基于嵌入式的食品中重金屬光電檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雷 鋼，孫建延，路銀川

(中州大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，鄭州 450044)

重金屬指密度大于5g/cm3的金屬，常見的有Hg、As、Ag、Ni、Pb、Cr、Co、Cu、Cd、Au 等 45 種，其中對(duì)人體危害最大的有 Hg、Pb、Cd、Cr、As 等。［1］這類重金屬在人體內(nèi)能和蛋白質(zhì)及各種酶發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，使它們失去活性;也可能在人體的某些器官中累積，如果超過人體所能耐受的限度，就會(huì)對(duì)人體造成危害。僅僅通過簡單蒸煮、浸泡或清洗不能去除食品中的重金屬。［2］因此，隨著我國工業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，提高食品中重金屬快速檢測(cè)技術(shù)水平具有重要意義。

1 傳統(tǒng)重金屬污染定量檢測(cè)方法

目前，國內(nèi)外對(duì)重金屬的檢測(cè)方法一般需要經(jīng)過長時(shí)間和復(fù)雜的樣品前處理過程，而且所使用的檢測(cè)儀器(如原子吸收分光光度計(jì)、原子熒光光度計(jì)、氣相色譜、高壓液相色譜等)雖然最低檢測(cè)濃度低、測(cè)試靈敏度高，但價(jià)格昂貴，操作、維護(hù)復(fù)雜，測(cè)試成本高。

傳統(tǒng)的重金屬定量檢測(cè)方法主要有原子吸收光譜法、紫外可見分光光度法、原子熒光光譜法、X射線熒光光譜法和電感耦合等離子體質(zhì)譜法五種。［3］

(1)原子吸收光譜法是依據(jù)自由基態(tài)原子對(duì)特征輻射光的共振吸收，通過測(cè)量輻射光的減弱程度，求出樣品中被測(cè)元素的含量。該法對(duì)分析食品中的Pb、Cd、Zn、Cu等重金屬元素有較高的靈敏度。

(2)原子熒光光譜法是特定頻率的輻射能激發(fā)待測(cè)元素的原子蒸汽并產(chǎn)生熒光，通過測(cè)量該熒光的發(fā)射強(qiáng)度進(jìn)而得到對(duì)應(yīng)元素含量。該法靈敏度高于原子吸收光譜法，線性范圍較寬。

(3)X射線熒光光譜法是利用待測(cè)樣品對(duì)X射線的吸收情況獲得對(duì)應(yīng)元素含量。該法分析相對(duì)快速、樣品前處理簡單、譜線簡單、光譜干擾少。

(4)電感耦合等離子體質(zhì)譜法具有線性范圍廣、分析速度快、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，可給出相關(guān)同位素的信息，并能進(jìn)行同位素的示蹤研究。

(5)紫外可見分光光度法是在特定波長下比色檢測(cè)。顯色劑與待測(cè)重金屬發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，產(chǎn)生有色分析液，通過分析液顏色深淺得到對(duì)應(yīng)元素含量。本文光電比色檢測(cè)方法就是基于分光光度法原理實(shí)現(xiàn)的。

2 光電比色法重金屬檢測(cè)原理

比色法是以可見光作光源，以生成有色化合物的顯色反應(yīng)為基礎(chǔ)，通過比較或測(cè)量有色物質(zhì)溶液顏色深度來確定待測(cè)組分含量的方法。比色分析對(duì)顯色反應(yīng)的基本要求是:反應(yīng)具有較高的靈敏度和選擇性;生成的有色化合物的組成恒定且較穩(wěn)定，它和顯色劑的顏色差別較大。選擇適當(dāng)?shù)娘@色反應(yīng)和控制好適宜的反應(yīng)條件，是比色分析的關(guān)鍵。

光電比色法測(cè)量原理是基于朗伯—比爾定律。當(dāng)一束平行單色光通過均勻的有色溶液時(shí)，溶液的吸光度與吸光溶液濃度及溶液厚度的乘積成正比。其檢測(cè)原理如下:樣品經(jīng)前期處理消化后，所有形態(tài)的重金屬(包括砷、鉛、鎘、鉻、汞、鎳、鐵、鋁、鋅、錳、銅等)都轉(zhuǎn)化為離子型態(tài)，在近中性條件下加入相關(guān)檢測(cè)試劑后與溶液中重金屬作用，在一定濃度范圍內(nèi)溶液顏色的深淺與重金屬的含量呈比例關(guān)系。在光電比色計(jì)上測(cè)量一系列標(biāo)準(zhǔn)溶液的吸光度，將吸光度對(duì)濃度作圖，繪制工作曲線，然后根據(jù)待測(cè)組分溶液的吸光度在工作曲線上查得其濃度或含量。光電比色計(jì)通常由光源(鎢燈)、濾光片、吸收池、接收器(光電池或光電管)、檢流計(jì)等五部分組成。光通路測(cè)量示意圖如圖1所示。與目視比色法相比，光電比色法消除了主觀誤差，提高了測(cè)量準(zhǔn)確度，而且可以通過選擇濾光片和參比溶液來消除干擾，從而提高了選擇性。

圖1 光通路測(cè)量示意圖

3 基于光電傳感方法的食品中重金屬檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

檢測(cè)控制系統(tǒng)硬件功能組成框圖如圖2所示。檢測(cè)系統(tǒng)通過鍵盤和漢字液晶顯示器與使用者交互，提示測(cè)量步驟，顯示測(cè)量結(jié)果;測(cè)量或分析的結(jié)果可以通過打印機(jī)接口在微型打印機(jī)上打印輸出;系統(tǒng)通過RS232串行接口與微機(jī)通信，把測(cè)量數(shù)據(jù)送入上位機(jī)，建立數(shù)據(jù)庫;通過日歷時(shí)鐘模塊(DS1302)記錄測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)間;通過數(shù)字溫度傳感器(DS18B20)提取當(dāng)前溫度信息。

圖2 檢測(cè)控制系統(tǒng)硬件功能結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)要求存儲(chǔ)器模塊里要包括一定容量的RAM和相當(dāng)容量的FLASH用來存放液晶顯示數(shù)據(jù)、打印數(shù)據(jù)以及測(cè)量過程中的測(cè)量數(shù)據(jù)、運(yùn)算數(shù)據(jù)、結(jié)果數(shù)據(jù)等。FLASH中要存放整個(gè)測(cè)量及控制程序、參數(shù)數(shù)據(jù)、漢字庫、對(duì)數(shù)和反對(duì)數(shù)表等。

系統(tǒng)限于篇幅，只針對(duì)重金屬成分檢測(cè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行電路說明，其他如LCD顯示、鍵盤控制、時(shí)鐘模塊電路、RS232接口及打印機(jī)接口都是采用通用接口電路設(shè)計(jì)，可參考相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行移植即可。

3.1 系統(tǒng)光控制電路設(shè)計(jì)

重金屬成分測(cè)量關(guān)鍵環(huán)節(jié)是光控制電路設(shè)計(jì)，包括光源燈泡選擇、光路控制、光電傳感器的選型與采樣轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)等。

(1)光源選擇

為了提高測(cè)試精度，特別是滿足紫光測(cè)量所需光強(qiáng)，發(fā)光燈泡選擇使用6V6W的鹵素?zé)簦?shí)際測(cè)定了這種鹵素?zé)粼诓煌妷合碌膬?nèi)阻與電流參數(shù)。

(2)光電檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

光電檢測(cè)器采用美國TI公司生產(chǎn)的TSL系列光電傳感元件TSL230，該元件使用硅光電二極管來測(cè)量光強(qiáng)，可測(cè)性好，具有響應(yīng)快(us級(jí))、重復(fù)性和穩(wěn)定性高、不易老化和疲勞的優(yōu)點(diǎn);元件是單芯片高分辨率光/頻轉(zhuǎn)換器件，無需其他外部器件;可與MCU直接連接，輸出的頻率信號(hào)可以直接被MCU采集，不需要信號(hào)放大和AD轉(zhuǎn)換系統(tǒng);靈敏度可編程控制，增益共有1倍、10倍和100倍3種級(jí)別，增益為100倍時(shí)的感光面積是增益為1倍時(shí)的100倍;輸出方波信號(hào)頻率可編程控制，進(jìn)行1，2，10和100分頻。

系統(tǒng)使用MSP430內(nèi)部兩個(gè)16位定時(shí)器TA、TB，具有多路比較/捕獲通道。與TA相比，TB在捕獲比較模塊中增加了比較鎖存器。系統(tǒng)中使用TA定時(shí)器捕獲外來脈沖信號(hào)，TB用于定時(shí)。檢測(cè)器TSL230頻率信號(hào)輸出端與MSP430的TA相連，當(dāng)TSL230接收到外部光強(qiáng)，并把光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)被TA端捕獲，在TB設(shè)定的時(shí)間內(nèi)，單片機(jī)對(duì)捕獲的信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，光強(qiáng)與計(jì)數(shù)值正比對(duì)應(yīng)。分頻和增益調(diào)整通過MSP430的4根口線靈活控制。

(3)光強(qiáng)控制電路設(shè)計(jì)

在重金屬成分測(cè)量中，最為關(guān)鍵的是光強(qiáng)控制。不同的測(cè)量成分要求使用不同顏色的濾光片來獲得所需單色光，不同顏色的濾光片對(duì)光強(qiáng)的削弱作用相差很大。為了提高測(cè)量精度，使得在不同的濾光片下，都能得到必要的光強(qiáng)，并且光電傳感器的輸出又都能在線性范圍內(nèi)，就需要根據(jù)所采用濾光片的顏色來改變鹵素?zé)舻墓鈴?qiáng)，即要求鹵素?zé)綦娏鞯拇笮】梢钥刂疲易畲髴?yīng)能經(jīng)受1A的電流。

根據(jù)以上要求及考慮價(jià)格因素，確定采用MOSFET來控制光強(qiáng)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)調(diào)試和改進(jìn)設(shè)計(jì)了一種簡單而又切實(shí)可行的光強(qiáng)控制電路，如圖3所示。

開始時(shí)，光強(qiáng)控制電路的燈泡電源直接采用VDD控制，如圖3中實(shí)線部分。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)通過MCU調(diào)節(jié)數(shù)字電位計(jì)1改變VGS，把流過鹵素?zé)舻碾娏鞫ㄔ谀骋粡?qiáng)度之后，光電傳感器的輸出并不能穩(wěn)定在某個(gè)值的周圍，而是在一個(gè)不小的范圍內(nèi)漂動(dòng)，往往是持續(xù)上升，繼而持續(xù)下降，周而復(fù)始。說明光強(qiáng)在微觀上是波動(dòng)的，這種波動(dòng)直接影響到測(cè)量精度，并且光強(qiáng)較強(qiáng)時(shí)，波動(dòng)相對(duì)較小，但強(qiáng)光會(huì)導(dǎo)致燈泡長時(shí)間工作在大電流下，會(huì)引起熱副作用。

圖3 光強(qiáng)控制電路

在對(duì)燈泡工作電流、電壓以及光強(qiáng)的反復(fù)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，經(jīng)研究與分析發(fā)現(xiàn):在一定范圍內(nèi)，光電傳感器的光電壓輸出與光源的輻射度呈線性關(guān)系，在光照面積不變的情況下，輻射度不是直接取決于燈泡的電流，而是與燈泡的發(fā)光功率有關(guān)。因此，設(shè)計(jì)中需要在一定的測(cè)量條件下使燈泡的發(fā)光功率基本不變。根據(jù)燈泡工作電流可調(diào)，并且在某一工作電流下燈泡的發(fā)光功率穩(wěn)定的原則，對(duì)原光強(qiáng)控制電路進(jìn)行了修改，采用可調(diào)的DC-DC模塊代替直接VDD燈泡供電模式，如圖3虛線部分電路。

以MCU控制下的數(shù)字電位計(jì)和普通MOSFET構(gòu)成光強(qiáng)控制電路，用數(shù)字電位計(jì)2調(diào)整可調(diào)DCDC電源模塊的輸出電源電壓，其目的是控制加在燈泡和MOSFET上的總電壓;用數(shù)字電位計(jì)1調(diào)節(jié)MOSFET的柵源電壓VGS，可以為MOSFET選擇工作曲線，如圖4所示。

首先根據(jù)所用MOSFET的特性，MCU調(diào)節(jié)數(shù)字電位計(jì)1為MOSFET選擇一條合適的工作曲線，即該曲線在可變電阻區(qū)應(yīng)有一定的陡度。然后根據(jù)不同的測(cè)量項(xiàng)目，MCU調(diào)整數(shù)字電位計(jì)2，從而調(diào)整加在燈泡和MOSFET上的電壓，使MOSFET的工作點(diǎn)落在該曲線上可變電阻區(qū)段的某一點(diǎn)，在這個(gè)區(qū)域里，MOSFET的漏極電流ID隨漏源電壓VDS的增加而線性上升。一般情況，紫光測(cè)量時(shí)，工作點(diǎn)位置較高，以便獲得較大的漏極電流ID，亦即燈泡電流;而紅光測(cè)量時(shí)，工作點(diǎn)位置較低，可獲得較小的ID。

圖4 MOSFET的特性曲線

一旦根據(jù)不同的測(cè)量項(xiàng)目選定了工作點(diǎn)，如何在燈泡電流相對(duì)穩(wěn)定的情況下，使燈泡的發(fā)光功率始終穩(wěn)定?顯然，人工難以控制這種隨機(jī)的變化，這里可以利用MOSFET本身的工作特性來補(bǔ)償ID和V燈的波動(dòng)。設(shè)工作點(diǎn)選在圖4中的A點(diǎn)，它所對(duì)應(yīng)的工作電流為ID，漏源電壓為VDS，則V燈等于電源電壓減去VDS。燈泡的消耗功率P燈=ID×V燈。在工作過程中，當(dāng)燈泡散熱少于獲得的熱量時(shí)，燈泡溫度升高，燈泡電阻R燈隨溫度微增，燈泡上的電壓V燈隨之升高，導(dǎo)致MOSFET的VDS自行下降，即工作點(diǎn)沿曲線微微下移，MOSFET自然以新的、微降的ID工作，結(jié)果使P燈=ID×V燈基本保持不變;反之亦然。事實(shí)證明，這種自行微調(diào)的方法能在測(cè)量的過程中動(dòng)態(tài)地穩(wěn)定光強(qiáng)，從而保證了光電傳感器輸出光電壓的穩(wěn)定，為重金屬成分的高精度測(cè)量奠定了基礎(chǔ)。

在這種方式下，我們經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，找到了在各種不同測(cè)量項(xiàng)目下最佳的工作參數(shù)，在大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，最后確定各測(cè)量項(xiàng)目的具體測(cè)量方法與計(jì)算公式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在紫色光測(cè)量時(shí)，精度可達(dá)0.1%～0.4%，紅色光測(cè)量時(shí)精度可達(dá)0.2%～0.4%，綠色光測(cè)量時(shí)精度可達(dá)0.3% ～0.8%，超過國家標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 嵌入式控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件采用C語言編寫，在MSP430 IAR Embedded Workbench for MSP430集成開發(fā)環(huán)境編譯調(diào)試。

儀器控制軟件具有測(cè)量樣品、設(shè)置測(cè)量條件、保存和統(tǒng)計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)、顯示和打印測(cè)量結(jié)果及PC機(jī)聯(lián)機(jī)等功能。儀器使用時(shí)，系統(tǒng)控制操作由LCD顯示的用戶界面菜單驅(qū)動(dòng)，當(dāng)與PC機(jī)聯(lián)機(jī)后，系統(tǒng)控制操作由PC機(jī)發(fā)來的命令驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)整體控制流程如圖5所示。

設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)包括串行口接口參數(shù)、日期參數(shù)等;設(shè)置測(cè)量條件模塊中選定測(cè)量項(xiàng)目，對(duì)所選的測(cè)量項(xiàng)目設(shè)定具體參數(shù);測(cè)量模塊完成參比測(cè)量、測(cè)量樣品和計(jì)算含量等任務(wù)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

采用一種聯(lián)合消化的方法，只消化一個(gè)樣品便可同時(shí)測(cè)定幾種重金屬元素(鉛、砷、鉻、鎘)的含量。由于汞在高溫下容易揮發(fā)，所以對(duì)汞進(jìn)行單獨(dú)消化。

圖5 控制軟件的整體流程圖

采用IRIS儀器及本系統(tǒng)檢測(cè)儀器分別對(duì)西紅柿、洋蔥、茄子3種蔬菜中的重金屬砷、鉛、鉻、鎘、汞進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見表1。國標(biāo)方法依據(jù)是JY/T 015-1996感耦等離子體原子發(fā)射光譜法通則。

實(shí)驗(yàn)表明，測(cè)量誤差符合國標(biāo)要求，能夠達(dá)到檢測(cè)出國家所規(guī)定安全蔬菜的標(biāo)準(zhǔn)。并且和常規(guī)方法比較起來，具有快速、簡便等優(yōu)點(diǎn)，大大縮短了消化時(shí)間和整體測(cè)試時(shí)間。

5 結(jié)束語

本檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了光源恒功率技術(shù)和光強(qiáng)自動(dòng)調(diào)整技術(shù)，使光強(qiáng)按照不同波長自動(dòng)調(diào)整到最佳狀態(tài)并穩(wěn)定不變，儀器的穩(wěn)定性、測(cè)量精度有了極大提高。使用本檢測(cè)儀器，可以較好地檢測(cè)出食品中常見的重金屬。當(dāng)然，要解決食品中重金屬污染問題，需要建立一個(gè)多層次的監(jiān)控體系，首先要控制重金屬污染源，其次要切實(shí)執(zhí)行相關(guān)環(huán)境保護(hù)法規(guī)，再次要完善重金屬污染的監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)，最后要努力提高食品中重金屬污染的監(jiān)測(cè)水平。［4］

表1 3種蔬菜中重金屬檢測(cè)結(jié)果

［1］程望斌，周勇.食品中常見的重金屬污染及檢測(cè)方法研究［J］.湖南理工學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012(9):69-72.

［2］王書言，檀尊社.淺談農(nóng)產(chǎn)品中重金屬檢測(cè)技術(shù)發(fā)展［J］.河南農(nóng)業(yè)，2009(4):39-40.

［3］駱新崢.食品中常見的重金屬污染及檢測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展［J］.質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督研究，2010(6):39-43，49.

［4］呂彩云.重金屬檢測(cè)方法研究綜述［J］.資源開發(fā)與市場(chǎng)，2008，24(10):887-890.