便攜式快速農藥殘留檢測儀的低功耗設計研究

摘要 農藥殘留及對應污染物的產生會引起環境及食品安全問題，受到了人們的廣泛重視。本文設計了一種便攜式快速農藥殘留檢測儀，選用STM32L432K芯片作為主控芯片，根據要求配置高速、等待和停機三種運行模式，具有小型化、低功耗的特征，適用于農貿市場中對蔬果進行農殘抽查。本文對儀器在不同模式下的硬件耗電情況進行分析和測試，并提出了注意事項與后續改進意見。

【關鍵詞】農藥殘留 檢測儀 低功耗

農藥在現代農業生產中發揮著重要的作用，但是大部分的農藥都有劇毒、特別是其在生態環境中的富集作用導致了急性中毒事件頻發。本項目組研發的便攜式農藥殘留檢測儀是M100型8通道檢測儀的升級版，是移動便攜式單通道農藥殘留快速檢測儀，其設計目的是讓農貿市場管理人員隨時隨地抽檢農貿市場中蔬果的農藥殘留情況。鑒于此，本文主要從降低儀器整機功耗方面入手改進檢測儀。

1 設計要求

系統利用9V層疊電池進行供電，通過低功耗DC-DC模塊進行穩壓，為主機系統以及光源發生與檢測系統提供電流。設計要求中明確，單節電池需滿足儀器1個月內使用三次，每次抽查十批樣品的需求。

根據設計要求設計系統硬件框圖如圖l所示。

2 硬件功耗分析與實驗

根據分析，本儀器約每天檢測1次，每次檢測時間為180秒，加上人機輸入參數等過程，每次檢測約需300秒。之后進入等待模式，低功耗段碼液晶繼續顯示其余外設關閉等待約300秒，等待模式時若有外部操作，系統能無縫切換至高速模式。剩余時間系統停機，需由外部按鍵喚醒。因此可以推算出本系統模擬運行環境如下：高速運行300秒，等待模式300秒，停機運行時間為24*60*60=86400-600= 86000秒。因此本機的高速、等待和停機模式占比為3 00/300/86000，約為1/1/287。

2.1 測試環境

為達到設計低功耗要求，本系統選用STM32L432K芯片作為主控芯片，CPU供電電壓1.8V。此芯片內置低功耗段碼液晶控制器，在等待模式中能保持LCD顯示，正好能滿足本次設計要求。

測試環境使用Alkaline 9V層疊電池作為供電電源，其參數如下：電池容量625mAh，自放電率0 3%/月，最大放電電流200mA。根據要求配置三種運行模式：高速模式、等待模式和停機模式。

2.2 高速模式

為節省功耗，在高速運行模式中也需要關閉其他不必要外設，僅開啟簡單定時器TIM15，與TIM16。需要注意的是，本芯片中高級定時器的功耗大大高于簡單定時器、可達0.65mA，低功耗應用中應盡量避免使用高級定時器。ADC使用低速lOksps模式，降低功耗。高速模式對所有外設供電，光通路部分消耗電流最多，約80mA左右，外設總功耗經過測量為97.35mA。根據表l計算可得高速模式總功耗為107.46mA。

2.3 等待模式

等待模式中系統僅維持低功耗液晶顯示，其目的是能夠快速響應并無縫恢復至高速模式。消耗電流情況為LSI_ LCD0.32μA，電源管理1.1μA，外設30μA。根據表1計算可得，此模式總耗電為32.43μA。

2.4 停機模式

停機模式時，系統斷開外設供電，主控芯片進入外部喚醒模式，CPU頻率降低為O，關閉不必要的芯片內部電路，主芯片停機耗電約為2.02nA，加上其他外設待機電流2μA，系統停機模式下電流約為2μA。所以可以根據此參數推算出電池供電時間。

2.5 總功耗計算

根據計算，系統平均電流為374.36μA，通過代入電池壽命計算公式，計算得出理論上利用一節9V層疊電池約能夠運行69天l小時，在實際的測試環境中測量得系統約可運行57天左右，達到并遠超設計要求，儀器順利通過驗收。各模式下硬件耗電測試表如表1所示。

3 系統軟件設計

本儀器低功耗軟件流程如圖2所示。系統上電后進入停機模式，當外部按鍵喚醒儀器后，切換至高速模式，外接設備通電。儀器進入參數設置界面，操作人員根據顯示屏提示進行農藥殘留檢測。檢測結束后，系統進入低功耗等待模式，外設斷電，段碼液晶繼續顯示，此時任意外部輸入能使儀器無縫切換至高速模式。若300秒內無任何輸入，則系統自動切換至停機模式。

4 研究心得與改進方案

在本次研發中，發現STM32L432K芯片的SLEEP模式很容易實現，可以由中斷喚醒，但直接進入SLEEP模式省電較少，需要配合時鐘的關閉來節電。不需要用到的外設、例如USART等外設，關閉其時鐘，能進一步的節約能耗。

STOP模式需要外部中斷喚醒，配合RTC報警喚醒使用更加靈活。但應用中有一個問題需要注意：在ADC數據采樣的應用場合，若使用STOP模式，STOP喚醒的周期并不是很固定。分析原因，應該是喚醒后時鐘重啟造成的AD采樣不穩定，解決辦法為增加喚醒延時，丟棄起始時DMA采集數據。

本系統今后將考慮繼續改進儀器的小型化與低功耗設計，后續修改中應針對檢測中消耗功率較高的光通路部分做低功耗優化以達到更長的待機時間目的。

參考文獻

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