文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.173158
中文引用格式： 張子豪，楊虹，陳丹. 智能旋光檢測及遠程監控系統設計及應用[J].電子技術應用，2018，44(2)：55-58.
英文引用格式： Zhang Zihao，Yang Hong，Chen Dan. Design and application of intelligent optical rotation detection and remote monitoring system[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(2)：55-58.
0 引言
許多物質具有旋光特性，對物質的旋光特性進行準確地測量可以幫助分析該物質的組成成分。蜂蜜是一類具有旋光特性的物質，也是人們常用的營養保健品，但市場上蜂蜜摻假情況很多。如能對蜂蜜摻假進行檢測，則可以對大眾生活增加品質保障。
為此，本文設計了一套智能旋光檢測系統。系統由光源、起偏/檢偏、光敏傳感器、步進電機、藍牙、液晶顯示屏、遠程監控等部分組成，可以實現對不同物質旋光特性的測量及測量數據的遠程管理。
1 系統設計
檢測監控系統結構如圖1所示。系統由光學部分、控制電路部分以及遠程監控等模塊組成。光學部分包括激光光源、光敏傳感器、起偏器和檢偏器。光源產生一束單色光，先經由起偏器變為線偏振光，再經樣品管出射，并透過檢偏器，最后到達光敏傳感器。控制電路部分采用STM32單片機作為控制核心，外圍有光敏A/D采樣電路、ULN2003步進電機驅動電路、藍牙串口電路和LCD顯示屏控制電路。單片機控制步進電機帶動檢偏器旋轉，光敏電阻接收的光強不同，其輸出電壓發生變化，根據馬呂斯定律，可以計算得出待測樣品的旋光度，并在LCD顯示屏上顯示測量數據。單片機通過藍牙將測量結果發送到手機，并用手機上的APP將測量數據上傳到Web服務器，這樣即可在任意地點管理測量的數據，實現檢測和遠程監控。
2 系統關鍵模塊
2.1 主控制器
為了使測量準確，同時降低成本，本系統采用STM32F103C8T6單片機作為主控制器，該芯片最高工作頻率可達到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硬件，同時大大降低了系統功耗[1]，所有外設處于工作狀態時，系統消耗18 mA，待機時僅有2 μA[2]。該單片機集成了12位ADC模數轉換器[3]，轉換時間最小可達1 μs，轉換速度非常快。本系統配置ADC1工作在連續工作模式，采樣次數取100。即步進電機每走一步，ADC采樣100次進行平滑處理獲得該處采樣值，這增強了光強數據的穩定性，提高了本系統測量的準確性。同時該單片機擁有5 路USART(通用同步異步收發機)接口[4]，可以很方便地和外設進行數據傳送。在本系統中將USART1和USART2均配置為UART（通用異步收發）模式，波特率為9 600 b/s，可以方便可靠地與顯示屏和藍牙模塊進行通信。
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的中點接入單片機的ADC引腳進行測量。當光敏電阻受到的光照強度不同時，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的ADC讀取到此時光強的變化。為使得在測試中光強最大時光敏電阻阻值仍可以線性變化，本系統選用的是環氧樹脂封裝硫化鎘(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中的穿透性，同時又保證光源長期工作時的穩定性，系統采用激光器作為系統光源。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元件共軸。
2.3 檢偏器-步進電機組合模塊
起偏器與檢偏器均選用φ20 mm的石英材質圓形偏振片，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。設計制作時要確保檢偏器與所嵌套的齒輪共面，使檢偏器旋轉時始終與光路垂直，以保證測量精度。
為了能準確地控制檢偏器旋轉的角度，本系統選用28BYJ型步進電機來帶動檢偏器旋轉。步進電機是數字控制電機，它將脈沖信號轉變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉動一個角度[5]。28BYJ型步進電機其是四相八拍電機[6]，最小步進角度為0.087 9°，驅動電壓為12 V。由于單片機引腳輸出電流小，不足以驅動電動機，因此本文通過ULN2003A驅動芯片來驅動步進電機[7]。需要注意的是，當使電機停止旋轉時，應拉低驅動端的4個引腳，而不是保持。
2.4 顯示屏
本系統采用USART HMI串口觸摸顯示屏進行數據輸出以及觸摸輸入，這樣既保證了數據顯示的直觀性，又提供了方便的操控性。該顯示屏通過串口收到單片機的指令后進行顯示，同時可以把觸摸操作發送至單片機，以便單片機進行處理。
2.5 遠程監控模塊
遠程監控模塊主要包含兩個部分：Web管理系統 和Android客戶端。
2.5.1 Web管理系統
Web管理系統使用PHP語言開發，圖3為系統架構，圖4為系統界面。
Web管理系統由首頁、在線設備管理和數據管理三大部分組成。各部分的主要功能如下。
(1)首頁展示了部分檢測設備的實時檢測數據，以供大眾進行查看、監督。同時首頁提供了管理人員登錄通道，登錄到管理系統后可以對設備進行更高級的操作。
(2)在線設備頁面顯示了當前在線設備的列表，支持遠程對設備進行測量操作，以及遠程對設備的檢測參數進行配置。
(3)數據管理頁面可供查看所有檢測的數據。支持按設備查看、按樣品查看和按地點查看的方式，方便管理人員對數據進行批量查看和操作。同時支持數據導出為Excel工作表以便對數據進行進一步分析。
2.5.2 Android程序
Android程序界面如圖5所示。使用Java語言開發，支持Android 4.0以上版本的手機，支持通過藍牙連接到檢測儀，連接成功后可以獲取檢測儀的狀態信息以及檢測結果數據，并支持通過按鈕控制單片機進行檢測，以及通過JSON上傳檢測數據到云端數據庫、從云端數據庫下載檢測數據到手機。
3 系統工作流程
本旋光檢測系統的工作流程如圖6所示。
開機后，第一步，系統對各模塊進行初始化。先在樣品管中放入清水，對儀器進行調零。此時單片機控制步進電機帶動檢偏器不斷左旋，旋轉至光強最小處，表示此時起偏器與檢偏器處于垂直狀態，調零完成。第二步，在樣品管中放入待測物質溶液，然后可以按照觸摸屏上的提示，設置當前樣品編號并選擇開始測量。此時步進電機帶動檢偏器進行左旋掃描，如果單片機發現測得的光強逐漸減小，則當前旋轉的方向就是物質的旋光方向；如果發現光強逐漸增加，則當前旋轉的方向不是物質的旋光方向，再控制步進電機進行右旋掃描。掃描至光強最小處，記錄此時旋轉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牙將旋光度等數據發至手機。在手機上執行數據上傳操作，此時數據將會通過Web寫入到云端的數據庫中，通過計算機等瀏覽器訪問Web網站可以查看到測量結果。
4 系統測試
4.1 馬呂斯定律驗證
馬呂斯定律是定量描述光偏振現象的重要定律。當一束自然光通過偏振片A和B，設偏振片間的透振方向夾角為θ，經過起偏器A形成的線偏振光強度為I0，則通過檢偏器B的透射光強(相對光強)I將滿足如下關系(馬呂斯定律)[8]：
在樣品管中放入清水，然后點擊屏幕進入測試模式，此時步進電機會帶動檢偏器旋轉360°，同時保存旋轉過程中的角度和對應的光強值，并繪制出夾角θ在0～180°時與光強的關系曲線，如圖7所示。
由圖7曲線可知測量結果與理論相符，說明系統測量可靠。
4.2 蜂蜜摻假檢測
經深入調研，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過加熱勾兌成假蜂蜜等幾種方式。這些摻入的物質和蜂蜜的旋光特性是存在差異的。本文利用設計的智能檢測系統對蜂蜜及摻假蜂蜜樣品進行了實際檢測。
圖8是蜂蜜及蜂蜜摻入蔗糖、果糖的檢測結果。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行有效判定。對于蜂蜜摻入果葡糖漿的情形，也應用本系統進行了實際檢測，可以進行有效判定。
5 結論
本文基于物理光學原理，設計研制了一款利用單片機進行智能控制的旋光檢測及遠程監控系統。系統包括光源、起偏/檢偏元件、光敏傳感器、步進電機、LCD觸摸顯示模塊、不同規格的樣品測試管等控制測量元件，實現了對不同物質旋光特性的準確測量。基于Android和PHP的遠程監控系統實現了對樣品檢測數據的遠程管理和監控，數據查詢速度快，管理方便。
將設計研制的系統用于蜂蜜檢測，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，實際檢測結果表明系統可以有效檢測 蜂蜜是否摻假并判定摻假類型。
與傳統手動旋光儀相比，本智能旋光檢測系統克服了采用半波片產生三分視界方法存在的人為經驗誤差大、測試時間長的弊端[10]。與傳統的蜂蜜檢測采用的高效液相色譜示差折光法、碳穩定同位素分析法、核磁共振法等[11-14]相比，本智能旋光檢測系統操作便捷，結果可靠。此外，遠程監控管理功能可為食品安全部門對蜂蜜質量的監測提供有效幫助。
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