（农业机械化工程专业论文）电子称重式水果分选机微机测控系统的研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导f 进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文1 _ r | 特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学大学或其它教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文巾作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名 2 滑 时间：妙；年弓月2 0 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在 不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此咖议) 研究一：妫一名：砂童泛帆如；年弓月如日 顺1 学位论文摘耍 摘要 本课题庄现有电予称重式水果分选机的基础上，对设备的测控系统进行了重新研制， 将原有的p c 机控制替代为单片机控制。存保持原有测控功能的前提f ，降低了原有设备 的成本。 该测控系统以a t 8 9 c 5 1 单片机为核心，配以信号调理电路、a d 转换电路、信号输出 电路和键盘显示单元等儿个部分。= 作时，系统通过压敏式压力传感器采集水果重量产生 的电鹾模拟信号将该信号放大、滤波后，送入a d 转换器，转换后的数字信号进入a t 8 9 c 5 l 单片机，经系统软件进行运算处理后，得出水果所属分选等级，并向分选开关发出开关量 信号，史现对水果的动态称最和实时分选控制。 试验表明，该系统在水果分选的控制实现上完全可行，操作简便；能够预先设置分选 等级，实现多种水果的分选；具有较好的通用性和灵活性。 关键刊：单，l 机，水果分选，电子称量 a b s t r a c t o nt h eb a s i so ft h e e x i s t i n g e l e c t r o n i c w e i g h t s o r t e rc o n t r o l l e d b yp c ，a n e w m i c r o c o m p u t e rc o n t r o la n dm e a s u r e m e n ts y s t e mi sd e v e l o p e d ，w h i c hr e d u c e st h ec o s to ft h e d e v i c ea n dk e e p st h ef o r m e rs y s t e m sm a i nf u n c t i o n t h i ss y s t e mu s e sa t 8 9 c 51 m i c r o c o m p u t e ra s i t sc o r ea n di sa l s op r o v i d e dw i t hs o m e c o r r e l a t i v ec i r c u i t s ，i n c l u d i n gas i g n a la d j u s t m e n tc i r c u i t ，a na dc o n v e r tc i r c u i t ，as i g n a lo u t p u t c i r c u i ta n dad i s p l a y k e y b o a r du n i tw h e ni tw o r k s ，t h es y s t e mr e c e i v e sa n a l o gv o l t a g es i g n a l s p r o d u c e db yf r u i t sf r o map r e s s u r es e n s o r ，a n dt h e s es i g n a l sa r es e n tt o a na dc o n v e r t e ra f t e r t h e ya r ea m p l i f i e da n df i l t e r e db yt h es i g n a la d j u s t m e n tc i r c u i t t h e n ，t h e s ea n a l o gv o l t a g e s i g n a l sa r ec o n v e r t e dt od i g i t a ls i g n a l s w h i c ha r es e n tt oa t 8 9 c 5 1 m i c r o c o m p u t e ra f t e rd i g i t a l s i g n a l sp r o c e s s e db y t h es y s t e ms o f t w a r e ，e v e r yf r u i t s s o r t i n gl e v e l i sd e d u c e d f i n a l l y , t h e s y s t e mc a l lo u t p u ts w i t c hs i g n a l st oo p e nt h es o r t i n gs w i t c h e sa c c o r d i n gt of r u i t s w e i g h t ，a n d f r u i t sa r ed y n a m i c a l l ym e a s u r e da n ds o r t e di nr e a lt i m e t h ee x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t et h a tt h i ss y s t e mw o r k sw e l la n dc a nb ee a s i l yc o n t r o l l e d ； m e a n w h i l ei t i sm u l t i p u r p o s eb ys e t t i n gn i n es o r t i n gl e v e l st os o r td i f f e r e n tk i n d so ff r u i t s k e y w o r d ：m i c r o c o m p u t e r , f r u i ts o r t i n g ，e l e c t r o n i cw e i g h t i n g 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 我国日前水果年总产量接近5 0 0 0 万吨，居十h ：界第二位；蔬菜产量占世界总产量的2 5 以 匕，居 u ：界首位。我国的果蔬主要是鲜销、鲜食为主，深加工产品数量比例较小，果蔬加1 量仅占总产量的1 0 ，而发达国家果蔬加上量占到总产量的6 0 以上，差距相当明显。果蔬 深加工数量偏小，导致我国丰富的果蔬资源商品附加值低，直接影响到农村经济发展，影i 响 到农产品更好地走向市场。如何加强果蔬加1 一量，如何增加果蔬产品的附加值，业内专家认 为其关键在于果蔬加上技术和机械设备。 随着水果贮藏加t 业的发展和人们生活水平的提高，对水果质量的要求也越来越高，水 果采后分选t 作显得口益重要，而采后分选一r = 作时效性强，作业质量标准高，因此，实现机 械化、白动化作业势在必行。生产优质、美观、新鲜的水果及其分选技术显得尤为重要。国 外住水果的加r 过程中，大都采_ j 微机控制机电一体化设备来代替人丁作业。由于生活肖奏 加快和饮食结构的改变，对进入市场的水果要按规定分选、分级和包装将是必然的趋势。因 此，可以说水果分选机在我国有着很大的潜在市场。为了提高分选的标准和统一性，降低产 品的成本和改善劳动条件，同时在激烈的世界市场竞争中取得立足之地。研究和开发水果采 后自动化处理系列改备，选l b 高质量的水果并进行保鲜处理，己成为当前我围农业机械化重 要的研究课题。 针对我国果蔬生产所存在的许多问题：果蔬生产主要以加大投入、多种多收为手段，产 t 讳结构单一、生产效益提高缓慢；科技进步效率低，传统的生产技术仍占主导地位，以户为 土的经营方式落后：产品加工技术落后，资源利用率低，产品附加值小。加速果蔬生产和加 _ 的现代化、产业化、国际化，是当前果蔬业发展过程中的一个重大课题。党的十五火明确 提出：“要积极发展农业产业化经营，形成产生、加工、销售有机结合和相互促进机制，推动 农业向商品化、专业化、现代化转变。”加快果蔬生产l u ；b n 工的现代化、产业化、国际化进程， 使果蔬产业成为新的经济增氏点，对于推进农业的技术进步，促进农村经济的全面发展，具 有十分重要的意义。 1 2 水果分选的作用 由于消费者对于作为商品的水果的观念将发生改变，由原来的只注重其“实质”，到将来 的实质和“形式”并重，而形式就是指水果的外观，包括大小、形状、颜色、整齐度。无序 的水果销售形式不利之处在于： ( 1 ) 采收无计划，不利于大规模组织外调或外销； 坝l 学位隆义 第一章绪隆 ( 2 ) 不进行采斤处理，水果大小不一，着色不一、成熟度不一，商品性较差； ( 3 ) 由十来及时清洗杀菌和预冷，使外调、贮藏性能不好，运输途中损失大： ( 4 ) 没有统一商标品牌，与进口水果的品牌果相比，在困内市场都缺乏竞争力，很难走 出国门。 可以魄，水果分选是水果进入流通的一个重要环节，直接关系到水果的包装、运输、贮 藏和销售的效果和效益。在市场商品经济高度发达的今天，异地销售、大宗农产品交易和农 产品国际贸易等均离不开标准化，而水果分选就是实现水果商品标准化的最为基础的一步。 目前我国各水果产地水果的等级仍以手工分选为主，不但速度慢、劳动强度大，而且分 选质量易受人为阁索的影响。从技术角度上看，人工分选时对水果的等级判定是根据个人的 经验，瞬间判断的结果，其结果必然是闭人而异，同时还受人的情绪和疲劳程度的影响。不 仅人上劳动量大，生产率低，还造成打蜡标准难以实现，分选精度不稳定，致使水果表面蜡 液不匀，光泽h 音淡，果径不一致，并造成水果保鲜期短，腐烂严重，这严重影响_ 水果的竟 销能力。 为提高我囤水果在国际销售市场上的竞争力，提高水果品质与保鲜期限，水果在上市成 为商品之前，就必须对收获后产品进行清洗、加= 等处理，然后按大小尺寸及品质等级标准 等进行分选、分类和包装。一方面，水果的分选不仅可为以促进市场流通的需要，提高食晶 的卫生安全以及产地的信誉，而且通过分选、整理提高产品档次，达到优质优价。这是生产 者和经营者平等竞争、增加效益的唯一办法。另一方面，如能在销售、储藏或加工前对水果 进行喷蜡和分选，既能避免分选过程中的损伤，增加水果的储藏时间，提高水果的加j ：质量 和出口等级，减少损火，又能提高储藏质量，免受细菌感染。对于满足各消费阶层的需求， 增加我国水果的出1 5 1 竞争能力具有r 分重要的经济和现实意义。 1 3 国内水果分选机的应用现状 为了实现水果机械自动化分选，我国在7 0 年代研制过有关机械，当时主要是采用筛孔式 分选原理，结果由于水果损伤严重而停止使用。随后，我国在一段时间里，由国家投资分别 从日本、澳大利亚等国引进了部分机械称重式分选设备，用于重点出口基地。按重量进行分 选，虽然伤果率低，但是误差却较大，而且设备结构过于复杂。为此，在8 0 年代中期，我国 有关部门开始进行辊、带间隙式水果分选方式的研究，并于1 9 8 7 年通过了第一台样机鉴定， 该设备较受用户的欢迎，目前占有较人的市场份额。近年米，随着计算机视觉技术的发展， 在9 0 年代初期，国内外都已进行了计算机视觉技术在水果外观检测与分选中的应用研究。目 前己在尺寸检测方面取得比较满意的成果，有较成熟的计算机尺寸与颜色分选生产线。 1 4 水果分选机的系统分类 根据不同的用途，采用不同的硬件， 按采用的传感器的形式分类，具体如图1 可开发研制成各种各样的水果分选机。它们土要是 1 所示。 大小等级重量记量式 舟孔式 光栅遮断式 摄德机式 |色赓撇1 凳茎篙篡 f觏熟1 篡：茎 l 内部厂成分等级光电传感鞋式 广熟度等级e | | 篓篡萎式 l 构造等级t 敲打搌动式 rx 射拽( c t ) 式 1 5 国内外现有水果分选机 1 5 1 大小分选机 人小分选机是按照水果大小进行分选。在大小分选机当中，最常见的机型是筛孔滚筒式 分选机和辊式分选机。 目前日本研制的水果大小分选机，采用先进的辊、带进行间隙分级，在机器1 作过程r h 水果因直径不同而通过不同的问隙落到相应级别的水果槽中。分选精度大于9 5 ，生产率大 于l5 吨每小时。 美国p e n w a t 公司d e c c o 型分选机是一种新型大小分选机，具有速度快、性能好、通用 性强的特点。它根据体积分选的原理进行工作，综合了大小和重量分选机最突出的优点，同 时消除了二者的缺点，使分选作业真正得以柔和平缓地进行。 i t a l y 0 0 1 一a 型分选机是意大利近年来研制的水果大小分选机，可将水果按大小进行无 1 水果袭瓴 坝卜学位论文第一章绪论 级分选。该机利川带订网腻的分选传送惜进力二分选。由十网眼的孔径是无级变化的，可以完 成较精确的等级分选。 随着电子技术年计算机| 冬| 像技术的发展，最新采用光屯传感器或c c d 摄像机对水果的 大小进行测量判别l _ ! 成为此类分选机的发展趋势。洲为它们是对水果的大小进行不损伤的非 接触性计量，适用任何种类的水果。 1 5 2 重量分选机 根据水果的重量进行分选的分选机，是最甲开发的机种。现在广泛地使_ f = j 于苹果、梨等 的分选作业，早j j 主要是机械式重量分选机，采用杠杆原理进行称重分选。 除机械式重量分选机之外，还有通过压力传感器检测水果重量，进行水果分选的电子称 重式分选机。由0 一系统采用微机控制，可按需选择准确的分选基准，分选精度高，使崩特别 的滑槽，落差小，水果不受冲击、不损伤。分选、装箱所需时间为传统的l 2 。具有伤果率 低、误差小、分选范嘲可调、生产效率高等特点，有很人的发展前景。 以色列e s h e t e l i 。o n 公司、美国a u t o l i n e 公司产生的电子称重式分选机，在分选检 测技术上已经很成熟，工作效率高，并具有较高的分选精度。但是该类型水果分选机的研制 在同内仍处丁起步阶段。 1 5 3 外观品质分选机 外观铺质分选机是按水果的成熟度、损伤、病虫害的程度以及形状进行分选。最初，是 采 j 辨色传感器提取水果的单一颜色信息，以t t t * l y , 4 水果成熟度。现在，由t - p c 计算机和 有关图像处理硬什成本的下| j 昂，新崛起的彩色c c d 摄像机已逐渐地代替了辨色传感器，成 为能根据水果成熟、损伤、病虫害以及形状的情况来综合分选的分选机。 在意大利的水果贮藏加上业生产中，使用颜色分选机较早，主要是对苹果进行颜色分选， 其原理是按照绿色苹果比红色苹果的反射光强的道理进行的。工作时，水果在松软的传送带 上跳跃移动，光线可照射到水果的大多部位，这样就避免了水果单面被照射。反射光传递给 电脑，南电脑按照反射率的不同来将水果分开，一般分为全绿果、半绿( 半红) 果、全红果 等级别。 目本二菱电器公司研制的水果成熟度分选机，利用传感器综合测出梨的表面颜色、对特 定光的透光率、形状和大小并与事先贮存在计算机中的优是梨的数据进行对比，推算出成 熟度和糖份。 既按水果着色程度又按水果大小来进行分选，是当今世界生产上最先进的水果采后处理 技术，n 删- s t 在意大利研制成功井应用于生产。该机型分选机将自动化色泽分选和自动化 x d , d f f i g 相结台。首先是带有可变孔径的传送带进行大小分选，在传送带的下边装有光源， 传送带上漏卜的水果经光源照射，反射光又传送给电脑，由电脑根据光的反射情况不同，将 每一级漏下的水果又分为全绿果、半绿半红果、全红果等级别，又通过不同的传送带输送出 4 砸士学位论文 第一章绪论 去。该生产线每小时可处理苹果】5 - 2 0 吨。 关国俄勒冈州的a l i e e l e c t r o n i c s 公司生，“的水果分选机，能分选水果、蔬菜、泉j 及髯 种小食品。该机型采用高晰像度的c c d 摄像机，能识别以每分钟5 8 0 英尺速度在传送带上 移动的产品上仅1 f n m 人小的变色部分和缺陷部分。在进料传送带与接取传送带之间朋空气 输送产品之际，计算机使1 2 8 个次品排除器中的1 个工作，排除次品。排除时能控制空气吹 在次晶的中心部位，几乎不发生错误排除现象。该分选装置能按产品的色泽或大小进行分选， 并能将特定产品分选内容参数编成程序预先储存庄存储器内，是目前较为先进的新型分选机。 1 5 4 内部品质分选机 许多水果单靠外表观察无法判定其内部品质，例如：含糖量、成熟度以及是否有空洞等。 为此被开发的内部品质分选机采用了x 射线、红外线、紫外线、气敏以及敲打振动式等传感 器技术。常见的西瓜分选机是利用x 射线透视成像原理判别其空洞情况，也有通过对被分选 听瓜敲打后产生的振动波的频谱分析后判定其宅洞和成熟度。而水果的含糖量检测是采用电 磁波( 红外线或紫外线) 反射或透射的频谱分析法，这类技术通常被应用在苹果、桃子、棚 瓜的含糖量分选机上。另外，也曾有过有关采用气敏传感器测量蔬菜、水果散发香味以及光 敏感传感器测量蔬菜、水果透光率来判断其成熟度的分选机的报道。 1 6 水果分选机的难题和关键技术 通过以卜介绍可知，水果分选机实际上主要是通过传感器对被分选对象进行有关的数据 采集，并根据对数据的判断结果，移动被分选对象位置的装置。但是，与t 业自动化检测设 备相比，不同之处是除了在传送过程中不能损伤被分选对象外，更主要的是要像人样具有 综合的判断能力。这也是水果分选机的开发落后于j 二业自动检测设备的原阴之。l 业自动 检测设备只要根据采集到的信息，根据它们与标准数据的逻辑关系以及公式推算就可以判定 被测对象是否合格。但是，人对水果分选是根据经验从视觉、嗅觉、触觉以及听觉等得到的 信息来进行综合判断。它们的标准也很难用具体的数据和逻辑关系公式来表达。如果水果分 选机能完全代替人的工作的话就必须具备像人一样的智能判断功能。但是目前传感器技术和 计算机技术都无法达到这样的程度。因此，许多在上业自动检测设备中成功的开发经验也不 能完全适用于水果分选机。水果分选机要完全取代人工分选必须突破以f 儿个难点： ( i ) 分选机的传感器 ( 2 ) 分选机的智能度 ( 3 ) 分选机的柔软性 ( 4 ) 分选机的通用性和适用性 坝上学位论文 第一章绪论 1 7 主要研究内容 中国农、i k 大学的张东兴教授近年来+ 卣从事于果蔬生产、分选加t 机械化技术的研究。 引进了以色列e s h e fe | l o n 公司生产的电子称重式水果分选机。该设备可实现水果手u 蔬菜 的自动化分选，最人称重值可达1 5 k g ，由机电控制系统、称重单元、计算机和打印机等构 成。系统软什可预儿定义1 0 个分选等级，并能存储在磁盘上。实现功能包括：设置分选等级， 指定不同重量水果的不同出口，将水果i l l 动分组。此外，该程序包括的其他功能有：打印分 选结果报表，保存数据，系统校准，性能检验以及错误警告。 通过对该机型水果分选机进行的人量实验与研究，我们提出了改进原有测控系统的思想， 将原有电子称重单元的p c 机为主机的微机系统，改进为单片机为主机的测控系统，使该机 型分选机进一步国产化，使其成为适合我国国情的水果分选机。 本课题的研究任务是对现有电子称重水果分选机的测控系统进行改进，将原有的p c 机 控制替代以单片机控制。在保持原有控制精度的基础上，提高操作的简便性，从而降低该机 型分选机的价格，使其更具市场竞争力。本课题研究内容包括以f 三个方面： ( 1 ) 分析对比各种水果分选方法： ( 2 ) 研究现有电子称重式水果分选机的各组成单元j ( 3 ) 研究开发该分选机的微机测控系统。 本课题拟解决的关键问题足通过设计单片机为主机的微机控制系统，对压力传惑器输出 模拟电胝信号进行实时测控，完成水果称重与水果分选的同步进行。 砸 学位论文第：市再种水果分选方法的对比分析 第二章各种水果分选方法的对比分析 2 1 水果分选作业概述 2 1 1 水果分选标准的发展 中国果牖早期经营时，果品的分选以自然方式为主，即在农民和商贩之间，采用手测的 方法，例如四川i 江津甜橙的分选是以手掌大小为分选标准，贴掌为一级，即一只手环握水果， 另一掌贴满空隙处；二等称为贴网指；三等称贴_ _ 三指：四等称贴二指；五等称贴一指；最小 者不贴指。浙江j2 波、杭州等地水蜜桃的分选，则按蒸笼果篮作标准：有：闰零：二吲零 碎二。：一圈零二；二圈零一；三圈零二：，真拿四圈零一装满一笼屉为最小的级。 近代则都改用果径大小以尺寸标准一致的分级板度量，并公布了苹果、梨为主的分选、 包装检验草案，对果品等级规格的规定除个体大小外，还包括重量、包浑、开头伤害程度等 项的具体规定。1 9 6 0 1 9 8 0 年义颁布过几次部颁标准，至1 9 8 3 年中华人民共同国商业部颁 布g h 0 1 5 - 8 3 节果收购规格标准。g h 0 1 8 3 柑橘收购规格标准等。2 0 世纪8 0 年代历期又组 织制定了新的标准。还试制r 适于小规模包装用的打蜡机、分选机。外围的水果分选就其 性质和内容同中国的情况相似，早期也是按农民的习惯，分成若干等级，进而斟法律明文规 定，以保护贸易。 目前，世界各国都有自己的分选标准，一般都是按水果大小、色泽6 质好坏分成3 4 个等级，如苹果，美国分为特级、一级和_ 二级3 个等级；曰本分为1 级、2 级、3 级和等外级 4 个等级：中国分为等级、一等、_ 二等、三等和等外5 个等级。各国分选等级主笺以水果直 径为主，同等大小的水果中还可按色泽或品质再分为若干等级。 2 1 2 水果分选的要求 水果的分选主要是根据品质和大小来进行的，具体的分选标准又因水果的种类和品种不 同而易。品质等级一般是根据产品的形状、色泽、损伤及有无病虫害状况等分为特等、一等 和二等。大小等级则是根据产品的重量、直径、长度等分为特大、大、中和小( 常用英文代 号x l 、l 、m 和s 表示) 。特级品应该具有该品种特有的形状和色泽，不存在影响质地和风 昧的内部缺点，人小一致产品在包装内排列整齐，在数量和重量上允许有5 的误差。一 等姑与特级品有同样的品质，允许在色泽上、形状上稍有缺点，外表稍有斑点，但不影响外 观和品质，产品不一定要整齐地排列在包装箱内，在数量和质量上允许1 0 的误差等品 可以有某些内部和外部缺点，但仍可销售。水果的分选可根据需要按国际标准、国家标准、 地方标准或行业标准进行。 2 1 3 水果分选自动化的发展 现代化分选技术包括上线、清洗、涂蜡、干燥、分选、装箱等多项流水作业程序，其中 分选既是核心又是近年米发展最快、现代化披术应用最多的部分。传统的机械式、 也子式分 选流彩先是由人工进行等级分选，厉由数台相同的机械电f 设各分别自动完成大小分选，分 选过程为半自动化。而现代汁掉机图像处理式取代了人= 分选，可不分先后地进于等级和大 小的同时自动分选，大大提高了工作效率。全自动图像处理式分选系统一般由摄像机、无损 伤检测装置、传送带、计算机、电器控制系统等组成。在水果分选过程中，水果位于传送带 上，摄像机配置在传送带的上方及周边，在传送带的两侧安装有无损伤检测装置。当水果通 过摄像机时，水果的颜色、大小、形状、表而损伤情况等均被记录下来，通过这些信息的计 算机处理即可完成一般分选作业。若想进一步了解内部质量情况，可通过无损伤检测装置测 定糖度和酸度等指标。 2 2 各种水果分选方法的对比分析 2 2 1 按水果大小分选 按照水果大小进行分选，由丁选山水果大小形状基本一致，有利丁包装贮存和加上处理， 故在水果分选技术中应剧很广泛。目前，苹果类圆形水果种类很多，但同一种类圆形水果的 密度差异其小，因此按大小对此类水果分选是科学的。通过大量调查、分析研究，目前可用 于苹果类圆形水果分选的方法有筛子分选法、回转带分选法、辊轴分选法、滚筒式分选法等。 ( 1 ) 筛子分选法 该分选方法一般采用平面振动筛，筛体由两层以上的筛面组成，筛孔人小由分选尺、j 确 定，主要是通过筛体的振动使筛面水果以一定速度向排料端移动小丁第一层的水果落剑第 一：层筛面，以下类推，各层筛上水果可从一侧分别排出，从而获得不同等级的苹果。筛了分 选采用的是振动原理，果品易损坏，在果品损伤中振动损伤是其主要影响因素，故此法不太 适合。 ( 2 ) 同转带分选法 回转带分选的j 作方式是将水果置于两条分离带之间，若果径小于两带之间的距离，水 果便从中落f 。由于两条选果带之间的距离沿水果运行方向不断增人，使不同尺寸的水果落 在r 方相应的输送带上，该方法从结构上容易实现、简单，故障少，但分选精度不高。 图2 - 1 回转带分选工作原理图 坝十学位论文 第二章各种水果分选方法的对比分析 ( 3 ) 辊轴分选法 分选作业是在一条由许多辊轴组成的输送带上完成的。辊轴有一定长度，在轴上开有梯 形槽，具有输导水果作用。相邻两辊轴问装有一个能升降的中间辊轴3 ，这样3 根辊轴形成 两组分选口，辊轴一面自转，一面随输送带前进。同时， j 丁中间辊轴的上下位置受导轨控 制，而不断升起，因而分选口不断增大。进入分选口的水果随着辊轴的自转而转动，使其可 能以最小直径对准分选口。当最小直径小于分选口时，水果即由此几落下；不能通过分选f ：_ ：1 的水果则随输送带继续向前运动，赢到中间辊轴上升至分选口大于其最小直径时f 落。这样， 在出料输送带的不同位置上可获得不同等级的水果。中间辊轴上升到最大位置刚，分选便到 此结束，以后便r 降至最低位置，继而回转至进料斗再重复上述过稃。该法分选较准确，但 从结构l 实现较复杂，机器成本高。 图22 辊轴分选工作原理图 ( 4 ) 滚筒式分选法 该机土要由喂料机构、v 型槽导果板、分选滚筒、接果盘及传动系统组成。1 ：作时，滗 放水果巾倾斜输送器提升后，先经手选装置由人- r 8 0 除伤残果，然后通过输送带送入果箱， 打开料门，苹果送入导果槽板，在此水果自然分行滚动，不会出现水果堆积和胆碍现象。分 选滚筒开有倒孔， l 径逐级增大，水果从v 型导果槽板流至滚筒外边进行白动校径的分选过 程。小j 二分选孔的水果先从第一滚简分选孔落入接果盘，大于分选孔的则经v 型导果槽继续 向前滚动重复前面的过程。由于每级滚筒的孔径逐渐增大则把水果分成不同大小的等级， 在相应位置的接果禽可得到相应等级的水果。 由于工作时，水果在滚筒内表面或外表面运动，水果与滚筒表面的相对运动较小，水果 问不易发生撞击损伤很小。此法适府于球形和近似球形物料的分选，从结构上容易实现， 成本较低，分选精度高，效率高，在国外应用较厂。 1 倾斜输送器2 手选装置，3 - 料门，4 - 果箱，5 - v 型导果，6 滚筒7 辊轴，8 接果盘 图2 - 3 滚筒式分选机工作原理 ( 5 ) 其他大小分选法 为减少水果碰撞，提高好果率，有的分选机是利用浮力、振动和网格相配合的办法进行 分选。在选果搏的上部装殴网眼尺寸不周的选果筛，水槽里面设振动部件。分选时，先将水 果送入水槽里面，振动部件振动时，槽中水果获得动能而移动，当水果移到与其大小相应的 网眼时，水果便通过网眼浮出水面，停留在相应的格槽中，然后收取，即完成水果分选_ 序。 这种方法的优点是避免了水果i h j 的互相碰撞，在分选的同时可对水果进行清洗和消毒作业。 由于计算机图像技术的发展，采用光电传感器域c c d 摄像机对水果的大小进行测量判 别，以此实现不同颜色水果的分选。因为它们是对水果大小进行不损伤的非接触性计量，所 以适用任何种类的水果。 从以上分析可知，水果人小机械式分选法中，滚筒式分选法与其它分选法相比具有明显 优点：水果损伤很小，分选精度高、效率高、结构简单、成本低，应优先选用滚筒式分选法。 另外，目前止逐渐发展起米的计算机图像处理技术，也可以用来进行水果人小的分选，具有 无损伤的特性。 2 2 2 按水果重量分选 重量分选法一般采用机械式称重，利用了杠杆原理对水果进行分选称重。设备t 作时， 杠杆的一端装有盛果斗，盛果斗与杠杆间是铰链连结，杠杆的另一端上部由平衡重压住，f 部有支撑导杆以保证水平状态，杠杆中间由铰链点支撑，当盛果斗的水果重量超过平衡重时 杠杆倾斜，盛果斗翻倒，抛山水果。承载较轻水果的杠杆越过此平衡重的位置沿着导杆继续 前移，当遇到小于水果重量的平衡重时，枉杆才倾斜，盛果斗翻倒在新的位置抛出较轻的水 果，由此，水果可按重量不同被分成若干等级。 目前，机械式重量分选机主要有两种机型： ( 1 ) 固定衡量秤体、运动输送盘式 ( 2 ) n 定限位装置、运动衡量秤体式 0 硕士学位论文第：草拜种水果分选方法的对比分析 这两种形式虽都运用杠杆原理却有小同特点。固定衡量秤体式，对秤体加上致性璎求 不高，但输送盘运输水果通过固定衡量秤体进行称重，存在动态称量误差，需婴解谀动与辞 的匹配问题。运动衡量秤体式，水果与称重秤体同时运动，它们之间相对静f j ，输送方向与 杠杆作用力方向垂直，不存在动态称量误著，但既作为输送果盘又作为称霞秤体的许多套装 置要通过同一固定限位装置来完成分选过程，所以对一致性要求较高需要由制造加i 精度 及装配精度来保证。 机械式称量分选对水果的损伤较小，而且具有较广的通用性，但是，存在较多影响分选 精度的因素，包括有：( 1 ) 秤组件之间的重量误差：( 2 ) 秤组件之间的尺寸误差；( 3 ) 转轴 摩擦对称量误差的影响等。 为提高分选精度，国内外开始研制电子称重式分选机，本课题研究内容就是涉及这。领 域。电一f 称重式分选机一股采用压力传感器称量水果，微机系统对传感器输出信号进 1 ：采样、 放大、滤波、模数转换、运算和处理，并控制机械执行机构进行分选。具有更高精度利更高 的控制灵活度，在实际中有更广的应用前景。 2 2 3 按水果外观分选 根据水果外观的不同，如色泽、形状和表面缺陷度等标准，对水果进行分选的方式称为 水果外观。其分选方法包括：光电式色泽分选法和计算机图像处理分选法。 ( 1 ) 光电式色泽分选法 色泽分选法的一r 作原理是：水果从电子发光点前面通过时，反射光被测定波长的光电管 接受，颜色不同，反射光的波长就不同，再由系统根据波长进行分析和确定取舍，达到分选 效果。二作时，水果在松软的传送带上跳跃移动，光线可照射到水果的大多部位，这样就避 免了水果单面被照射。反射光传递给电脑，由屯脑按照反射率的不同来将水果分开。按照绿 色水果比红色水果的反射光强的道理，一般分为全绿果、半绿( 半红) 果、全红果等级别。 ( 2 ) 计算机图像处理分选法 计算机图像处理技术在水果分选上应用具有根强的针对性。其工作原理是：通过安装在 水果输送带七方的装有滤波片的c c d 摄像机，捕获在输送带上运动的水果图像。每次司同 时摄取多个水果的图像，并对每个水果连续摄取不同时刻的多帧图像。图像数据经数据采集 号转化为位图并输入内存缓存区。p c 处理器读取缓存中的水果图像并按照一定的算法进行 色泽模式变换，再通过中值滤波除去随机噪声，最后对不同水果图像进行分离处理以精确分 析每个在线水果的特性。 根据不同要求，计算机图像处理分选法涉及以下几个内容： ( a ) 缺陷检测 早在1 9 8 5 年，r e h k u g l e r 和t h r o o p 就提出采用黑自摄像镜头基于苹果图像灰度值的缺陷 检测方法。然而，由于苹果果面为曲面，使得图像的灰度值由果面的中心向边缘呈递减趋势， 再加上噪声、尺寸及形状的影响，无法使用单一技术( 如闽值法或背景相减法) 进行缺陷检 测，并且无法借助模式识别进行苹果质量的评判，因而检测的精确度极低。y a n g 在此基础上 删l 学位论文 第二章各种水果分选方法的对比分析 提山了j 洪水算法分离块状缺陷( 包括碰j i 伤、描烂) 、花萼和梗的图像的方法。随后y a n g 等改进了洪水算法，提出r 通过蛇形算法进行封闭式缺陷分离 一者均通过r r 值滤波和高斯 滤波减低噪声，且通过剧值法分离出并种缺陷。虽然检测的精确度有所提高，但还是达不剑 商业化要求。l e e m a n s v 等采用彩色l 訇像检测苹果的表面缺陷：首先计算出整个苹果表面的 色泽均值，然后计算每个像素的色度值与整个表 f | i 色度均值的方差或者均方差，如差异超过 极限值，则认为该像素为缺陷；然后，通过分别计算整个果面中每个像素的r g b 三色激励值 的中值，包括各种缺陷的三色激励值的中值，与好的果面三色激励值的中值进行加权离差， 米修正以上的评判结果；最后借助局部色泽信息再次修正评判结果。t a o 等研制出的基于计 算机视觉的苹果缺陷检测系统达到了快速和全面检测的效果。在该系统中，首先将采集到 的6 个苹果的图像数据进行分离和滤除环境噪声等处理，然后进行果面缺陷的计算。为了克 服苹果曲面引起的光照强度不均的问题，通过缺陷变换，最大限度地保留了果面上任何水平 的缺陷，包括灰度值低于背景的像素，然后通过形状变换算法，对光照进行有效的补偿。 ( b ) 颜色检测 水果外表颜色反映水果的成熟程度，其色泽状况影响到消费者的接受程度。s h e a r e r 等将 r g b 二色激励值定量转化为h i s 三个参数，并基于r g b 值构造了8 个色调变量，根据颜色 和损伤对青椒进行分选。t a o 采用线性识别方法对l 豆和苹果进行颜色识别，系统的识别精 度达到9 0 。其研究结果表明，应用全色调债的识别能力高于采用选出归类法的部分色调值。 t a o 还进一步研究了应用l ：j j 环搜索方法对多摄像头系统进行自动修正问题，减少了识别系统 巾光线、灰尘、光学系统缺陷和摄像头的r g b 差别等造成的误差。k a z u h i r o n a k a n o 采用二 级神经网络米对苹果进行颜色分选。在建立的_ 二级神经网络模型中，一级神经网络依据像素 的色泽将每个苹粜果面上的像素分为5 类，二级神经网络则依据整个果面的颜色状况及一级 神经网络的输出值，把苹果分成6 个级别。通过将苹果果面沿花萼梗方向分区并分别进行处 理，解决了因苹果果面曲率不同而引起的反射梯度不同的问题。 ( c ) 形状检测 种植环境和品种的不同使水果的形状多种多样。目前描述水果形状的方法有很多种，包 括编码法、统计法、几何结构法和光谱法等。边界编码法虽然能够准确地描述水果的形状， 但数据量人而且压缩困难。动差、弯曲能、最大最小直径和差分等统计学方法虽然效率较高， 但描述形状不规则的水果时精度较低。采用边界半径和傅立叶变换对苹果的形状进行描述， 不仅准确性高而且速度快。l n g r i d p a u l u s 等的研究表明，苹果的形状可以由前1 2 个上| 三弦值和 】2 个余弦值表达，此时，相关性( r 2 ) 超过o 9 8 。s i n g h n 等提出用离心率来衡量苹果形状 的好坏。他们用计算机视觉系统对每个苹果捕获三帧图像，然后分别求出每一图像中苹果的 离心率，接着取其中的最大值作为该苹果的形状指标。而k u h n 等则以对称性( 即轴向最人 与晟小尺寸的比值) 为指标来检测形状。 国内学者从9 0 年代开始，利用计算机视觉进行水果的品质检测方面，并做了大量的研究 t 作，但他们的_ _ j 二作主要集中在静态水果的计算机图像处理和识别算法的研究与开发上，还 远没有实现在线检测分选的目标。要实现水果的在线分选，目前面临的主要问题有： ( 1 ) 对水果整个表面进行实时视觉检测比较困难。在水果分选生产线上，要求输送机构 输送水果并把水果整个表面呈现给摄像机，当水果通过时，视觉系统必须能快速检查每个水 1 2 顾士学位论文第二章荇利- 水果分选方法的l 一 l e 分析 果的全部果面，六】为即使很小的缺陷面积，也会使得水果级别发生很人变化。 ( 2 ) 视觉系统要同时快速地采集、处理、识别苹果的形状、颜色汞i 缺陷信息。因此，幽 像信息的处理和识别算法必须简单而有效，从而满足在线高生产率的要求。 2 2 4 按水果内部品质分选 内部品质包括水果的糖度、酸度和缺陷等指标。一般来说，水果的成熟程度可以用水果 的颜色问接地代表，但表示成熟度的根本是水果内部的糖度、酸度、果肉软硬度程度等指标。 精酸度的破坏性检测技术早已被人们掌握，而无损伤检测是近年米发展起来的高科技技术。 水果品种多种多样不同水果有时需要不同的检测方式方法。检测方法按检测项目大致呵分 为近红外糖酸度分析法、力学成熟度分析法、可见光成熟度分析法、激光分析法、x 射线分 析法。按安装方式可分为随身携带式和l 在线同定式。 ( 1 ) 近红外分析法 目前这种方法应用的最多晟广，技术相对成熟。通常，将波k 为o ，8 一g 5 i t m 的红外线称 为近红外线。所谓近红外分光分析法，就是基于水果内所含各种成分的分子结构在近红外陋 域的吸收现象，利用了积回归分析等统计方法及计算机技术，进行成分、理化特性分析的方 法。其原理是当近红外线照射到水果时，一部分被反射，部分被吸收，检测与成分相关的 特定的吸收光带，就可算出成分含量。 该方法在水果检测方面，主要用于测量糖度和酸度。国外已开发出柑橘糖酸度无损伤存 线检测装置，主要由光源、光学传感器、数据处理三大部分组成。利用该装置，柑橘在小受 任何破坏的情况f ，即可获得糖酸度值。另有携带式糖酸度检测装置，与固定式相比，除可 检测糖酸度外，还可在水果成长过程中，随时监测水枭内部成分的变化，为栽培管理和适时 收获提供科学依据。 ( 2 ) 力学成熟度空洞分析法 该方法就像人们挑选西瓜时一样，由机械装置向水果发出敲打动作，通过传感器检测振 动频率或传播速度及计算机进行波形分析比较，最终判断出水果的成熟程度。经分析得出， 振动频率越低或传播速度越慢成熟度越高。 目前，已有企业开发研制出在线两瓜成熟度空洞检测装置。该装置由升降敲打、传感器、 托盘、计算机等部分组成。通过波形的频率及相关关系的分析，分别判断成熟程度和有无字 洞现象。另外，国外也开发出一种用振动传播速度米判断甜瓜成熟皮的携带式检测装置。该 装置由敲打装置、信号处理、a d 转换器及笔记本电脑组成。从测量结果可以得出，传捅 速度与果肉的实际硬度间具有相关关系，且与品尝实验结果一致。此外，在甜瓜栽培管理过 程中，该装置通过敲打判别果肉软硬度，还可推测网纹形成的时期、从而进行温度和水的管 理，以期达到形成最佳网纹。 ( 3 ) 可见光成熟度分析法 利用菠萝成熟程度与透光量之间的相关关系以及重病害果不透光的特性，可对菠萝的成 熟度和病害果进行判别。如日本研制的携带式菠萝成熟度检测装置，以自然光为光源，由检 碗i 。学位论文第二章各种水果分选方法的对比分析 测、信号输出增幅放大、演算、结果显示等几部分组成。经实验，采摘前和采摘后检溅精度 分别为8 0 、9 5 ，因此，可作为采摘期预测和采摘后的成熟度检测技术普及推f 。 ( 4 ) 激光糖度分析法 水果的糖度由水果中含有的蔗糖来决定。充分利用蔗糖只吸收特殊光线( 激光具有较盯 的单色性) 的性质，通过测量随蔗糖含量而变化的特殊光线量，即可最终确定水果的糖度。 已有公司应用该技术开发山激光甜瓜糖度在线检测装置。据介绍，该装置通过转换开关，还 可测量成熟度和西瓜的糖度。其性能达到每小时检测7 2 0 0 个，当敷检测总数的6 8 时，其 糖度精度达到士o 5 b r i x ，9 6 时为士1 0 b r i x 以内。 ( 5 ) x 射线分析法 x 射线具有穿透能力，而物质的密度大小又影响x 射线的穿透量的多少，通过对穿透量 的分析，就可探明物质内部的情况。因农产品的密度与金属等物质相比要小得多，所以所需 x 射线强度很弱，通常称其为软x 射线。应用软x 射线可以检测如马铃薯、西瓜内部的空洞， 柑橘中的皱皮等内部缺损现象。检测装置由x 射线发射、接收、遮挡罩板、计算机等组成。 检测的结果与我们平时习惯了的图像形式不同，它是以波形出现的( 这主要是为，减少成像 时间，加快检测速度) ，正常果的波形圆滑，而皱皮果由于局部密度的减小，使得波形中产生 突变，根据波形中有无突变现象及其大小，即可判断皱皮发生情况。 另外，还有一些项目的检测方法，如柑橘腐烂紫外光检测、桃腐烂近红外检测、苹果水 心病近红外检测、涩柿可见光检测等技术均已成熟。 2 3 各水果分选方法的对比分析结果 对丁水果分选加工技术，由于自动分选的水果一般都不具有定形状或参数，因此根据 不同类型的水果以及各种分选要求，存在以上多种不同的水果分选方法。现将各种水粜分选 方法进行分析对比。 ( 1 ) 大小分选法 按水果大小进行分选，般采用机械式，分选设备简易，应用广，较容易实现；但是存 在伤果率高，分选精度低的缺陷。近年来，计算机图像处理技术在水果大小分选上有较大的 发展，具有较r 的发展前景。 ( 2 ) 重量分选法 早期采用机械式称重为主，伤果率f 降，但是仍存在难以避免的精度误差。近年来，更 多重量分选机采用压力传感器称重和微机测控，称重精度和分选控制灵活度都有很大的提高， j 二作效率也大大提高。 ( 3 ) 外观品质分选法 该分选方法最初是采用辨色传感器提取水果的单一颜色信息，以此判别水果成熟度。现 在，由于p c 计算机和有关图像处理硬件成本的下降，新崛起的彩色c c d 摄像机已逐渐地代 替了辨色传感器，成为能根据水果成熟、损伤、病虫害毗及形状的情况来综合分选的分选机。 在水果分选方法中，通过水果外观品质进行分选这一方法具有很广的应用前景。 4 ( 4 ) 内部品质分选法 列水果内部品质进行无损伤检测，是近年来发展起来的高科技技术。该分选方法在对水 果无任何损伤前提_ | = i ，能够完成水果内部品质的精确检验，在各种分选方法、hj l 有其独特 的优势。但是，水果品种多种多样，不同水果有时需要不同的检测方式方法t 具有 定局限 性，成本较高。因此，该分选方法目前仍处于研究阶段，未能推广使用。 通过以上分析对比，我们可以看到，随着传感器技术、光电技术、计算机图像处理技术 等各种高新技术进入水果分选技术领域，最甲利用机械装备按照单一标准进行水果分选的技 术已经落伍。开发高速、高精度、高效的集传感器、光电元件、计算机为体的分