摘要 農(nóng)藥殘留及對(duì)應(yīng)污染物的產(chǎn)生會(huì)引起環(huán)境及食品安全問(wèn)題，受到了人們的廣泛重視。本文設(shè)計(jì)了一種便攜式快速農(nóng)藥殘留檢測(cè)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(jī)三種運(yùn)行模式，具有小型化、低功耗的特征，適用于農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)中對(duì)蔬果進(jìn)行農(nóng)殘抽查。本文對(duì)儀器在不同模式下的硬件耗電情況進(jìn)行分析和測(cè)試，并提出了注意事項(xiàng)與后續(xù)改進(jìn)意見(jiàn)。

【關(guān)鍵詞】農(nóng)藥殘留 檢測(cè)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(dǎo)致了急性中毒事件頻發(fā)。本項(xiàng)目組研發(fā)的便攜式農(nóng)藥殘留檢測(cè)儀是M100型8通道檢測(cè)儀的升級(jí)版，是移動(dòng)便攜式單通道農(nóng)藥殘留快速檢測(cè)儀，其設(shè)計(jì)目的是讓農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)管理人員隨時(shí)隨地抽檢農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)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(jī)功耗方面入手改進(jìn)檢測(cè)儀。

1 設(shè)計(jì)要求

系統(tǒng)利用9V層疊電池進(jìn)行供電，通過(guò)低功耗DC-DC模塊進(jìn)行穩(wěn)壓，為主機(jī)系統(tǒng)以及光源發(fā)生與檢測(cè)系統(tǒng)提供電流。設(shè)計(jì)要求中明確，單節(jié)電池需滿足儀器1個(gè)月內(nèi)使用三次，每次抽查十批樣品的需求。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件框圖如圖l所示。

2 硬件功耗分析與實(shí)驗(yàn)

根據(jù)分析，本儀器約每天檢測(cè)1次，每次檢測(cè)時(shí)間為180秒，加上人機(jī)輸入?yún)?shù)等過(guò)程，每次檢測(cè)約需300秒。之后進(jìn)入等待模式，低功耗段碼液晶繼續(xù)顯示其余外設(shè)關(guān)閉等待約300秒，等待模式時(shí)若有外部操作，系統(tǒng)能無(wú)縫切換至高速模式。剩余時(shí)間系統(tǒng)停機(jī)，需由外部按鍵喚醒。因此可以推算出本系統(tǒng)模擬運(yùn)行環(huán)境如下：高速運(yùn)行300秒，等待模式300秒，停機(jī)運(yùn)行時(shí)間為24*60*60=86400-600= 86000秒。因此本機(jī)的高速、等待和停機(jī)模式占比為3 00/300/86000，約為1/1/287。

2.1 測(cè)試環(huán)境

為達(dá)到設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)要求。

測(cè)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(yùn)行模式：高速模式、等待模式和停機(jī)模式。

2.2 高速模式

為節(jié)省功耗，在高速運(yùn)行模式中也需要關(guān)閉其他不必要外設(shè)，僅開(kāi)啟簡(jiǎn)單定時(shí)器TIM15，與TIM16。需要注意的是，本芯片中高級(jí)定時(shí)器的功耗大大高于簡(jiǎn)單定時(shí)器、可達(dá)0.65mA，低功耗應(yīng)用中應(yīng)盡量避免使用高級(jí)定時(shí)器。ADC使用低速lOksps模式，降低功耗。高速模式對(duì)所有外設(shè)供電，光通路部分消耗電流最多，約80mA左右，外設(shè)總功耗經(jīng)過(guò)測(cè)量為97.35mA。根據(jù)表l計(jì)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(yīng)并無(wú)縫恢復(fù)至高速模式。消耗電流情況為L(zhǎng)SI_ LCD0.32μA，電源管理1.1μA，外設(shè)30μA。根據(jù)表1計(jì)算可得，此模式總耗電為32.43μA。

2.4 停機(jī)模式

停機(jī)模式時(shí)，系統(tǒng)斷開(kāi)外設(shè)供電，主控芯片進(jìn)入外部喚醒模式，CPU頻率降低為O，關(guān)閉不必要的芯片內(nèi)部電路，主芯片停機(jī)耗電約為2.02nA，加上其他外設(shè)待機(jī)電流2μA，系統(tǒng)停機(jī)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(shí)間。

2.5 總功耗計(jì)算

根據(jù)計(jì)算，系統(tǒng)平均電流為374.36μA，通過(guò)代入電池壽命計(jì)算公式，計(jì)算得出理論上利用一節(jié)9V層疊電池約能夠運(yùn)行69天l小時(shí)，在實(shí)際的測(cè)試環(huán)境中測(cè)量得系統(tǒng)約可運(yùn)行57天左右，達(dá)到并遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)要求，儀器順利通過(guò)驗(yàn)收。各模式下硬件耗電測(cè)試表如表1所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本儀器低功耗軟件流程如圖2所示。系統(tǒng)上電后進(jìn)入停機(jī)模式，當(dāng)外部按鍵喚醒儀器后，切換至高速模式，外接設(shè)備通電。儀器進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面，操作人員根據(jù)顯示屏提示進(jìn)行農(nóng)藥殘留檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)束后，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗等待模式，外設(shè)斷電，段碼液晶繼續(xù)顯示，此時(shí)任意外部輸入能使儀器無(wú)縫切換至高速模式。若300秒內(nèi)無(wú)任何輸入，則系統(tǒng)自動(dòng)切換至停機(jī)模式。

4 研究心得與改進(jìn)方案

在本次研發(fā)中，發(fā)現(xiàn)STM32L432K芯片的SLEEP模式很容易實(shí)現(xiàn)，可以由中斷喚醒，但直接進(jìn)入SLEEP模式省電較少，需要配合時(shí)鐘的關(guān)閉來(lái)節(jié)電。不需要用到的外設(shè)、例如USART等外設(shè)，關(guān)閉其時(shí)鐘，能進(jìn)一步的節(jié)約能耗。

STOP模式需要外部中斷喚醒，配合RTC報(bào)警喚醒使用更加靈活。但應(yīng)用中有一個(gè)問(wèn)題需要注意：在ADC數(shù)據(jù)采樣的應(yīng)用場(chǎng)合，若使用STOP模式，STOP喚醒的周期并不是很固定。分析原因，應(yīng)該是喚醒后時(shí)鐘重啟造成的AD采樣不穩(wěn)定，解決辦法為增加喚醒延時(shí)，丟棄起始時(shí)DMA采集數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)今后將考慮繼續(xù)改進(jìn)儀器的小型化與低功耗設(shè)計(jì)，后續(xù)修改中應(yīng)針對(duì)檢測(cè)中消耗功率較高的光通路部分做低功耗優(yōu)化以達(dá)到更長(zhǎng)的待機(jī)時(shí)間目的。

參考文獻(xiàn)

[1]徐自遠(yuǎn).基于手機(jī)功能的圖形化編程運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].信息化研究，2017，43 （05）：72-78.

[2]姜明輝，李洪斌，嚴(yán)春.一種低功耗智能待機(jī)控制技術(shù)[J].數(shù)字通信世界，2018 （08）：27+22.