基于虚拟仪器的农药残留检测系统设计

□杨兆智 丁福泉 刘雨鑫 张 猛 刘 智 侯丽新

一、引言

近年来，菜农在蔬菜种植过程中为避免和防治病虫害而使用超剂量的化学农药，导致果蔬中的农药残留量越来越高，对人身健康影响重大。许多学者对食品安全问题关注度极高，并开展了大量的相关研究工作。因此，研制出农产品的农药残留检测系统有着重要的意义。

果蔬农药残留常用的检测方法有化学快速检测方法，色谱、质谱及其联用技术，酶活性抑制检测方法。化学快速检测方法操作便捷、灵敏度高，但只能检测一种农药的残留。色谱、质谱检测方法测量精确度高，但存在操作复杂、检测成本高、不适合现场检测的缺点。酶抑制法是基于有机磷和氨基甲酸酯类农药对酶的抑制作用，依据抑制率与吸光度间的关系，建立一种具有成本低、操作简单的快速检测方法，在农药残留检测中广泛应用。

近年来，许多科研工作者依据酶抑制法搭建了农药残留检测系统。裘正军等人设计出农药残留快速检测系统，研究农药残留与酶抑制率的关系，当抑制率高于70%时可判断为农药残留超标[1]。陈如清等人将化学发光法和光电检测技术相结合，设计了微弱光信号检测方案，能够快速准确地检测农药残留浓度[2]。杨现德等人基于酶抑制法设计了农药残留快速检测系统，通过嵌入式处理系统进行数据的显示、输出及打印[3]。目前研究主要集中在系统硬件结构的设计，如何将采集到的数据进行科学地处理还需深入探讨。本文采用LabVIEW虚拟仪器软件，搭建一套虚实结合的农药残留检测系统。

二、系统总体设计方案

图1 系统总体框图

检测系统主要由光源、比色池、光敏传感器、信号放大电路、滤波电路、信号转换与采集电路等组成。首先，一定浓度的农药待测溶液与试剂在比色池中反应，反应后溶液的颜色、吸光度与农药残留量有关。光敏传感器用来接收透过比色池的光，透射光的强弱与农药残留量相关。电信号经过放大、滤波、A/D转换后由采集卡进行采集，再通过LabVIEW软件分析出酶抑制率和吸光度的关系，由此判断出农药残留量是否在标准范围内。

光电传感部分包括发光二极管，比色池和光敏传感器。选择约400nm的发光二极管作为光源，省去精密的分光系统，可以提高光学部分的稳定性。并考虑发光二极管的波长、光强、光功率，比色池的构建及材料的选择，光敏传感器的光谱特性、转换效率等。信号放大电路要考虑其放大倍数，输入输出电阻与前后级的匹配等，滤波电路考虑信噪比、带宽等。数据采集部分通过NI USB6009采集卡获得数据，利用LabVIEW得出样品对酶水解反应的抑制率和吸光度值关系，在LabVIEW的虚拟界面上保存显示以便于观察农药残留量。

三、硬件系统设计

(一)光电转换电路。当入射光辐射时，光电探测器输出光电流。能量为hv光子流为光功率P(t)，光电流I(t)为光生电荷Q的时变量，有

(1)

其中，η为探测器量子效率。光电转换电路实现了光→电流→电压的转换。

图2 光电转换电路 图3 温度传感电路

(二)温度传感电路。温度传感器用于观察比色池内温度，通过温度来控制酶抑制程度。ATmega16微控制器用来与显示屏连接，以便操作人员监测池内温度。

(三)信号放大与滤波电路。为满足采样电压要求，微弱电信号需经过放大处理。将放大后的信号进行滤波，将无用的波段滤除，将滤波电路置于放大电路后面，以免将微弱的有用信号滤除。

图4 放大电路 图5 滤波电路

四、软件系统设计

数据采集卡将检测到的数据上传到上位机，通过LabVIEW软件设计数据分析系统。系统可绘制出某一农产品中的农药残留量在一段时间内的变化曲线，并可导出数据到Excel。数据管理模块包括数据存储和数据打印，将采集到的数据做进一步的存储、打印、备份，以便于后期分析研究。农药残留检测系统的操作页面、数据分析图和报表分析图，可直观呈现效果，并方便使用者操作。

图6 系统数据分析界面

五、结语

本文设计了一种基于酶抑制法的农药残留检测系统，利用LabVIEW开发数据采集与分析系统，对下位机的数据进行处理和显示。检测出来的结果能直观地反映出农药残留是否超标。由于酶抑制法只能检测氨基甲酸酯类和有机磷类农药，检测对象具有局限性，希望此方法对研究其他农药检测具有一定的参考价值。