關(guān)于智能旋光檢測(cè)及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

0 引言

許多物質(zhì)具有旋光特性，對(duì)物質(zhì)的旋光特性進(jìn)行準(zhǔn)確地測(cè)量可以幫助分析該物質(zhì)的組成成分。蜂蜜是一類具有旋光特性的物質(zhì)，也是人們常用的營(yíng)養(yǎng)保健品，但市場(chǎng)上蜂蜜摻假情況很多。如能對(duì)蜂蜜摻假進(jìn)行檢測(cè)，則可以對(duì)大眾生活增加品質(zhì)保障。

為此，本文設(shè)計(jì)了一套智能旋光檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)由光源、起偏/檢偏、光敏傳感器、步進(jìn)電機(jī)、藍(lán)牙、液晶顯示屏、遠(yuǎn)程監(jiān)控等部分組成，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同物質(zhì)旋光特性的測(cè)量及測(cè)量數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程管理。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由光學(xué)部分、控制電路部分以及遠(yuǎn)程監(jiān)控等模塊組成。光學(xué)部分包括激光光源、光敏傳感器、起偏器和檢偏器。光源產(chǎn)生一束單色光，先經(jīng)由起偏器變?yōu)榫€偏振光，再經(jīng)樣品管出射，并透過檢偏器，最后到達(dá)光敏傳感器。控制電路部分采用STM32單片機(jī)作為控制核心，外圍有光敏A/D采樣電路、ULN2003步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、藍(lán)牙串口電路和LCD顯示屏控制電路。單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)檢偏器旋轉(zhuǎn)，光敏電阻接收的光強(qiáng)不同，其輸出電壓發(fā)生變化，根據(jù)馬呂斯定律，可以計(jì)算得出待測(cè)樣品的旋光度，并在LCD顯示屏上顯示測(cè)量數(shù)據(jù)。單片機(jī)通過藍(lán)牙將測(cè)量結(jié)果發(fā)送到手機(jī)，并用手機(jī)上的APP將測(cè)量數(shù)據(jù)上傳到Web服務(wù)器，這樣即可在任意地點(diǎn)管理測(cè)量的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵模塊

2.1 主控制器

為了使測(cè)量準(zhǔn)確，同時(shí)降低成本，本系統(tǒng)采用STM32F103C8T6單片機(jī)作為主控制器，該芯片最高工作頻率可達(dá)到72 MHz，具有512 KB的閃存以及64 KB的SRAM，豐富的片上資源大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)硬件，同時(shí)大大降低了系統(tǒng)功耗[1]，所有外設(shè)處于工作狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)消耗18 mA，待機(jī)時(shí)僅有2 μA[2]。該單片機(jī)集成了12位ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器[3]，轉(zhuǎn)換時(shí)間最小可達(dá)1 μs，轉(zhuǎn)換速度非常快。本系統(tǒng)配置ADC1工作在連續(xù)工作模式，采樣次數(shù)取100。即步進(jìn)電機(jī)每走一步，ADC采樣100次進(jìn)行平滑處理獲得該處采樣值，這增強(qiáng)了光強(qiáng)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，提高了本系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確性。同時(shí)該單片機(jī)擁有5 路USART(通用同步異步收發(fā)機(jī))接口[4]，可以很方便地和外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。在本系統(tǒng)中將USART1和USART2均配置為UART（通用異步收發(fā)）模式，波特率為9 600 b/s，可以方便可靠地與顯示屏和藍(lán)牙模塊進(jìn)行通信。

2.2 光敏傳感器及光源

采用光敏電阻作為光敏傳感器。光強(qiáng)采樣電路如圖2所示。圖中R為光敏電阻，R1為分壓用電阻，阻值為1 kΩ。將R與R1的中點(diǎn)接入單片機(jī)的ADC引腳進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)光敏電阻受到的光照強(qiáng)度不同時(shí)，其阻值不同，使得電阻R1上的壓降改變，這樣就可以通過單片機(jī)的ADC讀取到此時(shí)光強(qiáng)的變化。為使得在測(cè)試中光強(qiáng)最大時(shí)光敏電阻阻值仍可以線性變化，本系統(tǒng)選用的是環(huán)氧樹脂封裝硫化鎘(CdS)制成的可見光光敏電阻GL12528，直徑為12 mm，亮電阻約為560 kΩ，暗電阻約為2 MΩ。

為保證光在低透光率物質(zhì)中的穿透性，同時(shí)又保證光源長(zhǎng)期工作時(shí)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)采用激光器作為系統(tǒng)光源。激光器直徑為12 mm，在外加電壓3 V時(shí)，功率約為5 mW。使用時(shí)需要保證激光器水平以及各光學(xué)元件共軸。

2.3 檢偏器-步進(jìn)電機(jī)組合模塊

起偏器與檢偏器均選用φ20 mm的石英材質(zhì)圓形偏振片，以保證偏振效果。將檢偏器嵌入到一齒輪正中央，與起偏器共軸。設(shè)計(jì)制作時(shí)要確保檢偏器與所嵌套的齒輪共面，使檢偏器旋轉(zhuǎn)時(shí)始終與光路垂直，以保證測(cè)量精度。

為了能準(zhǔn)確地控制檢偏器旋轉(zhuǎn)的角度，本系統(tǒng)選用28BYJ型步進(jìn)電機(jī)來帶動(dòng)檢偏器旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度[5]。28BYJ型步進(jìn)電機(jī)其是四相八拍電機(jī)[6]，最小步進(jìn)角度為0.087 9°，驅(qū)動(dòng)電壓為12 V。由于單片機(jī)引腳輸出電流小，不足以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，因此本文通過ULN2003A驅(qū)動(dòng)芯片來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)[7]。需要注意的是，當(dāng)使電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)時(shí)，應(yīng)拉低驅(qū)動(dòng)端的4個(gè)引腳，而不是保持。

2.4 顯示屏

本系統(tǒng)采用USART HMI串口觸摸顯示屏進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出以及觸摸輸入，這樣既保證了數(shù)據(jù)顯示的直觀性，又提供了方便的操控性。該顯示屏通過串口收到單片機(jī)的指令后進(jìn)行顯示，同時(shí)可以把觸摸操作發(fā)送至單片機(jī)，以便單片機(jī)進(jìn)行處理。

2.5 遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊

遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊主要包含兩個(gè)部分：Web管理系統(tǒng) 和Android客戶端。

2.5.1 Web管理系統(tǒng)

Web管理系統(tǒng)使用PHP語言開發(fā)，圖3為系統(tǒng)架構(gòu)，圖4為系統(tǒng)界面。

Web管理系統(tǒng)由首頁(yè)、在線設(shè)備管理和數(shù)據(jù)管理三大部分組成。各部分的主要功能如下。

(1)首頁(yè)展示了部分檢測(cè)設(shè)備的實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)，以供大眾進(jìn)行查看、監(jiān)督。同時(shí)首頁(yè)提供了管理人員登錄通道，登錄到管理系統(tǒng)后可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行更高級(jí)的操作。

(2)在線設(shè)備頁(yè)面顯示了當(dāng)前在線設(shè)備的列表，支持遠(yuǎn)程對(duì)設(shè)備進(jìn)行測(cè)量操作，以及遠(yuǎn)程對(duì)設(shè)備的檢測(cè)參數(shù)進(jìn)行配置。

(3)數(shù)據(jù)管理頁(yè)面可供查看所有檢測(cè)的數(shù)據(jù)。支持按設(shè)備查看、按樣品查看和按地點(diǎn)查看的方式，方便管理人員對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行批量查看和操作。同時(shí)支持?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)出為Excel工作表以便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析。

2.5.2 Android程序

Android程序界面如圖5所示。使用Java語言開發(fā)，支持Android 4.0以上版本的手機(jī)，支持通過藍(lán)牙連接到檢測(cè)儀，連接成功后可以獲取檢測(cè)儀的狀態(tài)信息以及檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)，并支持通過按鈕控制單片機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，以及通過JSON上傳檢測(cè)數(shù)據(jù)到云端數(shù)據(jù)庫(kù)、從云端數(shù)據(jù)庫(kù)下載檢測(cè)數(shù)據(jù)到手機(jī)。

3 系統(tǒng)工作流程

本旋光檢測(cè)系統(tǒng)的工作流程如圖6所示。

開機(jī)后，第一步，系統(tǒng)對(duì)各模塊進(jìn)行初始化。先在樣品管中放入清水，對(duì)儀器進(jìn)行調(diào)零。此時(shí)單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)檢偏器不斷左旋，旋轉(zhuǎn)至光強(qiáng)最小處，表示此時(shí)起偏器與檢偏器處于垂直狀態(tài)，調(diào)零完成。第二步，在樣品管中放入待測(cè)物質(zhì)溶液，然后可以按照觸摸屏上的提示，設(shè)置當(dāng)前樣品編號(hào)并選擇開始測(cè)量。此時(shí)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)檢偏器進(jìn)行左旋掃描，如果單片機(jī)發(fā)現(xiàn)測(cè)得的光強(qiáng)逐漸減小，則當(dāng)前旋轉(zhuǎn)的方向就是物質(zhì)的旋光方向；如果發(fā)現(xiàn)光強(qiáng)逐漸增加，則當(dāng)前旋轉(zhuǎn)的方向不是物質(zhì)的旋光方向，再控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行右旋掃描。掃描至光強(qiáng)最小處，記錄此時(shí)旋轉(zhuǎn)過的角度即為旋光度。第三步，測(cè)量完成后，顯示屏顯示旋光度，然后可以按照屏幕指示通過藍(lán)牙將旋光度等數(shù)據(jù)發(fā)至手機(jī)。在手機(jī)上執(zhí)行數(shù)據(jù)上傳操作，此時(shí)數(shù)據(jù)將會(huì)通過Web寫入到云端的數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過計(jì)算機(jī)等瀏覽器訪問Web網(wǎng)站可以查看到測(cè)量結(jié)果。

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 馬呂斯定律驗(yàn)證

馬呂斯定律是定量描述光偏振現(xiàn)象的重要定律。當(dāng)一束自然光通過偏振片A和B，設(shè)偏振片間的透振方向夾角為θ，經(jīng)過起偏器A形成的線偏振光強(qiáng)度為I0，則通過檢偏器B的透射光強(qiáng)(相對(duì)光強(qiáng))I將滿足如下關(guān)系(馬呂斯定律)[8]：

在樣品管中放入清水，然后點(diǎn)擊屏幕進(jìn)入測(cè)試模式，此時(shí)步進(jìn)電機(jī)會(huì)帶動(dòng)檢偏器旋轉(zhuǎn)360°，同時(shí)保存旋轉(zhuǎn)過程中的角度和對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)值，并繪制出夾角θ在0～180°時(shí)與光強(qiáng)的關(guān)系曲線，如圖7所示。

由圖7曲線可知測(cè)量結(jié)果與理論相符，說明系統(tǒng)測(cè)量可靠。

4.2 蜂蜜摻假檢測(cè)

經(jīng)深入調(diào)研，市面上蜂蜜摻假較常用的手段有摻入果葡糖漿[9]、摻入蔗糖或果糖，或者使用糖類與明礬混合后經(jīng)過加熱勾兌成假蜂蜜等幾種方式。這些摻入的物質(zhì)和蜂蜜的旋光特性是存在差異的。本文利用設(shè)計(jì)的智能檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)蜂蜜及摻假蜂蜜樣品進(jìn)行了實(shí)際檢測(cè)。

圖8是蜂蜜及蜂蜜摻入蔗糖、果糖的檢測(cè)結(jié)果。從圖8中可以看出，原蜜的旋光特性與摻入蔗糖、果糖的旋光特性存在明顯差異，其左旋、右旋性質(zhì)及旋光度大小都不相同。由此可以對(duì)蜂蜜是否摻假及摻假類型進(jìn)行有效判定。對(duì)于蜂蜜摻入果葡糖漿的情形，也應(yīng)用本系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際檢測(cè)，可以進(jìn)行有效判定。

5 結(jié)論

本文基于物理光學(xué)原理，設(shè)計(jì)研制了一款利用單片機(jī)進(jìn)行智能控制的旋光檢測(cè)及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)包括光源、起偏/檢偏元件、光敏傳感器、步進(jìn)電機(jī)、LCD觸摸顯示模塊、不同規(guī)格的樣品測(cè)試管等控制測(cè)量元件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同物質(zhì)旋光特性的準(zhǔn)確測(cè)量?；贏ndroid和PHP的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)樣品檢測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程管理和監(jiān)控，數(shù)據(jù)查詢速度快，管理方便。

將設(shè)計(jì)研制的系統(tǒng)用于蜂蜜檢測(cè)，針對(duì)市場(chǎng)上常見的蜂蜜摻假類型，如在原蜜中摻入蔗糖、果糖、果葡糖漿以及明礬勾兌等，實(shí)際檢測(cè)結(jié)果表明系統(tǒng)可以有效檢測(cè) 蜂蜜是否摻假并判定摻假類型。

與傳統(tǒng)手動(dòng)旋光儀相比，本智能旋光檢測(cè)系統(tǒng)克服了采用半波片產(chǎn)生三分視界方法存在的人為經(jīng)驗(yàn)誤差大、測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)的弊端[10]。與傳統(tǒng)的蜂蜜檢測(cè)采用的高效液相色譜示差折光法、碳穩(wěn)定同位素分析法、核磁共振法等[11-14]相比，本智能旋光檢測(cè)系統(tǒng)操作便捷，結(jié)果可靠。此外，遠(yuǎn)程監(jiān)控管理功能可為食品安全部門對(duì)蜂蜜質(zhì)量的監(jiān)測(cè)提供有效幫助。