便携式快速农药残留检测仪的低功耗设计研究

摘要 农药残留及对应污染物的产生会引起环境及食品安全问题，受到了人们的广泛重视。本文设计了一种便携式快速农药残留检测仪，选用STM32L432K芯片作为主控芯片，根据要求配置高速、等待和停机三种运行模式，具有小型化、低功耗的特征，适用于农贸市场中对蔬果进行农残抽查。本文对仪器在不同模式下的硬件耗电情况进行分析和测试，并提出了注意事项与后续改进意见。

【关键词】农药残留 检测仪 低功耗

农药在现代农业生产中发挥着重要的作用，但是大部分的农药都有剧毒、特别是其在生态环境中的富集作用导致了急性中毒事件频发。本项目组研发的便携式农药残留检测仪是M100型8通道检测仪的升级版，是移动便携式单通道农药残留快速检测仪，其设计目的是让农贸市场管理人员随时随地抽检农贸市场中蔬果的农药残留情况。鉴于此，本文主要从降低仪器整机功耗方面入手改进检测仪。

1 设计要求

系统利用9V层叠电池进行供电，通过低功耗DC-DC模块进行稳压，为主机系统以及光源发生与检测系统提供电流。设计要求中明确，单节电池需满足仪器1个月内使用三次，每次抽查十批样品的需求。

根据设计要求设计系统硬件框图如图l所示。

2 硬件功耗分析与实验

根据分析，本仪器约每天检测1次，每次检测时间为180秒，加上人机输入参数等过程，每次检测约需300秒。之后进入等待模式，低功耗段码液晶继续显示其余外设关闭等待约300秒，等待模式时若有外部操作，系统能无缝切换至高速模式。剩余时间系统停机，需由外部按键唤醒。因此可以推算出本系统模拟运行环境如下：高速运行300秒，等待模式300秒，停机运行时间为24*60*60=86400-600= 86000秒。因此本机的高速、等待和停机模式占比为3 00/300/86000，约为1/1/287。

2.1 测试环境

为达到设计低功耗要求，本系统选用STM32L432K芯片作为主控芯片，CPU供电电压1.8V。此芯片内置低功耗段码液晶控制器，在等待模式中能保持LCD显示，正好能满足本次设计要求。

测试环境使用Alkaline 9V层叠电池作为供电电源，其参数如下：电池容量625mAh，自放电率0 3%/月，最大放电电流200mA。根据要求配置三种运行模式：高速模式、等待模式和停机模式。

2.2 高速模式

为节省功耗，在高速运行模式中也需要关闭其他不必要外设，仅开启简单定时器TIM15，与TIM16。需要注意的是，本芯片中高级定时器的功耗大大高于简单定时器、可达0.65mA，低功耗应用中应尽量避免使用高级定时器。ADC使用低速lOksps模式，降低功耗。高速模式对所有外设供电，光通路部分消耗电流最多，约80mA左右，外设总功耗经过测量为97.35mA。根据表l计算可得高速模式总功耗为107.46mA。

2.3 等待模式

等待模式中系统仅维持低功耗液晶顯示，其目的是能够快速响应并无缝恢复至高速模式。消耗电流情况为LSI_ LCD0.32μA，电源管理1.1μA，外设30μA。根据表1计算可得，此模式总耗电为32.43μA。

2.4 停机模式

停机模式时，系统断开外设供电，主控芯片进入外部唤醒模式，CPU频率降低为O，关闭不必要的芯片内部电路，主芯片停机耗电约为2.02nA，加上其他外设待机电流2μA，系统停机模式下电流约为2μA。所以可以根据此参数推算出电池供电时间。

2.5 总功耗计算

根据计算，系统平均电流为374.36μA，通过代入电池寿命计算公式，计算得出理论上利用一节9V层叠电池约能够运行69天l小时，在实际的测试环境中测量得系统约可运行57天左右，达到并远超设计要求，仪器顺利通过验收。各模式下硬件耗电测试表如表1所示。

3 系统软件设计

本仪器低功耗软件流程如图2所示。系统上电后进入停机模式，当外部按键唤醒仪器后，切换至高速模式，外接设备通电。仪器进入参数设置界面，操作人员根据显示屏提示进行农药残留检测。检测结束后，系统进入低功耗等待模式，外设断电，段码液晶继续显示，此时任意外部输入能使仪器无缝切换至高速模式。若300秒内无任何输入，则系统自动切换至停机模式。

4 研究心得与改进方案

在本次研发中，发现STM32L432K芯片的SLEEP模式很容易实现，可以由中断唤醒，但直接进入SLEEP模式省电较少，需要配合时钟的关闭来节电。不需要用到的外设、例如USART等外设，关闭其时钟，能进一步的节约能耗。

STOP模式需要外部中断唤醒，配合RTC报警唤醒使用更加灵活。但应用中有一个问题需要注意：在ADC数据采样的应用场合，若使用STOP模式，STOP唤醒的周期并不是很固定。分析原因，应该是唤醒后时钟重启造成的AD采样不稳定，解决办法为增加唤醒延时，丢弃起始时DMA采集数据。

本系统今后将考虑继续改进仪器的小型化与低功耗设计，后续修改中应针对检测中消耗功率较高的光通路部分做低功耗优化以达到更长的待机时间目的。

参考文献

[1]徐自远.基于手机功能的图形化编程运动控制系统设计[J].信息化研究，2017，43 （05）：72-78.

[2]姜明辉，李洪斌，严春.一种低功耗智能待机控制技术[J].数字通信世界，2018 （08）：27+22.