0 引言

許多物質(zhì)具有旋光特性,，對物質(zhì)的旋光特性進(jìn)行準(zhǔn)確地測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)，也是人們常用的營養(yǎng)保健品,，但市場上蜂蜜摻假情況很多。如能對蜂蜜摻假進(jìn)行檢測,，則可以對大眾生活增加品質(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)對不同物質(zhì)旋光特性的測量及測量數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程管理。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

檢測監(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)算得出待測樣品的旋光度，并在LCD顯示屏上顯示測量數(shù)據(jù),。單片機(jī)通過藍(lán)牙將測量結(jié)果發(fā)送到手機(jī),，并用手機(jī)上的APP將測量數(shù)據(jù)上傳到Web服務(wù)器，這樣即可在任意地點(diǎn)管理測量的數(shù)據(jù),，實(shí)現(xiàn)檢測和遠(yuǎn)程監(jiān)控,。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵模塊

2.1 主控制器

為了使測量準(zhǔn)確,，同時降低成本，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化了系統(tǒng)硬件,，同時大大降低了系統(tǒng)功耗[1],，所有外設(shè)處于工作狀態(tài)時，系統(tǒng)消耗18 mA,，待機(jī)時僅有2 μA[2],。該單片機(jī)集成了12位ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器[3]，轉(zhuǎn)換時間最小可達(dá)1 μs,，轉(zhuǎn)換速度非?？臁１鞠到y(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)測量的準(zhǔn)確性,。同時該單片機(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)行測量。當(dāng)光敏電阻受到的光照強(qiáng)度不同時,，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讀取到此時光強(qiáng)的變化,。為使得在測試中光強(qiáng)最大時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，同時又保證光源長期工作時的穩(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,，功率約為5 mW,。使用時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)制作時要確保檢偏器與所嵌套的齒輪共面,，使檢偏器旋轉(zhuǎn)時始終與光路垂直，以保證測量精度,。

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),，它將脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移,，即給一個脈沖信號，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動一個角度[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)動電壓為12 V,。由于單片機(jī)引腳輸出電流小,，不足以驅(qū)動電動機(jī)，因此本文通過ULN2003A驅(qū)動芯片來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)[7],。需要注意的是,，當(dāng)使電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)時，應(yīng)拉低驅(qū)動端的4個引腳,，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、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)首頁展示了部分檢測設(shè)備的實(shí)時檢測數(shù)據(jù)，以供大眾進(jìn)行查看,、監(jiān)督,。同時首頁提供了管理人員登錄通道，登錄到管理系統(tǒng)后可以對設(shè)備進(jìn)行更高級的操作,。

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

(3)數(shù)據(jù)管理頁面可供查看所有檢測的數(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,，方便管理人員對數(shù)據(jù)進(jìn)行批量查看和操作,。同時支持?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)出為Excel工作表以便對數(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)牙連接到檢測儀,，連接成功后可以獲取檢測儀的狀態(tài)信息以及檢測結(jié)果數(shù)據(jù)，并支持通過按鈕控制單片機(jī)進(jìn)行檢測,，以及通過JSON上傳檢測數(shù)據(jù)到云端數(shù)據(jù)庫,、從云端數(shù)據(jù)庫下載檢測數(shù)據(jù)到手機(jī)。

3 系統(tǒng)工作流程

本旋光檢測系統(tǒng)的工作流程如圖6所示,。

開機(jī)后,，第一步，系統(tǒng)對各模塊進(jìn)行初始化,。先在樣品管中放入清水,，對儀器進(jìn)行調(diào)零。此時單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)帶動檢偏器不斷左旋,，旋轉(zhuǎn)至光強(qiáng)最小處,，表示此時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)前樣品編號并選擇開始測量,。此時步進(jìn)電機(jī)帶動檢偏器進(jìn)行左旋掃描,，如果單片機(jī)發(fā)現(xiàn)測得的光強(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,，記錄此時旋轉(zhuǎn)過的角度即為旋光度。第三步,，測量完成后,，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,，此時數(shù)據(jù)將會通過Web寫入到云端的數(shù)據(jù)庫中，通過計(jì)算機(jī)等瀏覽器訪問Web網(wǎng)站可以查看到測量結(jié)果,。

4 系統(tǒng)測試

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)入測試模式,，此時步進(jìn)電機(jī)會帶動檢偏器旋轉(zhuǎn)360°,，同時保存旋轉(zhuǎn)過程中的角度和對應(yīng)的光強(qiáng)值，并繪制出夾角θ在0～180°時與光強(qiáng)的關(guān)系曲線,，如圖7所示,。

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

4.2 蜂蜜摻假檢測

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)的智能檢測系統(tǒng)對蜂蜜及摻假蜂蜜樣品進(jìn)行了實(shí)際檢測,。

圖8是蜂蜜及蜂蜜摻入蔗糖,、果糖的檢測結(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,。由此可以對蜂蜜是否摻假及摻假類型進(jìn)行有效判定,。對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,，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)格的樣品測試管等控制測量元件,，實(shí)現(xiàn)了對不同物質(zhì)旋光特性的準(zhǔn)確測量,。基于Android和PHP的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對樣品檢測數(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,，針對市場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)際檢測結(jié)果表明系統(tǒng)可以有效檢測 蜂蜜是否摻假并判定摻假類型。

與傳統(tǒng)手動旋光儀相比,，本智能旋光檢測系統(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,、測試時間長的弊端[10]。與傳統(tǒng)的蜂蜜檢測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蜂蜜質(zhì)量的監(jiān)測提供有效幫助,。

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