0 引言

許多物質(zhì)具有旋光特性，對物質(zhì)的旋光特性進行準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、步進電機、藍牙、液晶顯示屏、遠程監(jiān)控等部分組成，可以實現(xiàn)對不同物質(zhì)旋光特性的測量及測量數(shù)據(jù)的遠程管理。

1 系統(tǒng)設(shè)計

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，最后到達光敏傳感器?？刂齐娐凡糠植捎?a href="http://www.www27dydycom.cn/v/tag/751/" target="_blank">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(qū)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(zhuǎn)，光敏電阻接收的光強不同，其輸出電壓發(fā)生變化，根據(jù)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(shù)據(jù)。單片機通過藍牙將測量結(jié)果發(fā)送到手機，并用手機上的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管理測量的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)檢測和遠程監(jiān)控。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵模塊

2.1 主控制器

為了使測量準確，同時降低成本，本系統(tǒng)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(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，待機時僅有2 μA[2]。該單片機集成了12位ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器[3]，轉(zhuǎn)換時間最小可達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(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，提高了本系統(tǒng)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(fā)機)接口[4]，可以很方便地和外設(shè)進行數(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(dāng)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(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-步進電機組合模塊

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。

為了能準確地控制檢偏器旋轉(zhuǎn)的角度，本系統(tǒng)選用28BYJ型步進電機來帶動檢偏器旋轉(zhuǎn)。步進電機是數(shù)字控制電機，它將脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉(zhuǎn)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(qū)動電壓為12 V。由于單片機引腳輸出電流小，不足以驅(qū)動電動機，因此本文通過ULN2003A驅(qū)動芯片來驅(qū)動步進電機[7]。需要注意的是，當(dāng)使電機停止旋轉(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的指令后進行顯示，同時可以把觸摸操作發(fā)送至單片機，以便單片機進行處理。

2.5 遠程監(jiān)控模塊

遠程監(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)備的實時檢測數(shù)據(jù)，以供大眾進行查看、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，支持遠程對設(shè)備進行測量操作，以及遠程對設(shè)備的檢測參數(shù)進行配置。

(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查看的方式，方便管理人員對數(shù)據(jù)進行批量查看和操作。同時支持數(shù)據(jù)導(dǎo)出為Excel工作表以便對數(shù)據(jù)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(fā)，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(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進行檢測，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。

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。

開機后，第一步，系統(tǒng)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(diào)零。此時單片機控制步進電機帶動檢偏器不斷左旋，旋轉(zhuǎn)至光強最小處，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。此時步進電機帶動檢偏器進行左旋掃描，如果單片機發(fā)現(xiàn)測得的光強逐漸減小，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，再控制步進電機進行右旋掃描。掃描至光強最小處，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牙將旋光度等數(shù)據(jù)發(fā)至手機。在手機上執(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，通過計算機等瀏覽器訪問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(guān)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(zhuǎn)360°，同時保存旋轉(zhuǎn)過程中的角度和對應(yīng)的光強值，并繪制出夾角θ在0～180°時與光強的關(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)計的智能檢測系統(tǒng)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(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)進行了實際檢測，可以進行有效判定。

5 結(jié)論

本文基于物理光學(xué)原理，設(shè)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(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)包括光源、起偏/檢偏元件、光敏傳感器、步進電機、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，實現(xiàn)了對不同物質(zhì)旋光特性的準確測量?；贏ndroid和PHP的遠程監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了對樣品檢測數(shù)據(jù)的遠程管理和監(jiān)控，數(shù)據(jù)查詢速度快，管理方便。

將設(shè)計研制的系統(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。