摘要 農(nóng)藥殘留及對應污染物的產(chǎn)生會引起環(huán)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(nóng)藥殘留檢測儀，選用STM32L432K芯片作為主控芯片，根據(jù)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(nóng)貿(mào)市場中對蔬果進行農(nóng)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(xù)改進意見。

【關鍵詞】農(nóng)藥殘留 檢測儀 低功耗

農(nóng)藥在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用，但是大部分的農(nóng)藥都有劇毒、特別是其在生態(tài)環(huán)境中的富集作用導致了急性中毒事件頻發(fā)。本項目組研發(fā)的便攜式農(nóng)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(nóng)藥殘留快速檢測儀，其設計目的是讓農(nóng)貿(mào)市場管理人員隨時隨地抽檢農(nóng)貿(mào)市場中蔬果的農(nóng)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(tǒng)利用9V層疊電池進行供電，通過低功耗DC-DC模塊進行穩(wěn)壓，為主機系統(tǒng)以及光源發(fā)生與檢測系統(tǒng)提供電流。設計要求中明確，單節(jié)電池需滿足儀器1個月內(nèi)使用三次，每次抽查十批樣品的需求。

根據(jù)設計要求設計系統(tǒng)硬件框圖如圖l所示。

2 硬件功耗分析與實驗

根據(jù)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?yún)?shù)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(xù)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(tǒng)能無縫切換至高速模式。剩余時間系統(tǒng)停機，需由外部按鍵喚醒。因此可以推算出本系統(tǒng)模擬運行環(huán)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(huán)境

為達到設計低功耗要求，本系統(tǒng)選用STM32L432K芯片作為主控芯片，CPU供電電壓1.8V。此芯片內(nèi)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(huán)境使用Alkaline 9V層疊電池作為供電電源，其參數(shù)如下：電池容量625mAh，自放電率0 3%/月，最大放電電流200mA。根據(jù)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(jié)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(jīng)過測量為97.35mA。根據(jù)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(tǒng)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(jù)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(tǒng)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(nèi)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(tǒng)停機模式下電流約為2μA。所以可以根據(jù)此參數(shù)推算出電池供電時間。

2.5 總功耗計算

根據(jù)計算，系統(tǒng)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(jié)9V層疊電池約能夠運行69天l小時，在實際的測試環(huán)境中測量得系統(tǒng)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(tǒng)軟件設計

本儀器低功耗軟件流程如圖2所示。系統(tǒng)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?yún)?shù)設置界面，操作人員根據(jù)顯示屏提示進行農(nóng)藥殘留檢測。檢測結(jié)束后，系統(tǒng)進入低功耗等待模式，外設斷電，段碼液晶繼續(xù)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(nèi)無任何輸入，則系統(tǒng)自動切換至停機模式。

4 研究心得與改進方案

在本次研發(fā)中，發(fā)現(xiàn)STM32L432K芯片的SLEEP模式很容易實現(xiàn)，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(jié)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(jié)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(shù)據(jù)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(wěn)定，解決辦法為增加喚醒延時，丟棄起始時DMA采集數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)今后將考慮繼續(xù)改進儀器的小型化與低功耗設計，后續(xù)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(yōu)化以達到更長的待機時間目的。

參考文獻

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