Akıllı optik rotasyon algılama ve uzaktan izleme sisteminin tasarımı ve uygulaması
Zhang Zihao 1, Yang Hong 2, Chen Dan 2
(1. Bilgi ve İletişim Mühendisliği Okulu, Pekin Bilgi Teknolojisi Üniversitesi, Pekin 100101; 2. Fen Fakültesi, Pekin Bilgi Teknolojisi Üniversitesi, Pekin 100101)
Fiziksel optik yöntemi prensibine dayalı olarak, akıllı bir optik rotasyon algılama ve uzaktan izleme sistemi tasarlanmıştır. Sistem, polarizörün hareketini kontrol etmek için tek çipli bir mikro bilgisayar kullanır ve farklı maddelerin optik dönüş özelliklerini doğru bir şekilde algılayabilen ışık yoğunluğunu tespit etmek için ışığa duyarlı bir sensör kullanır. Piyasadaki yaygın bal tağşiş durumunu hedefleyen sistem, gerçek tespit için kullanılmıştır.Tespit sonuçları balın karıştırılıp karıştırılmadığını ve tağşiş türünü belirleyebilir. Bu temelde, örnek algılama verilerinin uzaktan yönetimi ve gerçek zamanlı izlenmesini gerçekleştirmek için Android ve PHP tabanlı bir dizi uzaktan izleme sistemi tasarlanmıştır.
Optik rotasyon; ışığa duyarlı algılama; tek çipli kontrol; akıllı algılama; uzaktan izleme
Çin Kütüphanesi Sınıflandırma Numarası: TP216
Belge tanımlama kodu: Bir
DOI: 10.16157 / j.issn.0258-7998.173158
Çince alıntı biçimi: Zhang Zihao, Yang Hong, Chen Dan. Akıllı Optik Polarizasyon Algılama ve Uzaktan İzleme Sisteminin Tasarımı ve Uygulaması. Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2018, 44 (2): 55-58.
İngilizce alıntı biçimi: Zhang Zihao, Yang Hong, Chen Dan. Akıllı optik rotasyon algılama ve uzaktan izleme sisteminin tasarımı ve uygulaması.Elektronik Tekniğin Uygulanması, 2018, 44 (2): 55-58.
0 Önsöz
Birçok maddenin optik rotasyon özellikleri vardır ve bir maddenin optik rotasyon özelliklerinin doğru ölçümü, maddenin bileşiminin analiz edilmesine yardımcı olabilir. Bal, optik döndürme özelliklerine sahip bir tür maddedir ve aynı zamanda yaygın olarak kullanılan bir beslenme ve sağlık bakım ürünüdür, ancak piyasada pek çok bal tadı vardır. Balda tağşiş tespit edilebilirse halkın yaşam kalitesini artırabilir.
Bu amaçla, bu makale bir dizi akıllı optik rotasyon algılama sistemi tasarlamaktadır. Sistem, ışık kaynağı, polarizasyon / analiz, ışığa duyarlı sensör, step motor, Bluetooth, sıvı kristal ekran, uzaktan izleme vb.'den oluşur. Farklı malzemelerin optik rotasyon özelliklerinin ölçümünü ve ölçüm verilerinin uzaktan yönetimini gerçekleştirebilir.
1 Sistem tasarımı
Algılama ve izleme sisteminin yapısı Şekil 1'de gösterilmektedir. Sistem optik kısım, kontrol devresi kısmı ve uzaktan izleme modüllerinden oluşmaktadır. Optik kısımda lazer ışık kaynağı, ışığa duyarlı sensör, polarizör ve analizör bulunur. Işık kaynağı, önce doğrusal polarize ışık haline gelmek için polarizörden geçen, daha sonra örnek tüpünden çıkan, analizörden geçen ve son olarak ışığa duyarlı sensöre ulaşan bir monokromatik ışık huzmesi üretir. Kontrol devresi parçası, kontrol çekirdeği olarak STM32 tek çipli mikrobilgisayarı benimser ve çevre biriminde ışığa duyarlı A / D örnekleme devresi, ULN2003 kademeli motor sürücü devresi, Bluetooth seri port devresi ve LCD ekran kontrol devresi bulunur. Tek çipli mikrobilgisayar, analizörün dönmesini sağlamak için step motorunu kontrol eder.Foto direncin çıkış voltajı, foto direnç tarafından alınan ışık yoğunluğuna bağlı olarak değişir.Marius yasasına göre, test edilecek numunenin optik dönüşü hesaplanabilir ve LCD ekranda görüntülenebilir. veri. Tek çipli mikrobilgisayar, ölçüm sonuçlarını Bluetooth üzerinden cep telefonuna göndererek, ölçüm verilerini cep telefonundaki APP ile Web sunucusuna yükleyerek ölçülen verilerin herhangi bir yerde yönetilebilmesi, algılama ve uzaktan izleme gerçekleştirilebilmesini sağlar.
2 Sistem anahtar modülleri
2.1 Ana kontrolör
Ölçümü doğru yapmak ve maliyeti düşürmek için, bu sistem ana denetleyici olarak STM32F103C8T6 mikro denetleyiciyi kullanır.Çipin maksimum çalışma frekansı 72 MHz'e ulaşabilir. 512 KB flash belleğe ve 64 KB SRAM'ye sahiptir. Bol çip üstü kaynaklar, sistem donanımını büyük ölçüde basitleştirir. Aynı zamanda, sistem güç tüketimi büyük ölçüde azaltılır.Tüm çevre birimleri çalışma durumundayken, sistem 18 mA ve bekleme modunda sadece 2 A tüketir. Mikrodenetleyici, 12 bitlik bir ADC analogdan dijitale dönüştürücüyü minimum 1 s dönüşüm süresi ve çok hızlı bir dönüştürme hızı ile entegre eder. Bu sistem ADC1'i sürekli çalışma modunda çalışacak şekilde yapılandırır ve örnekleme frekansı 100'dür. Yani, kademeli motorun her bir adımı için, ADC, oradaki örneklenmiş değeri elde etmek için düzleştirme işlemini gerçekleştirmek için 100 kez numune alır, bu da ışık yoğunluğu verilerinin kararlılığını arttırır ve sistem ölçümünün doğruluğunu geliştirir. Aynı zamanda mikrodenetleyicide, verileri çevre birimlerle kolayca iletebilen 5 USART (Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter) arabirimi bulunmaktadır. Bu sistemde hem USART1 hem de USART2, ekran ve Bluetooth modülü ile kolay ve güvenilir bir şekilde iletişim kurabilen 9600 b / s baud hızıyla UART (Evrensel Asenkron Alıcı ve Alıcı) modu olarak yapılandırılmıştır.
2.2 Işığa duyarlı sensör ve ışık kaynağı
Işığa duyarlı sensör olarak ışığa duyarlı bir direnç kullanılır. Işık yoğunluğu örnekleme devresi Şekil 2'deki gibi gösterilmektedir. Resimde, R bir foto direnç, R1 voltaj bölme direnci ve direnç 1 k'dur. R ve R1'in orta noktasını ölçüm için mikrodenetleyicinin ADC pinine bağlayın. Foto direnç farklı ışık yoğunluğu aldığında, direnç değeri farklıdır ve direnç R1 üzerindeki voltaj düşüşünün değişmesine neden olur, böylece bu zamanda ışık yoğunluğundaki değişiklik mikrodenetleyicinin ADC'si aracılığıyla okunabilir. Fotorezistörün direnç değerini testte en yüksek ışık yoğunluğunda yapabilmek için bu sistemde epoksi reçine kapsüllenmiş kadmiyum sülfürden (CdS) yapılmış görünür ışık fotorezistörü GL12528 seçilir, çapı 12 mm, parlaklık direnci yaklaşık 560'tır. k, karanlık direnç yaklaşık 2 M'dur.
Düşük geçirgenlikli malzemelerde ışığın nüfuz etmesini sağlamak ve aynı zamanda uzun süreli çalışma sırasında ışık kaynağının stabilitesini sağlamak için sistem ışık kaynağı olarak bir lazer kullanır. Lazerin çapı 12 mm'dir ve uygulanan voltaj 3 V olduğunda güç yaklaşık 5 mW'dir. Kullanırken lazer seviyesini ve optik bileşenlerin koaksiyelliğini sağlamak gereklidir.
2.3 Analizör-Step Motor Kombinasyon Modülü
Hem polarizör hem de analizör, polarizasyon etkisini sağlamak için 20 mm kuvars dairesel polarizörler kullanır. Analizörü polarizör ile eş eksenli olarak bir dişlinin ortasına yerleştirin. Tasarım ve üretim sırasında, analiz cihazının ölçüm doğruluğunu sağlamak için dönerken her zaman optik yola dik olması için analizörün iç içe geçmiş dişli ile aynı düzlemde olduğundan emin olun.
Analizörün dönüş açısını doğru bir şekilde kontrol etmek için, sistem analiz cihazını döndürmek için 28BYJ adımlı motorlar kullanır. Kademeli motor, darbe sinyalini açısal bir yer değiştirmeye dönüştüren, yani bir darbe sinyali verilen dijital olarak kontrol edilen bir motordur, kademeli motor bir açıyla döner. 28BYJ tipi step motor, minimum 0,0879 ° adım açısına ve 12 V sürüş voltajına sahip dört fazlı sekiz vuruşlu bir motordur. Tek çipli pin çıkış akımı küçük olduğu için motoru sürmek yeterli değildir, bu nedenle bu makale step motoru sürmek için ULN2003A sürücü çipini kullanır. Motorun dönmesi durduğunda, tahrik ucundaki 4 pimin tutulmak yerine aşağı çekilmesi gerektiğine dikkat edilmelidir.
2.4 Ekran
Bu sistem, veri çıkışı ve dokunmatik giriş için USART HMI seri dokunmatik ekranı kullanır, bu sadece veri ekranının sezgiselliğini sağlamakla kalmaz, aynı zamanda uygun manevra kabiliyeti sağlar. Görüntü ekranı, onu görüntülemek için seri port aracılığıyla mikro denetleyiciden talimatları alır ve aynı zamanda mikro denetleyici tarafından işlenmek üzere mikro denetleyiciye dokunma işlemleri gönderebilir.
2.5 Uzaktan izleme modülü
Uzaktan izleme modülü temel olarak iki bölümden oluşur: Web yönetim sistemi ve Android istemcisi.
2.5.1 Web Yönetim Sistemi
Web yönetim sistemi PHP dili kullanılarak geliştirilmiştir.Şekil 3 sistem mimarisini ve Şekil 4 sistem arayüzünü göstermektedir.
Web yönetim sistemi üç bölümden oluşur: ana sayfa, çevrimiçi cihaz yönetimi ve veri yönetimi. Her bölümün temel işlevleri aşağıdaki gibidir.
(1) Ana sayfa, halkın görüntülemesi ve denetlemesi için bazı test ekipmanlarının gerçek zamanlı test verilerini görüntüler. Aynı zamanda ana sayfa, yöneticiler için bir giriş kanalı sağlar.Yönetim sistemine giriş yaptıktan sonra, cihaz üzerinde daha gelişmiş işlemler gerçekleştirebilirsiniz.
(2) Çevrimiçi cihaz sayfası, mevcut çevrimiçi cihazların listesini görüntüler, cihazdaki uzaktan ölçüm işlemlerini ve cihazın algılama parametrelerinin uzaktan yapılandırılmasını destekler.
(3) Veri yönetimi sayfası, algılanan tüm verileri görüntülemek için kullanılabilir. Cihaza göre görüntülemeyi, örneğe göre görüntülemeyi ve konuma göre görüntülemeyi destekler; bu, yöneticilerin verileri toplu halde görüntülemesi ve işlemesi için uygundur. Aynı zamanda veriler, verilerin daha fazla analizi için bir Excel çalışma sayfası olarak dışa aktarılabilir.
2.5.2 Android programı
Android program arayüzü Şekil 5'te gösterilmektedir. Java dilinde geliştirilmiş, Android 4.0 ve üzeri cep telefonlarını destekler, Bluetooth üzerinden dedektöre bağlantıyı destekler.Bağlantı başarılı olduktan sonra dedektörün durum bilgilerini ve test sonuç verilerini edinebilir, buton kontrolü ile tek çipli mikrobilgisayarın algılanmasını ve JSON üzerinden testin yüklenmesini destekleyebilirsiniz. Verileri bulut veritabanına, algılama verilerini bulut veritabanından cep telefonuna indirin.
3 Sistem iş akışı
Optik rotasyon algılama sisteminin çalışma süreci Şekil 6'da gösterilmektedir.
Önyüklemeden sonra, ilk adım, sistem her modülü başlatır. Cihazı sıfırlamak için önce numune tüpüne temiz su koyun. Şu anda, tek çipli mikrobilgisayar, analiz cihazını sola dönmesi ve minimum ışık yoğunluğuna döndürmesi için adım motorunu kontrol ederek polarizör ve analizörün şu anda dikey durumda olduğunu ve sıfır ayarının tamamlandığını gösterir. İkinci adımda, test edilecek maddenin çözeltisini numune tüpüne koyun ve ardından mevcut numune numarasını ayarlamak ve ölçümü başlatmayı seçmek için dokunmatik ekrandaki talimatları izleyin. Bu sırada, kademeli motor analiz cihazını sol el taraması yapmaya yönlendirir.Tek çipli mikrobilgisayar, ölçülen ışık yoğunluğunun kademeli olarak azaldığını tespit ederse, mevcut dönüş yönü maddenin optik dönüş yönüdür; ışık yoğunluğunun kademeli olarak arttığı tespit edilirse, mevcut dönüş yönü madde değildir. Ardından, sağ elle taramak için step motorunu kontrol edin. Işık yoğunluğunun en küçük olduğu yeri tarayın ve bu andaki dönüş açısını optik rotasyon olarak kaydedin. Üçüncü adımda ise ölçüm tamamlandıktan sonra ekran optik rotasyonu gösterir ve daha sonra optik rotasyon gibi verileri cep telefonuna Bluetooth üzerinden ekran talimatlarına göre gönderebilirsiniz. Veri yükleme işlemini cep telefonu üzerinden gerçekleştirin Bu aşamada veriler web üzerinden bulut veri tabanına yazılacak ve ölçüm sonuçları Web sitesi bilgisayar gibi bir tarayıcı üzerinden ziyaret edilerek görüntülenebilir.
4 Sistem testi
4.1 Marius Yasasının Doğrulanması
Marius yasası, ışık polarizasyonu olgusunu nicel olarak tanımlamak için önemli bir yasadır. Bir doğal ışık demeti polarizörler A ve B'den geçtiğinde, polarizörler arasındaki açı be olacak şekilde ayarlanır ve polarizör A tarafından oluşturulan doğrusal polarize ışığın yoğunluğu I0'dır, daha sonra analizör B aracılığıyla iletilen ışık yoğunluğu ( Işık yoğunluğu) Aşağıdaki ilişkiyi tatmin edeceğim (Marius yasası):
Numune tüpüne temiz su koyun ve ardından test moduna girmek için ekrana tıklayın.Bu anda, step motor analizörü 360 ° dönecek şekilde çalıştıracak ve aynı zamanda dönüş açısını ve karşılık gelen ışık yoğunluğu değerini kaydedecek ve angle açısını çizecektir. 0 180 ° ile ışık yoğunluğu arasındaki ilişki eğrisi Şekil 7'de gösterilmektedir.
Şekil 7'deki eğriden, ölçüm sonuçlarının teori ile tutarlı olduğu ve sistem ölçümünün güvenilir olduğunu gösterdiği görülebilir.
4.2 Bal tağşişinin tespiti
Derinlemesine araştırmalardan sonra, piyasada daha yaygın olarak kullanılan bal saflaştırma yöntemleri arasında fruktoz şurubu, sukroz veya fruktoz veya şeker ve şap kullanımı ve ardından sahte bala karıştırmak için ısıtma yer alır. Bu karışık maddeler ve balın optik özelliklerinde farklılıklar vardır. Bu makale, bal ve karıştırılmış bal örneklerini gerçekten tespit etmek için tasarlanmış akıllı algılama sistemini kullanır.
Şekil 8, sükroz ve fruktoz ile karıştırılmış bal ve balın tespit sonuçlarını göstermektedir. Şekil 8'den görülebileceği gibi, ham balın optik rotasyon özellikleri sakaroz ve fruktozunkinden önemli ölçüde farklıdır ve sol ve sağ el özellikleri ile optik rotasyon aynı değildir. Bu, balın tağşiş olup olmadığını ve tağşişin türünü etkili bir şekilde belirleyebilir. Balın fruktoz şurubu ile karıştırıldığı durumlarda, bu sistem aynı zamanda etkili bir şekilde değerlendirilebilecek gerçek testler için de kullanılmıştır.
5. Sonuç
Fiziksel optik prensibine dayanan bu makale, akıllı kontrol için tek çipli bir mikro bilgisayar kullanarak bir rotasyon algılama ve uzaktan izleme sistemi tasarlar ve geliştirir. Sistem, farklı maddelerin optik rotasyon özelliklerinin doğru ölçümünü elde etmek için ışık kaynağı, polarizasyon / analiz bileşenleri, ışığa duyarlı sensörler, kademeli motorlar, LCD dokunmatik ekran modülleri, farklı özelliklere sahip örnek test tüpleri gibi kontrol ve ölçüm bileşenlerini içerir. Android ve PHP tabanlı uzaktan izleme sistemi, hızlı veri sorgulama hızı ve uygun yönetim ile örnek algılama verilerinin uzaktan yönetimini ve izlenmesini gerçekleştirir.
Tasarlanan ve geliştirilen sistem bal tespiti için kullanılır ve ham balda sakkaroz, fruktoz, fruktoz şurubu ve şap harmanlama gibi piyasadaki yaygın bal saflaştırma türlerini hedef alır. Gerçek test sonuçları, sistemin balın karıştırılıp karıştırılmadığını etkili bir şekilde tespit edebildiğini göstermektedir Ve tağşişin türünü belirleyin.
Geleneksel manuel polarimetreler ile karşılaştırıldığında, bu akıllı polarimetre algılama sistemi, üç noktalı ufuklar oluşturmak için yarım dalga plakaları kullanma yönteminde büyük insan deneyimi hatalarının ve uzun test süresinin eksikliklerinin üstesinden gelir. Geleneksel yüksek performanslı sıvı kromatografi kırılma indisi yöntemi, karbonsuz izotop analizi yöntemi ve geleneksel bal tespitinde kullanılan nükleer manyetik rezonans yöntemi ile karşılaştırıldığında, akıllı optik rotasyon algılama sisteminin kullanımı kolaydır ve güvenilirdir. Ek olarak, uzaktan izleme yönetimi işlevi, gıda güvenliği departmanının balın kalitesini izlemesi için etkili bir yardım sağlayabilir.
Referanslar
Zhang Xu, Qi Xueguang, Li Shiguang, vs. STM32 güç verisi toplama sisteminin tasarımına dayanmaktadır Elektronik Ölçüm Teknolojisi, 2010, 33 (11): 90-93.
Li Junnan, Su Yang, Xue Duan, vb. STM32 sıcaklık ve ışığa duyarlı kablosuz sensör tasarımına dayanmaktadır.Çin Bilim ve Teknoloji Bilgileri, 2016 (9): 83-86, 16.
Li Yu, Liao Ping. STM32'ye dayalı büyük bir rotor titreşim sinyali toplama sisteminin tasarımı. Enstrümantasyon Teknolojisi ve Sensörleri, 2015 (12): 65-67, 71.
Zhang Congpeng, Zhao Kangkang. STM32'ye dayalı seri sunucu sisteminin geliştirilmesi. Enstrümantasyon Teknolojisi ve Sensörler, 2016 (1): 73-75.
Gao Qin, Liu Shucong, Peng Hongwei.Adım Motoru Kontrol Sisteminin Tasarımı ve Uygulaması. Üretim Otomasyonu, 2012, 34 (1): 150-152.
Jing Haixia, Li Hongyi.Akıllı bir kurutma raf sisteminin tasarımı. Mechatronics, 2016, 22 (7): 57-60.
Wei Yinlong, Zhang Xiangyang, Kong Lingyang.AT89C51 mikro denetleyicisine dayalı adım motoru kontrol sisteminin tasarımı. Science and Technology Plaza, 2016 (8): 184-189.
Wang Jianzhong, Huang Lin, Wang Lingli, vb. LabVIEW'e dayalı "Marius Yasasının Doğrulanması" Deneyi, College Physics Experiment, 2011, 24 (4): 66-69.
Chen Wei, Qiao Yongsheng, Yuan Huafeng.İyon Kromatografisi ile Balda Nişasta Şurubunun Belirlenmesi Gıda Endüstrisi, 2016 (4): 281-283.
Fang Yuechun, Zhou Zhiguang, Liu Kai, vb. Renkli ışık / frekans dönüştürücüye dayalı yeni bir polarimetre tasarımı Kimyasal Otomasyon ve Enstrümantasyon, 2010, 37 (11): 56-58.
Yao Qingwei, Li Feng. Saflaştırılmış balın hızlı tespiti. Science and Technology of Food Industry, 1998 (5): 64-65.
SANZ M L, SANZ J, MARTINEZ-CASTRO I. Balda disakkaritlerin ve trisakkaritlerin kalitatif ve kantitatif tayini için gaz kromatografik kütle spektrometrik yöntem Journal of Chromatography A, 2004, 1059 (1): 143-148.
TOSUN M. Dut pekmezi örneklerinde 13C / 12C izotop oran analiz yöntemi ile ilave edilen çeşitli şeker şuruplarının karışmasının tespiti Food Chemistry, 2014, 165 (2-3): 555.
BERTELLI D, LOLLI M, PAPOTTI G, ve diğerleri.Balın tağşişinin tek boyutlu ve iki boyutlu yüksek çözünürlüklü nükleer manyetik rezonans kullanılarak şeker şurupları ile tespiti. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2010, 58 (15): 84958501.
