一种基于光谱技术的微型食品安全检测装置及方法与流程

本发明涉及一种基于光谱技术的微型食品安全检测装置及方法。

背景技术：

近几年，在食品领域曝出的，三聚氰胺事件、苏丹红事件、塑化剂事件等，世界各地存在各种各样的食品问题，各种掺假造假的事件接连不断，人们的生命健康正受到严重危害，食品安全问题越来越引起人们的重视。伴随而来的是社会上不同部门和单位加强了对食品安全的监测力度，蔬菜需要进行食品安全检测，才能进入各大批发市场或者超市出售，甚至有的学校食堂也会对购买的蔬菜进行农药残留检测。所以，能在现场准确的测定食品中有害物质含量的技术、方法和仪器必不可少。

基于光谱技术的食品安全检测仪，通过测量特征波长的光透过待测样品溶液后光能量的变化值，得到测量样品的浓度值，从而计算化学物质含量是否超标。与传统的人工生物实验检测方法相比食品安全类检测仪器具有准确、快速、高效的特点。被广泛应用于超市、学校食堂等食品流通量大的地方，也被食品监督部门作为食品安全检测的重要执法工具。

当前市面上食品安全检测仪基本可以分为两大类型：（1）以51和STM32处理器为代表的LED型检测仪。主要检测部件由有限个样品检测通道组成，有限的测量通道对应有限个固定特征波长的LED灯，相应的也就只能测量对应特征波长物质的浓度。由于LED型检测仪硬件简单，所以测量速度快、干扰小、效率高。但是当需要测量多种类不同波长的样品溶液时，LED型仪器显得“力不从心”，因此LED型仪器只适合测量有限的几个波长的样品。（2）以波长扫描机构分光系统为代表的全光谱型检测仪。国内传统的全光谱食品安全检测仪的光度采集部件主要由波长扫描机构组成，并且尤以其中的正弦机构使用最为广泛。正弦机构是一种利用杠杆原理使光栅转移的机械装置。通过步进电机的转动推动丝杆的运动，进而使光栅转动，获得连续波长的单色光数值，最后用这个数值参与公式运算。用正弦机构采集到的光信号具有稳定性好、精度高的优点。但是输出指定波长值的时候，为了确保测量数值的准确性，正弦机构每次都会从波长最大值或最小值处开始，一直扫描到指定波长处。然而在扫描过程中需要耗费比较多的时间，这也就使得使用波长扫描机构的仪器，无法实现快速与准确的统一。加之仪器比较精密，需要专门人员进行反复调试，这也增加了仪器的成本。为解决食品安全检测局限，设计一套能进行食品现场快速检测，具有高选择性、高准确性的食品安全检测仪十分重要。

本设计利用线性渐变滤光片（LVF）、CCD光谱采集原件与单片机构成的微型食品安全检测仪可以应用于粮食作物、乳 制品、常见水果肉制品等方面，该检测仪可以实现快速测量食物的光谱信号，并且快速上传，可视性强等特点；本设计涉及的是一种用单片机和CCD元件组合成为的微型食品安全检测仪系统，具有驱动方便，小型化，成本低廉等优点。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于光谱技术的微型食品安全检测装置及方法，以克服现有技术存在的缺陷。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于光谱技术的微型食品安全检测装置，包括：一微控制器、一运算放大模块、一CCD模块、一电平转换模块、一第一直流电源、一第二直流电源、一串口模块以及一PC系统；所述CCD模块经所述运算放大模块连接至所述微控制器；所述微控制器经所述串口模块连接至所述PC系统；所述微控制器还经所述电平转换模块与所述CCD模块相连；所述第一直流电源分别与所述微控制器以及所述CCD模块相连；所述第二直流电源模块与所述运算放大模块相连。

在本发明一实施例，所述第一直流电源采用+5V直流电源；所述第二直流电源采用+-5V直流电源。

在本发明一实施例，所述微控制器包括一STM32。

在本发明一实施例，所述运算放大模块包括一LT1498CS8。

在本发明一实施例，所述CCD模块包括一ILX554B，且与一线性渐变滤光片配合。

在本发明一实施例，所述电平转换模块包括一SN74LVC4245。

在本发明一实施例，所述串口模块包括一CH341USB串口电路；该CH341USB串口电路与搭载于所述PC系统上的串口调试助手单元匹配。

进一步的，还提供一种基于光谱技术的微型食品安全检测装置的检测方法，所述第一直流电源为所述微控制器以及所述CCD模块提供电源；所述第二直流电源为所述运算放大模块提供电源；所述微控制器经所述电平转换模块向所述CCD模块发送驱动信号，包括ROG信号以及CLK信号；当所述ROG信号由低电平转换回高电平时，所述CCD模块输出与所述CLK信号频率匹配的食品光谱采集信号至所述运算放大模块，经所述运算放大模块进行放大与增强带负载能力处理后，输入所述微控制器进行分析和处理；所述微控制器将处理后的信号经所述串口模块上传至所述PC系统；所述PC系统通过MATLAB进行曲线模拟，输出食品的光谱信号图。

在本发明一实施例，所述ROG信号为按键高低电平；所述CLK信号为1MHZ的PWM方波；所述CCD模块的电荷势阱根据所述1MHZ的PWM方波输出用电压信号表征的食品光谱采集信号。

在本发明一实施例，所述所述微控制器进行分析和处理包括对信号筛选以及通过12位AD转换为十进制电压值。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

(1)利用线性渐变滤光片（LVF）、CCD光谱采集原件与单片机构成的微型食品安全检测仪可以应用于粮食作物、乳 制品、常见水果肉制品等方面，应用范围广。

(2)该检测仪可以实现快速测量食物的光谱信号，并且快速上传，可视性强等特点。

(3)用单片机和CCD元件组合成为的微型食品安全检测仪系统，具有驱动方便，小型化，成本低廉等优点。

附图说明

图1为本发明一种基于光谱技术的微型食品安全检测装置的原理框图。

图2为本发明一实施例中ILX554B传感器的工作电路。

图3为本发明一实施例中ILX554B传感器的信号放大电路。

图4为本发明一实施例中电平转换电路的电路图。

图5为本发明一实施例中输出的PWM波形图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明目的在于提供一种小型化、低成本化的微型食品安全检测仪的实现方案。该系统实现了使用单片机驱动线阵CCD元件进而使用CCD元件与线性渐变滤光片LVF配合采集相应食品的光谱信号进行分析和画出可视化曲线。实现了成本的控制和方便的驱动方式以及小型化的要求。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于光谱技术的微型食品安全检测装置，包括：微控制器、运算放大模块、CCD模块、电平转换模块、第一直流电源、第二直流电源、一串口模块以及PC系统；CCD模块经运算放大模块连接至微控制器；微控制器经串口模块连接至PC系统；微控制器还经电平转换模块与CCD模块相连；第一直流电源分别与微控制器以及CCD模块相连；第二直流电源模块与运算放大模块相连。

第一直流电源给CCD模块与微控制器的电源模块供电；电平转换模块给微控制器和CCD元件之间提供了电平转换；运算放大器模块对CCD输出的电压信号进行电路信号放大的处理；微控制器控制CCD元件的光谱电压信号输出；CCD模块中的CCD驱动模块给予CCD元件相应所需要的驱动电路条件。微控制器通过输出的电平信号和PWM信号通过电平转换电路来控制CCD元件采集，并输出相应的信号后由信号处理电路，也即运算放大器电路等处理放大并输出到微控制器中进行采集，经过处理后由CH341USB串口模块输出到PC系统上，具有驱动方便快捷并且输出信号可读性强等优点。

进一步的，在本实施例中，第一直流电源采用+5V直流电源；第二直流电源采用+-5V直流电源。微控制器包括一STM32。运算放大模块包括一LT1498CS8。CCD模块包括一ILX554B，且与线性渐变滤光片LVF配合。电平转换模块包括一SN74LVC4245。串口模块包括一CH341USB串口电路；该CH341USB串口电路与搭载于所述PC系统上的串口调试助手单元匹配。

其中，CCD元件由5V正电源提供电源；运放电路中的运算放大器LT1498CS8由正负5V稳压直流源提供电源。由STM32主控芯片经由电平转换电路驱动ILX554B元件进行光谱信号采集，采集到的信号输出后由运放电路放大信号后再输送回STM32主控芯片处理。

经过STM32的内部软件处理分析转换后将结果数据经由CH341串口转USB模块上传到PC上位机并且使用串口调试助手等软件进行接收，结果可以使用MATLAB进行曲线模拟出食品的光谱信号图，形成一个可视性强的简便测量系统。

为更清楚的讲述本发明的技术方案，以下为本发明的具体实施过程：

具体内容，请参见图1，图中S为STM32主控芯片、Y为运算放大器信号处理电路、I为CCD元件ILX554B以及其驱动电路、D为电平转换电路SN74LVC4245、A为+5V直流电源、B为+-5V直流电源、C为CH341串口转USB模块、P为PC上位机系统。图2为ILX554B传感器的工作电路。图3为ILX554B传感器的信号放大电路。图4为电平转换电路。

首先，由A、B两电源给予STM32和ILX554B两个芯片相应的电源与运算放大电路LT1498CS8的电源。在STM32系统发出两路信号分别是ROG信号和CLK信号之后，ROG信号为低电平转换回高电平时，ILX554B芯片随着CLK 1MHZ的PWM信号输出相应频率的采集到的食品光谱信号。上述的ROG信号和CLK信号是由STM32主控芯片经由电平转换电路芯片SN74LVC4245由3.3V转换为5V电压后的信号输出。输出的PWM波形如图5所示。

ROG信号由按键高低电平输出来实现，CLK信号用1MHZ的PWM方波来实现。在ILX554B的电荷势阱按驱动信号的频率输出用电压信号表征的食品光谱信号后，将这些信号经由运算放大器电路进行放大与增强带负载能力的处理后送入STM32主控芯片中进行信号的分析和处理，主要是对信号进行筛选后（2048位信号）的12位AD转换并转换为十进制的电压值，并在接收的过程之中同时通过USART串口通讯协议进行输出传输。在传输过程中使用到了CH341模块的串口转USB总线的功能。

在上述步骤过程中PC端由CH341串口接收到ILX554B采集到的光谱电压信号，并且在串口调试助手等软件中直观地显示出来。后期的数据处理可以使用到MATLAB等软件形成光谱曲线，形成一种可视化较强的光谱信号结果。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。