是程序设计，应用了结构模块化设计原则，意思就是每一模块电路对应一模块程序，各个模块程序由键盘电路主程序控制，要想很好地实现光电检测系统的功能，软件和硬件部分必须很完美地协作，用keil软件编写程序，并将程序烧进STC89C51中，生成.hex文件，由单片机控制整个系统的运作。整个光电检测系统的硬件系统框图如图1所示。
图1 硬件系统框图
3 芯片及元器件选择
3.1 元器件的种类
根据光电检测系统功能实现的需要和一些实际情况，本人选择STC89C51作为控制整个系统的核心器件，光敏电阻的任务是采集光信号，PCF8591模数数模转换器将模拟电压信号转换成数字信号传给单片机，LCD1602作为本系统的液晶显示器。
1 绪论 1
1.1 课题研究背景 1
1.2 光电检测技术介绍 2
2 总体设计方案介绍 2
3 芯片及元器件选择 3
3.1 元器件的种类 3
3.2 STC89C51 3
3.3 PCF8591 5
3.4 LCD1602液晶显示器 6
4 单元电路模块设计 10
4.1 电源模块 10
4.2 按键模块 11
4.3 光电检测模块 12
4.4 模数转换电路 13
4.5 单片机系统模块 14
4.6 液晶显示模块 16
5 仿真及调试 17
5.1 原理图设计过程 17
5.2 系统仿真 18
5.3 软件部分概述 20
5.4 硬件调试 21
5.5 硬件、软件联合调试 23
结 论 24
致谢 25
参考文献 26
附录 A 农药残留光电检测系统硬件原理图 27
附录 B 农药残留光电检测系统硬件PCB图 28
1 绪论
1.1 课题研究背景
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[1-3]。我国是农业大国，农药的利用能够有效地防治有害生物，从而为我国食粮的增产起到了不可忽视的作用，然而，伴随农药利用量的加大，它的弊端也随之而来，最主要的便是 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
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，具体大小与多种要素相关[4]。农作物被施用农药后，其上的农药会借助各类方式转化，但也有部分难以分解的农药的有效化学成分残留下来，农药残留有两种方式，一种方式是附着在农作物的表层，另一种方式是随着农作物的生长直接进入到它们的根茎叶中。长时间食用含残留农药的食品，对身体会造成很大的危害，例如，会导致人体消化功能紊乱，增加肝脏的负担，导致女性不孕，内分泌失调，导致胃肠道疾病。另外，残留农药在一定程度上也会破坏我们赖以生存的自然环境，对与我们共生的野生动、植物也形成必不可少的侵害。伴随发达国家或农产品进口国把愈来愈苛刻的农药残留准则作为重要的技术贸易壁垒手段，我国越来越严重的农药残留问题妨碍了农产品的出口，造成了巨大的经济损失和资源浪费[5]。
农药残留检测已经成为当今国际前沿领域的钻研热门，可行的农药残留物快速检测技术措施还没有在国际上出现。大型仪器检测和快速检测是用于检测残留农药的两大重要方式，大型仪器检测主要应用气相色谱法(GC)、高效液相色谱法(HPLC)等方式，美国国家环境保护总署和加利福尼亚州州政府实验室应用快速全扫描技术检测蔬菜水果中的农药残留量。单组样检测用时1.5h～3h，检测极限可以达到10-9，体现了国际先进水平。但是，该类方法不适用于现场快速检测，因为其前处理过程、设备和工艺复杂，并且价格昂贵。
目前，中国在农药残留检测和分析方面已经做了很大的努力，许多检测系统已经被设计用于农药残留快速检测，如农药残毒快速检测仪、食品安全检测车和先进农残测定MRSM技术，这些设计对农药残留快速检测起到了一定的作用。
本课题拟利用光电检测技术，研究微型化、检测速度快、可靠、操作简便的农药残留光电检测系统。
1.2 光电检测技术介绍
1.2.1 光电检测技术研究现状
目前，光电检测方法在农药检测中的使用，一般分布在直接光谱剖析技术与荧光剖析法方面。在直接光谱分析方面，日本的H.lshizawa团体正在尝试利用傅氏变换衰减全反射对蔬菜表层的异菌脲、氰马菊酯等进行了检测，精度可至0.05ppm[6]。在荧光分析法方面，孙玲、周寿桓等研究了一种激光荧光光谱检测方法观察了虫胆威等5种农药的荧光光谱[7]；Richard D.Harris等通过农药残留的检测方法测定水中二氯苯氧基乙酸，灵敏度为0.68*10-4ug/L[8]。
1.2.2 光电检测技术简介
光电检测是一种不需要接触而进行测量的先进技术，它以激光、红外、光纤等现代光电器件为基础，使用光电传感器将接收到的光照强度转换成电压或其它电形式，由输入电路、滤波电路等电路提取有效信息，然后经模数转换端口传输给计算机、处理，然后传输给计数、显示或记录装置，实现自动目标参数测量和自动跟踪等自动控制任务从而提供一个清晰的目标图像或自动控制系统。而光电检测系统的核心——光电传感器，具备不受电磁影响、高灵敏度、高精度、高时间分辨率和空间分辨率等特征。随着现代检测技术的不断发展，光电检测技术是检测技术的一个重要发展方向[9,10]。
2 总体设计方案介绍
本课题设计的系统是农药残留光电检测系统硬件部分，目的是检测农药残留在蔬菜或水果中的数量的多少，检测农药残留量的工具是一个完善的光电检测系统。用于检测农药残留量的方式主要有气相色谱法、免疫法、化学发光法[11]等，而我们一般采用化学发光法，原因是这种方法原理简单，操作简便。化学发光法的原理是将待测农药与发光物质（比如鲁米诺、洛酚）混合后，发生化学反应，产生光辐射，然后由光电检测系统检测这种光辐射并进行处理，得到农药残留量的大小。
光电检测系统是本课题研究的重点内容，首先此光电系统必须要具备光电探测器，光电探测器的种类有很多，有光电二极管，光电三极管，光敏电阻，雪崩二极管等。它们各有各的优点，根据每个设计电路要求的不同而选择不同的光电探测器，本课题研究的系统采用的是光敏电阻。光敏电阻将检测到的光辐射信号转换成电信号后传输给A/D转换器件，A/D转换器将模拟电压信号转换成数字信号后传输给单片机，单片机再将自身处理后的信号传输给显示器，最终得到我们所需的结果。综上，此光电检测系统必备的功能模块包括光电探测器、A/D转换电路、单片机电路和显示器。
本课题具体采用的单片机型号是STC89C51，A/D转换器采用的型号是PCF8591，显示器是LCD1602液晶显示器。除了这些必备模块外，我们还设计了键盘电路和电源模块。软件部分主要是程序设计，应用了结构模块化设计原则，意思就是每一模块电路对应一模块程序，各个模块程序由键盘电路主程序控制，要想很好地实现光电检测系统的功能，软件和硬件部分必须很完美地协作，用keil软件编写程序，并将程序烧进STC89C51中，生成.hex文件，由单片机控制整个系统的运作。整个光电检测系统的硬件系统框图如图1所示。
图1 硬件系统框图
3 芯片及元器件选择
3.1 元器件的种类
根据光电检测系统功能实现的需要和一些实际情况，本人选择STC89C51作为控制整个系统的核心器件，光敏电阻的任务是采集光信号，PCF8591模数数模转换器将模拟电压信号转换成数字信号传给单片机，LCD1602作为本系统的液晶显示器。
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