基于MEMS与单片机的黄金瓜成熟度无损检测系统研究

基于MEMS与单片机的黄金瓜成熟度无损检测系统研究 摘要摘要 黄金瓜又名十棱黄金瓜 学术名称为伊丽莎白厚皮甜瓜 因色泽 金黄而得名为黄金瓜 黄金瓜外表美观 颜色鲜艳 香气浓郁 内含 多种维生素及高糖 汁多味美 甘甜清脆 黄金瓜不仅味美可口 营 养丰富 还能补中益气 消炎止痛 解毒杀虫的作用 对老年人高血 压 冠心病 肥胖症等 亦有较好的疗效 许多村官大学生通过带领 当地农民种植黄金瓜致富 本文通过对黄金瓜的力学和物理特性的分析 设计一套以凌阳十 六位单片机为控制核心 以 MEMS 微机电系统 加速度传感器为检 测工具 以 FFT 快速傅里叶变换 为信号分析和计算方法的黄金瓜 成熟度快速检测装置 检测过程中 利用对黄金瓜的敲击产生的振动 频率响应 来准确判断黄金瓜的成熟程度 检测结果将显示在液晶显 示器上 包括振动波形 振动频率和成熟度指数 并且进行成熟度等 级分类 引言引言 如何科学地 按黄金瓜成熟度分级销售 对消费者和销售者都是 有益的 这方面国内外学者也开始了研究 本系统是基于 MEMS 和凌 阳单片机的黄金瓜成熟度检测系统 利用 MEMS 加速度传感器体积 小质量轻性能稳定 响应快 频带宽 成本低等特点 以冲击振动无 损检测原理为基础 运用单片机实现检测的自动化和智能化 通过振 动电路将黄金瓜成熟度信号经过 A D 采样 经过 FFT 快速傅里叶变 换 得出黄金瓜振动的固有频率 经过单片机处理最终在液晶上显示 出振动频率 黄金瓜质量和振动波形 并对黄金瓜成熟度进行分等 在传感器方面引入 MEMS 技术 运用了 MEMS 加速度传感器 而微机电系统是在集成电路生产技术和专用的微机电加工方法的技术 上发展起来的高新科技 具有体积小 质量轻 性能稳定 可靠性高 频带宽 成本低等优点 是当今学科交叉的前沿领域 1 检测原理检测原理 黄金瓜内部的物理结构分为瓜皮和瓜瓤 从力学角度 瓜瓤各部 分相差较大 因此瓜瓤又可分为三层 第一层为接近瓜皮部分 第二 层为中间层 第三层为中心部分 黄金瓜在成熟的过程中 瓜皮的硬 度和弹性模量逐渐增加 但内部瓜瓤组织细胞间结合力随成熟度而变 小 因此瓜瓤变松 脆 瓜瓤的弹性模量随成熟而变小 1 黄金瓜可 以简化为多层球状弹性体 当其受到瞬态冲击时 球体将产生振动响应 按照弹性体振动理论 由冲击造成的振动响应的频率是弹性体的固有 频率 球体的固有频率与其材料的密度 几何尺寸和弹性模量等因素 有关 其关系可由球体振动的微分方程解出 2 式中 球体的位移 材料常数由此方程可得到拉压弹 性模量 E 与固有频率 f 的关系 E f2m2 3 已知黄金瓜越成熟 瓜瓤 的弹性模量越小 但由于直接测量弹性模量是破坏性的 故对质量 m 一定的黄金瓜 可通过测固有频率 f 求得弹性模量 E 从而达到黄金 瓜成熟度的无损检测 这就是利用冲激响应的固有频率无损检测黄金 瓜成熟度的基本原理 2 黄金瓜的固有基频还与其含糖量有较好的线 性关系 含糖量可用糖分测量仪测出 本系统使用的是国外对水果无 损检测所取得指数一样的 f2m2 3 作为黄金瓜成熟度指数 2 控制系统控制计算模块以及数据的输出模块设计控制系统控制计算模块以及数据的输出模块设计 系统结构如图 1 所示 主要硬件设备 MEMS 加速度传感器电 路 A D 采样电路 称重传感器电路 单片机 按键 LCD 显示器 控制计算部分是整个设计的核心部分 而单片机又是控制计算部分的 核心 它不仅对进入单片机的数据进行计算处理 而且控制连接数 模转换 数据运算 以及数据输出等各个模块的工作 由于振动信号 是模拟量 单片机无法识别模拟量 所以在信号进入单片机之前 必 须建立一个模数转换通道 将振动信号转换成单片机能够识别的数字 量 才能对其数据进行计算处理 经过 A D 采样的信号经过 FFT 快 速傅里叶变换 实现时域 频域的变化 方便了输出数据的观察 称重传感器将质量以及振动信号的频率进行运算后的结果通过 LCD 显示输出 显示输出的数据 包括黄金瓜的质量 振动的固有 频率和振动波形等也可根据用户的需要自行更改显示内容 本设计采 用了 JM12864M 液晶显示器 可显示汉字及图形 3 传感器外围电路设计传感器外围电路设计 本设计中主控制板选用凌阳科技生产的 SPCE061A 芯片 是一款 16 位结构的微控制器 较高的处理速度使 nSPTM 能够非常容易地 快速地处理复杂的数字信号 nSPTM 的 ALU 非常有特色 除了一 般基本的 16 位算术逻辑运算 还提供了结合算术逻辑的 16 位移位运 算 在数字信号处理方面 提供了高速的 16 16 位乘法运算和内积 乘加 运算 除了普通的 16 位算数逻辑运算指令外 nSPTM 还提供了高速的 16 16 位乘法运算指令 MUL 和 16 位内积运算指 令 MULS 这两条指令大大的提升了 nSPTM 的数字信号处理能力 SPCE061A 有 8 个 10 位 ADC 通道 模拟信号经过自动增益控制器 和放大器放大后进行 A D 转换 3 称重传感器的输出为非常微弱的低 频差分信号 它的电压幅度为非常小 所以必须加入前置放大器来 提高其放大倍数 但是如果两臂的信号出现不平衡 则采集到的数 据将会产生漂移 为此采用两路低通滤波电路对信号进行滤波 本设计用到的 MEMS 加速度传感器是基于单片 CMOS 集成电路 制造工艺而生产出来的一个完整的加速度测量系统 传感器中的质量 块是气体 气态的质量块与传统的实体质量块相比具有很大的优势 4 MEMS 加速度传感器不存在电容式传感器所存在的粘连 颗粒等问题 同时能抵抗 50000g 的冲击 由于 MXR9500N 内部集成温度传感器和 信号放大器以及 A D D A 和低通滤波器等等 大大简化了外围电路 的要求 在电源以及 X Y Z 轴输出引脚加上 104 的旁路电容即可 滤除信号线和电源引脚的高频干扰 传感器最小系统电路的设计是为 了可以将传感器方便的贴在所测黄金瓜表面 所以才将其表面积尽量 缩小 这种缩小不会影响整个系统的稳定性 4 软件及算法程序设计软件及算法程序设计 主程序中 首先是等待敲击然后对采样的信号进行 FFT 变换 通过 FFT 判断敲击是否有效如果是有效的振动则计算出固有基频 最后同测得的质量通过成熟度指数公式算出成熟度指数 主程序流程 如图 3 所示 采样频率根据采样定理选为 1KHz 分辨率为 8Hz 要提 高频率分辨率 就需要增加采样点数 这在一些实际的应用中是不 现实的 需要在较短的时间内完成分析 5 解决这个问题的方法有频率细分法 比较简单的方法是采样比较 短时间的信号 然后在后面补充一定数量的 0 使其长度达到需要的 点数 再做 FFT 这在一定程度上能够提高频率分辨力 接着对采 样信号进行 128 个点的 FFT 快速傅里叶变换 算法的流程如图 4 所示 5 结论结论 同样的方法可适用于其它品种的黄金瓜 只要事先将成熟度指标 固化入单片机 flash ROM 中即可 为了方便消费者 本系统在设计上 加入了更多人性化的设计 比如通过按键可以分别显示黄金瓜的质量 振动的频率 以及振动的波形等 此无损检测黄金瓜成熟度的装置 研发及生产费用低 携带方便 能够分级检测黄金瓜的成熟度 利 于瓜农适时采摘成熟的瓜 利于销售者按成熟度分级销售 对采摘 者和销售者都大有裨益 参考文献 1 何东健 等 黄金瓜打击音波特性的研究 J 西北农业大学学报 1994 3 2 王书茂 等 黄金瓜成熟度无损检验的冲击振动方法 J 农业工程 学