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摘要：设计了一种基于太阳能硅光电池供能的AVR单片机电路装置，利用农药对酶活性抑制，安装红外传感器组件检测和光电池表现出吸光度差，在喷洒农药后7天取样测酶抑制率来得到农药的残留量。相比于传统检测方式，可减少农药的使用并在作物生长过程中检测。装置的耗能也大幅度降低，可以达到节能减排的目的。
关键词：磷农药检测；太阳能供能；农药残留；单片机控制
1研制背景及其意义
农药残留会造成环境问题和健康问题，常用农药残留的检测方法有：色谱、质谱、化学快速检测方法。这些方法对样品检测前的处理非常复杂，不能适应检测需求，特别是快速抽检，但酶抑制法利用有机磷农药的毒理特性、光吸收度的特性，检测速度快、成本低、操作简单，可以作为理想的农药残留的检测方法。
本试验结合酶抑制法的特性建立了一种快速检测方法，利用太阳能，可以对AVR单片机电路的供能，还可以使二极管发光以完成检测。不仅可以提高太阳光能利用效率，提升太阳光能的利用，节约能耗，从而达到节能减排和快速检测的目的。
2设计方案
本试验利用太阳能对控制电路和二极管进行供电，并用二极管发光对样品进行检测，实现两用。太阳能作为太阳能电池的供能部分，及对二极管的发光提供保证，为了使装置对太阳能利用更为高效，对装置的供能部分进行了改进。
3设计内容
3.1供能部分
1.太阳能供能充分运用太阳能：主要由太阳能电池、铅蓄电池、稳压电路、充电器、电池电量监测及弱光处理等6部分组成。
2.太阳能电池的选择：有单晶硅和双晶硅两种。用户可以根据实际情况进行选择。
3.蓄电池的选择：采用应用广泛的铅酸蓄电池。
4.充电器的设计：充电器是系统的关键，可用密封铅酸蓄电池专用的充电控制芯片UC2906/UC-3906。
5.稳压电路设计：电池的输出电压是直流电压，波动范围不大，设计比较容易。
6.电池电量监测电路设计：可以使用以前的电池电量监测电路线图。
7.提高太阳能的利用效率：
（1）太阳能电池的布置和构造：为了提高电池的效率，将电池布置成聚光式系统。通过比较，选择碟式聚光系统。
（2）利用光敏电阻在光照时阻值发生变化的原理：当电池板与太阳光垂直方向有夹角时，光电传感器就会产生信号差，从而驱动电动机转动进行调节，直至电池板和太阳光垂直为止。
（3）采用最大功率點跟踪（MPPT）技术：MPPT控制器及其算法提高光伏发电系统利用效率，让系统始终工作在最大输出功率点，可通过一个DC/DC变换器实现，可提高电能的转换效率。
8.太阳能电池材料的选择：根据对发电性能等因素的考虑，选择太阳能非晶硅薄膜电池，其弱光性发电性能也较好。
3.2检测系统的构造和工作原理
检测系统由固体光源、样品池、光敏传感器、数据采集器等组成。以ATMEGA AVR单片机作为系统的控制核心，含发光二极管模块、光电转换模块、信号放大电路、显示电路、按键电路和串口通信结构等部分，附带有一个样品比色池和本装置连接在一起（可在装置放一个支架便于容器取走和安上）。将此装置置于田地吸收太阳光照。根据其对磷农药的消解速度可知，在农药喷洒后3天后使小容器置于作物主干茎叶旁或者枝叶下方，选择稍微阴暗的部位以避免自然光的影响。取试样磨成汁液过滤后加水后将其汁液放人容器内，或将容器放置在作物叶片下面和紧贴茎干收集雨水检测其表面农药量。在检测前先加入少许检测所需用试剂溶液；同时，发光二极管的发光处应该对准试样容器，容器应该选择透光性好的材料以便于检测。
二极管发出波长为410nm蓝紫光，经过样品试剂，再进入硅光电池。待测样品与试剂在样品池中进行显色反应，反应后的颜色深度与农药残留有关。利用硅光电池检测透射光的强度，由信号放大电路对光敏传感器的输出信号进行放大、I/V转换，进入到单片机系统进行处理，计算出样品的吸光度值，并通过串口与计算机进行通信对所采集的数据进行进一步的处理。
根据酶抑制法的工作原理知，当农药残留量高的时候，酶的活性被抑制。待测样品与试剂在样品池中进行显色反应，反应后的液体颜色深度与农药残留相关。用二极管光照样品水解反应底物可知其对光最大吸收峰的波长在410nm附近，然后再测量出颜色变化的造成的吸光度之差，由吸光度之差后得到酶的抑制率。
3.3系统的硬件设备
系统的硬件设备就是数据采集装置，其功能为检测样品溶液的透光度，计算出样品对酶水解反应的抑制率，判断农药残留是否超标，再将测量结果显示LCD屏或从微型打印机输出，此外还具有与计算机联机通讯的功能。数据采集器是一个AT89S52微控制器为核心的智能测量系统，包括：光强测量通道系统，温度测量系统，微控制器，数据存储器和有关接口。
（1）控制器和光源
控制器采用1片Atmegal6微控制器作为控制核心，支持片内调试与编程，有片内振荡器的可编程定时器，一个SPI串行端口，以及六個可以通过软件进行选择的省电模式，符合节能的需求。
光源使用波长为410nm的固体发光管，在410nm的光谱波长段在该波长光谱段具有最大的吸收率，使用固体光源简化了光路的结构，降低了测量系统的成本。采用硅光电池检测透射光的强度，由数据采集器对传感器的输出信号进行采集和处理，计算出样品的吸光度值，并可通过串行通信电路将采集的数据实时地传送到电脑作进一步处理。为使发光二极管发光稳定，要求提供稳定的电流。
（2）温度传感器
系统中温度会影响酶的活性，造成抑制率测量不准确，最终导致农产品农药残留量的测量不准，酶在20～40℃时具有最佳的活性，灵敏度高；农药残留对酶的抑制作用明显。可利用温度传感器PM 611测量温度，使用红外线传感器，能接收物体发射出的红外线并使之转换成电压信号，工作温度是-20～+70℃，适合本试验的温度。且PM611各项指数都比较好，因此选用了它做温度仪的探头，校正系统的测量数据。 （3）光照显色信号转换和放大
光电二极管（硅光电池）受光照射后，产生光电子流，但其输出信号为电流信号，单片机的处理信号多为电压信号，因此需要进行I/V转换。I/V转换后的信号输送到单片机的引脚上。
3.4理论计算
测量出颜色变化的造成的吸光度之差，由吸光度之差可以得到酶的抑制率。酶的抑制率越高表示农药残留量越大。
（1）其中吸光度的定义为：A=lg（10/I）=lg（VO/V）
IO入射光强；I为透射光强；V0为人射在电池上的电压强度，v为出射光在电池上的电压强度。可得在410rim蓝紫光照之下吸光度为1.35.
（2）抑制率s的定义为：s=（（△A标准液A A待测样品）/AA标准液））×100%
△A标准液为标准液吸光度变化值，△A待测样品为一段时间内的吸光度的变化值，根据测得的抑制率确定农产品农药的残留量，查资料计算得酶抑制率小于50%是合格标准。
（3）价格能耗对比
网上报价得知，气相，液相色谱法仪器价格上万且能耗较高。液相色谱仪主机需要大块的电池，笨重不便携，完成检测需要供电30分钟。气相色谱仪总功率多在1500-2000w之间，耗电量每小时在至少在1.5-2度以上，堪比中型空調。此外色谱仪对电脑配置要求高，对检验材料花费多。本试验选用的非晶硅薄膜发电太阳能电池板的一套材料网上也仅需百来元。检测的原材料乙酰胆碱酶和显色剂配套500元一盒可以用250次，整套预算（不含电脑）也仅仅需要1000多块钱（且可以多次检测），此装置仅需要太阳能的供给，检测方便快捷，大大节省人力物力财力，实现节能减排的目的。
4.创新点及其应用
4.1优点和实用性
（1）可以在作物成熟前进行检测，源头上制止农残问题。
（2）将酶抑制法和单片机技术结合实现学科交叉。
（3）廉价，便携，可以在直接利用太阳能和取样检测。
（4）实现节能减排。
4.2升级与改进空间
作为一项实用技术，我们的设计处于较为基础的阶段，仍有较大的升级与改进空间。
（1）不能对多种农药检测
（2）不能實现全自动化控制
（3）转化效率不高
5.总结
由于装置仅仅处于设计和探讨阶段，目前成品也只是初步小规模试验进行效果测定，成本也只是大致估算。预计效果可直接反映在农产品质量的提高，以及农药使上，且该装置成本不高，易于推广。较传统检测方式而言，减少农药的使用量，避免作物成熟后进行检测，装置本身耗能也大幅度降低。
关键词：磷农药检测；太阳能供能；农药残留；单片机控制
1研制背景及其意义
农药残留会造成环境问题和健康问题，常用农药残留的检测方法有：色谱、质谱、化学快速检测方法。这些方法对样品检测前的处理非常复杂，不能适应检测需求，特别是快速抽检，但酶抑制法利用有机磷农药的毒理特性、光吸收度的特性，检测速度快、成本低、操作简单，可以作为理想的农药残留的检测方法。
本试验结合酶抑制法的特性建立了一种快速检测方法，利用太阳能，可以对AVR单片机电路的供能，还可以使二极管发光以完成检测。不仅可以提高太阳光能利用效率，提升太阳光能的利用，节约能耗，从而达到节能减排和快速检测的目的。
2设计方案
本试验利用太阳能对控制电路和二极管进行供电，并用二极管发光对样品进行检测，实现两用。太阳能作为太阳能电池的供能部分，及对二极管的发光提供保证，为了使装置对太阳能利用更为高效，对装置的供能部分进行了改进。
3设计内容
3.1供能部分
1.太阳能供能充分运用太阳能：主要由太阳能电池、铅蓄电池、稳压电路、充电器、电池电量监测及弱光处理等6部分组成。
2.太阳能电池的选择：有单晶硅和双晶硅两种。用户可以根据实际情况进行选择。
3.蓄电池的选择：采用应用广泛的铅酸蓄电池。
4.充电器的设计：充电器是系统的关键，可用密封铅酸蓄电池专用的充电控制芯片UC2906/UC-3906。
5.稳压电路设计：电池的输出电压是直流电压，波动范围不大，设计比较容易。
6.电池电量监测电路设计：可以使用以前的电池电量监测电路线图。
7.提高太阳能的利用效率：
（1）太阳能电池的布置和构造：为了提高电池的效率，将电池布置成聚光式系统。通过比较，选择碟式聚光系统。
（2）利用光敏电阻在光照时阻值发生变化的原理：当电池板与太阳光垂直方向有夹角时，光电传感器就会产生信号差，从而驱动电动机转动进行调节，直至电池板和太阳光垂直为止。
（3）采用最大功率點跟踪（MPPT）技术：MPPT控制器及其算法提高光伏发电系统利用效率，让系统始终工作在最大输出功率点，可通过一个DC/DC变换器实现，可提高电能的转换效率。
8.太阳能电池材料的选择：根据对发电性能等因素的考虑，选择太阳能非晶硅薄膜电池，其弱光性发电性能也较好。
3.2检测系统的构造和工作原理
检测系统由固体光源、样品池、光敏传感器、数据采集器等组成。以ATMEGA AVR单片机作为系统的控制核心，含发光二极管模块、光电转换模块、信号放大电路、显示电路、按键电路和串口通信结构等部分，附带有一个样品比色池和本装置连接在一起（可在装置放一个支架便于容器取走和安上）。将此装置置于田地吸收太阳光照。根据其对磷农药的消解速度可知，在农药喷洒后3天后使小容器置于作物主干茎叶旁或者枝叶下方，选择稍微阴暗的部位以避免自然光的影响。取试样磨成汁液过滤后加水后将其汁液放人容器内，或将容器放置在作物叶片下面和紧贴茎干收集雨水检测其表面农药量。在检测前先加入少许检测所需用试剂溶液；同时，发光二极管的发光处应该对准试样容器，容器应该选择透光性好的材料以便于检测。
二极管发出波长为410nm蓝紫光，经过样品试剂，再进入硅光电池。待测样品与试剂在样品池中进行显色反应，反应后的颜色深度与农药残留有关。利用硅光电池检测透射光的强度，由信号放大电路对光敏传感器的输出信号进行放大、I/V转换，进入到单片机系统进行处理，计算出样品的吸光度值，并通过串口与计算机进行通信对所采集的数据进行进一步的处理。
根据酶抑制法的工作原理知，当农药残留量高的时候，酶的活性被抑制。待测样品与试剂在样品池中进行显色反应，反应后的液体颜色深度与农药残留相关。用二极管光照样品水解反应底物可知其对光最大吸收峰的波长在410nm附近，然后再测量出颜色变化的造成的吸光度之差，由吸光度之差后得到酶的抑制率。
3.3系统的硬件设备
系统的硬件设备就是数据采集装置，其功能为检测样品溶液的透光度，计算出样品对酶水解反应的抑制率，判断农药残留是否超标，再将测量结果显示LCD屏或从微型打印机输出，此外还具有与计算机联机通讯的功能。数据采集器是一个AT89S52微控制器为核心的智能测量系统，包括：光强测量通道系统，温度测量系统，微控制器，数据存储器和有关接口。
（1）控制器和光源
控制器采用1片Atmegal6微控制器作为控制核心，支持片内调试与编程，有片内振荡器的可编程定时器，一个SPI串行端口，以及六個可以通过软件进行选择的省电模式，符合节能的需求。
光源使用波长为410nm的固体发光管，在410nm的光谱波长段在该波长光谱段具有最大的吸收率，使用固体光源简化了光路的结构，降低了测量系统的成本。采用硅光电池检测透射光的强度，由数据采集器对传感器的输出信号进行采集和处理，计算出样品的吸光度值，并可通过串行通信电路将采集的数据实时地传送到电脑作进一步处理。为使发光二极管发光稳定，要求提供稳定的电流。
（2）温度传感器
系统中温度会影响酶的活性，造成抑制率测量不准确，最终导致农产品农药残留量的测量不准，酶在20～40℃时具有最佳的活性，灵敏度高；农药残留对酶的抑制作用明显。可利用温度传感器PM 611测量温度，使用红外线传感器，能接收物体发射出的红外线并使之转换成电压信号，工作温度是-20～+70℃，适合本试验的温度。且PM611各项指数都比较好，因此选用了它做温度仪的探头，校正系统的测量数据。 （3）光照显色信号转换和放大
光电二极管（硅光电池）受光照射后，产生光电子流，但其输出信号为电流信号，单片机的处理信号多为电压信号，因此需要进行I/V转换。I/V转换后的信号输送到单片机的引脚上。
3.4理论计算
测量出颜色变化的造成的吸光度之差，由吸光度之差可以得到酶的抑制率。酶的抑制率越高表示农药残留量越大。
（1）其中吸光度的定义为：A=lg（10/I）=lg（VO/V）
IO入射光强；I为透射光强；V0为人射在电池上的电压强度，v为出射光在电池上的电压强度。可得在410rim蓝紫光照之下吸光度为1.35.
（2）抑制率s的定义为：s=（（△A标准液A A待测样品）/AA标准液））×100%
△A标准液为标准液吸光度变化值，△A待测样品为一段时间内的吸光度的变化值，根据测得的抑制率确定农产品农药的残留量，查资料计算得酶抑制率小于50%是合格标准。
（3）价格能耗对比
网上报价得知，气相，液相色谱法仪器价格上万且能耗较高。液相色谱仪主机需要大块的电池，笨重不便携，完成检测需要供电30分钟。气相色谱仪总功率多在1500-2000w之间，耗电量每小时在至少在1.5-2度以上，堪比中型空調。此外色谱仪对电脑配置要求高，对检验材料花费多。本试验选用的非晶硅薄膜发电太阳能电池板的一套材料网上也仅需百来元。检测的原材料乙酰胆碱酶和显色剂配套500元一盒可以用250次，整套预算（不含电脑）也仅仅需要1000多块钱（且可以多次检测），此装置仅需要太阳能的供给，检测方便快捷，大大节省人力物力财力，实现节能减排的目的。
4.创新点及其应用
4.1优点和实用性
（1）可以在作物成熟前进行检测，源头上制止农残问题。
（2）将酶抑制法和单片机技术结合实现学科交叉。
（3）廉价，便携，可以在直接利用太阳能和取样检测。
（4）实现节能减排。
4.2升级与改进空间
作为一项实用技术，我们的设计处于较为基础的阶段，仍有较大的升级与改进空间。
（1）不能对多种农药检测
（2）不能實现全自动化控制
（3）转化效率不高
5.总结
由于装置仅仅处于设计和探讨阶段，目前成品也只是初步小规模试验进行效果测定，成本也只是大致估算。预计效果可直接反映在农产品质量的提高，以及农药使上，且该装置成本不高，易于推广。较传统检测方式而言，减少农药的使用量，避免作物成熟后进行检测，装置本身耗能也大幅度降低。