单片机水果成熟检测

1、海 南 师 范 大 学本 科 生 毕 业 论 文题目:水果无损伤成熟度检测仪的设计姓 名： 谢 骞 学 号： 200706302134 专 业：电子信息科学与技术年 级： 2007级 学 院： 物理与电子工程 完成日期： 2011年5月 指导教师： 盖志武（教授）本科生毕业论文（设计）独创性声明本人声明所呈交的毕业论文（设计）是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本论文中没有抄袭他人研究成果和伪造数据等行为 。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中作了明确的说明并表示谢意。论文（设计）作者签名： 日期： 本科生毕业论文（设计）使用授

2、权声明海南师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交毕业论文（设计）的复印件和磁盘，允许毕业论文（设计）被查阅和借阅。本人授权海南师范大学可以将本毕业论文（设计）的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复印手段保存、汇编毕业论文（设计）。论文（设计）作者签名： 日期： 指 导 教 师 签 名： 日期： 目 录1. 引言52. 国内外有关本课题研究的动态52.1、德国研究所使用气敏传感器检测水果气味52.2、日本水果的现代分级检测技术52.3、美国的一种探测乙烯气体的标签63. 理论依据63.1、水果的宏观电特性63.2、系统原理64. 方案总体介绍74.1、系统整体方案

3、74.2、方案论证与比较8 4.2.1、采用近红外光谱分析法8 4.2.2、X射线分析法8 4.2.3、检测水果的介电特性85. 硬件设计85.1、方案总体框图85.2、正弦信号发生电路95.3、信号采集模块105.4、同增益放大电路115.5、A/D转换电路115.6、单片机最小系统125.7、液晶显示模块135.8、键盘模块136. 软件设计146.1、软件设计流程图146.2、A/D数模转换146.3、上位机调试166.4、按键扫描176.5、液晶显示186.6、主控单元197. 结果分析198. 总结21参考文献:21水果无损伤成熟度检测仪的设计作者：谢骞 指导教师：盖志武 教授 （海

4、南师范大学物理与电子工程学院，海口，571158)摘 要：无损检测又称非破坏检测，即在不破坏样品的情况下对其进行内部品质评价的方法，主要运用力学、光学、声学等物理学方法进行检测。方案基于适当频率的交变电场的作用下，水果的阻抗特性参数会随频率按一定规律变化，成熟度不同则水果阻频曲线不同，曲线与水的阻抗频率曲线的交点反映水果的阻抗频率特性，交点越往左移其成熟度越好。利用阻抗频率特性衡量水果的成熟度的方法是可行的，并且该装置具有检测速度快、结构简单、可靠性高等优点。关键词：水果、成熟度、交变电场、阻抗Fruit no damage maturity detector design Author: X

5、ieQian Tutor:professor GaiZhiWu (Physics and Electronics Engineering Institute, Hainan Normal University，Haikou, 571158)Abstract: nondestructive testing also called non-destructive testing, namely in the case without destroying samples of its internal quality evaluation method, mainly utilizes the m

6、echanics, optical, acoustic testing such physical methods. Scheme based on proper frequency alternating electric field, fruit under the action of the impedance characteristics parameters will on frequency by a certain rule changes, maturity different frequency curve is fruit resistance of different,

7、 curve and water impedance frequency curve intersection of the impedance frequency characteristic reflects fruit, the move left the intersection maturity, the better. Using the impedance frequency characteristics of the fruit ripeness measure method is feasible, and the device has the detection spee

8、d, simple structure and high reliability etc. Keywords: fruit, maturity, alternating electric field, impedance 1. 引言随着科学技术的发展，人们的生活水平的不断提高，水果富含人体所需的各种物质，吃水果如今已成为一种时尚，因而水果供应商对水果质量分级和内部品质的要求也越来越显得重要。水果的成熟度是水果分级与保鲜的一项重要指标。水果成熟度的测试方法多种多样，从测量方法上来说大致分为破坏性和非破坏性两类，目前的研究大多集中于高频、破坏性测试方面，测试量也多是阻抗。而利用水果的介电特性检测方

9、法进行果蔬分级，检测设备结构简单，价格便宜且系统数据信号采集和处理方便，还能保持果蔬内部品质不受影响。试验采用介电特性法对果蔬品质无损检测测量原理，构建了一种果蔬无损检测系统。并对不同新鲜度的苹果在低频段进行了试验检测。结果表明，在 50Hz500kHz测试频率范围内，随着水果新鲜度的下降，其等效阻值趋于增大，且按一定规律变化，表明该系统的设计构造是简易可行的。2. 国内外有关本课题研究的动态2.1、德国研究所使用气敏传感器检测水果气味德国一家研究所与该国其他一些科研单位合作研制了一种特殊的检测水果成熟度的仪器，其核心技术是用金属氧化物气敏传感器去检测水果释放出的特殊气味，最后分析判断出水果的

10、成熟度。具体工作过程是：先用高分子分离柱将待测水果的气味提纯，再让带有这一气味的气体通过温度达300至400摄氏度的传感器，传感器内的金属氧化物可与气味进行反应，最后仪器根据反应状态自动分析出水果的成熟度。初步试验显示，这种仪器与食品实验室中专用测量仪的检测效果一样精确。2.2、日本水果的现代分级检测技术日本最新研制的图像处理式分级系统采用无损伤检测技术、计算机处理，可使大小分级和等级分级一次性完成，机械设备主要起了传输作用，得到了大大简化。同时，还可根据生产能力随时进行组合，对分级场地无特殊要求。只要对计算机程序或设备略加修改，即可用于不同水果，应变性强。计算机、电气设备的大量应用使得制造成

11、本有所提高，但机械设备的简化，又使成本大为降低，以至最终成本变化不大。2.3、美国的一种探测乙烯气体的标签美国亚利桑那州立大学的副教授马克莱利发明了一种特殊标签，市民可使用这种标签检验水果和蔬菜是熟了还是熟透，进而帮助消费者判断水果是否值得买。据预测，农产品种植者可以在明年开始使用这种标签。而大规模推广到超市中使用，则还要再等两三年的时间。莱利认为，农场主和商贩每年都会扔掉数以千计的水果，因为这些水果是在熟透后才被摘下，没有更多时间在市场上出售。莱利发明的标签的工作原理，是通过探测一种乙烯气体的化学成分判断水果是否成熟。3. 理论依据3.1、水果的宏观电特性水果属于电介质,电介质中电子受原子核

12、强烈束缚，不能自由移动，电介质的特征是以正、负电荷重心不重合的电极化方式传递、存贮或记录电的作用和影响，其中起主要作用的是束缚电荷。水果一般由果皮、果肉、果核组成，其果肉占绝大部分。水果果实的主要化学成分是可溶性糖、有机酸、淀粉、纤维素、果胶、维生素和酶，并且在成熟时果肉中含有大量水分。在果肉的成熟过程中，其内部水分量及水分的空间分布变化很大，果肉的水分可以通过电特性宏观反映。微观实质是果实分子内部存在电场，且在分子限度范围内改变位置，场强变化剧烈。但微观场难以测量，因此，可以研究微观场的平均值，即转化为宏观电特性，复阻抗和复介电常数，其中复介电常数是水果内部物质特性的反映，复阻抗是水果的物理

13、常数。3.2、系统原理系统通过检测和分析水果在交变电场中的电特性的变化，来检测水果的成熟度。物质电特性包括导电特性和介电特性，介电特性是指生物分子中的束缚电荷对外加电场的响应特性，介电常数是表征电介质电特性的宏观参数。水果的的生理结构特征可由其电介质特性参数来表征，而介电特性参数可通过测量系统测量得知。它的主要参数有相对介电常数r 、相对介质损耗因数tan 、介质损耗角正切值和介质等效阻抗|Z|。介电常数r 是电介质固有的一种物理属性，表示电介质存储电场能量的能力。反映该电介质提高电容器电容量的能力；损耗因数r 反映电介质在交流电场中损耗的能量；介质损耗角正切 tan 是反映能量的损耗 ,介质

14、损耗角是交流电的总电流 I(或总电压 U)与电容电流 IC (或电容电压 UC ) 之间的夹角。果蔬的介电特性可用复阻抗 Z或导纳 Y 及复介电常数r 表示 , 这里 Z 或 Y 是果蔬的物理常数，与果蔬的个体尺寸有关；而r 是果蔬内部物质特性的反映，与果蔬的个体尺寸无关。在给定频率下，果蔬可用理想电容和电阻组成的并联或串联电路来表示，若将被检测果蔬置于平行电极之间作为电容器的内部介质。就可建立交变电场中果蔬电特性的模型。4. 方案总体介绍 4.1、系统整体方案该作品是基于水果阻抗特性而设计出来的无损检测装置，其总体方案图示如下： 图1 系统方案框图 如图1所示，该设计作品由无损伤水果成熟度检

15、测仪和检测容器组成，在正弦信号发生器给定的频率作用下，将水果置于两电极之间作为电容器的内部电介质，信号发生器输出的正弦波的电流流过标准电阻R和电极之间的阻抗Z构成的串联电路，通过相同增益放大的至电压为U1和U2，经过等效的代数运算得到被测电极之间的复阻抗为： （1） 其中正弦信号发生模块是为了产生交变电场，从而方便的检测水果的介电特性，两路信号采集模块是为了对标准电压和两电极板间的等效电阻进行采集，信号放大模块是为了对两端电信号进行相同增益的放大，以便于信号的处理，单片机作为中央处理器对采集到的阻抗特性进行处理和分类，并将处理后的信息发送到液晶显示器上即时显示。两电极是由两块铜板做成的，将其置

16、于容器的中间，且电极的宽度为容易宽度的1/3，这样有利于稀释水果在测试中渗透离子对阻抗的影响。然后在水槽中装满水，将水果放置在水槽中两个电极之间，因为水中不存在环境湿度的控制和水果水分散失的问题。4.2、方案论证与比较4.2.1、采用近红外光谱分析法近红外光技术是一种新的光谱技术，主要优点有：（1）它属于非破坏性检测；（2）检测速度快，不像传统化学分析法，需花费大量时间来做复杂的样本的预处理和常规分析；3) 近红外吸收光谱包含了待测水果的所有成分吸收信息，因此可同时检测多种内部成分。不足之处：实现困难，对采样数据进行回归计算，建立数学模型等工作过于繁琐。4.2.2、X射线分析法检测装置由X射线

17、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(这主要是为了减少成像时间，加快检测速度)，正常水果的波形圆滑，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。 该方法主要用于水果内部是否存在空洞或表皮是否存在皱皮，主要用于检查水果的外部特性和完整性而非成熟度。4.2.3、检测水果的介电特性利用水果的介电特性检测方法进行果蔬分级，检测设备结构简单，价格便宜且系统数据信号采集和处理方便，还能保持果蔬内部品质不受影响。所以设计采用该方案。5. 硬件设计5.1、方案总体框图正弦信号发生电路水果阻抗标准

18、电阻阻抗抗（U2）同增益放大电路A/D转换电路 单片机电路上位机显示液晶显示模块键盘预置参数 图2 方案总体框图5.2、正弦信号发生电路由单片机控制产生50HZ500KHZ的正弦波，在这些频率的交变电场影响下，得到水果的阻抗特性曲线，找出放入水果以后的阻抗频率曲线和水的阻抗特性曲线的交点，并将交点处的频率保存下来，进而去判断水果的成熟度。正弦信号发生电路由D/A数模转换电路、幅值平移电路以及稳幅单元组成。数模转换电路是把单片机电路的数字量通过双路缓冲器74LS573送给12位AD7521转换为连续的正弦模拟信号，然后经过uA741进行幅值平移。AD7521是一种不含寄存器、基准电压源和运算放大

19、器的CMOS12位DAC电路,如图3。在AD7521数模转换器输出的波形电压信号中会掺杂一些无用的高频干扰信号，这些信号会对后续电路的检测带来干扰，因此需要滤除无用的信号。设计采用Cl、Cz和电压跟随器等构成的二阶有源低通滤波电路，Cl电容两端分别接到集成运放uA741的输入和输出端，构成二阶压控电压低通滤波。如图4在电路中，电容Cl具有超前作用，Cz具有滞后作用，这样电路幅频特性好，不会造成自激振荡，且带负载能力强等优点。由于数模转换器输出的波形电压幅值不稳定，这样给后续电路的精确电压检测带来非常大的影响，因此必须对输出的波形进行稳压处理,r。在稳幅环节的设计中采用NPN(2N5551)、p

20、Np(H54ol)晶体管构成互补功率放大电路，如图5此电路可实现波形不失真的输出，且带负载能力强。 图3 D/A转换 图4 二阶有源低通滤波电路 图5 稳幅电路5.3、信号采集模块 图6 信号采集如图6所示，在给定频率（50HZ500KHZ）的的正弦信号作用下，将被测的水果置于电极内部作为电容的内部介质，信号发生器输出的正弦波的电流流过标准电阻R以及容器、电极、水果的阻抗Z构成串联电路，并分别采集两端的电压U1和U2。5.4、同增益放大电路该电路目的是将从信号采集模块得到的两路电压（即测得的参考电阻的电压值和电极两端得到的电压值）通过LF356运算放大器放大30倍，将输入信号放大到03V，目的

21、是为了方便ADC0809模数转换器将信号进行模数转换。 图7 同增益放大电路5.5、A/D转换电路系统采用两片ADC0804芯片作为A/D转换芯片，所谓A/D转换，即把输入的模拟信号转化成数字信号，信号的输入端接同增益放大电路的输出信号，其存取时间为135us，转换时间为100us，基本上能满足采集出的波形的所需的转换速度，因为ADC0804只能转换05V的模拟电压，所以必须要将两路电压信号经过同增益放大。 图8 A/D转换5.6、单片机最小系统作为整个系统的核心部件，单片机起着灵魂的作用，没有软件只有硬件的系统是无法达到理想效果的，本系统主要是由晶振电路和复位电路组成，51单片机最小系统晶振

22、的振荡频率直接影响单片机的处理速度，频率越大处理速度越快。采用11.0592MHz的晶振基本能满足系统要求，起振电容C2、C3一般采用1533pF，并且电容离晶振越近越好，晶振离单片机越近越好。系统原理图如图9所示： 图9 单片机最小系统5.7、液晶显示模块要直观地知道水果的成熟度，最直观的方法就是采用液晶来显示，本方案采用LCD1602来显示，1602能够同时显示16列*2行英文大小写字符以及数字，不能显示汉字，但相较于LCD12864，l602的体积小，便于携带，满足了设计的初衷。根据单片机读写控制来显示出水果成熟度得三大指标：“Bad”、“Pass”、“Well”、“Excellence

23、”。基本电路如图10所示： 图10 液晶显示5.8、键盘模块因为不同水果的阻抗特性不同，成熟时的频率也不同，所以判断水果水果成熟度得标准阈值也不同，该模块主要就是为了适应不同的水果的阻抗特性，通过键盘来设置水果的阈值，使得水果成熟度检测结果更加准确和可靠。键盘由三个独立按键组成，主要是为了节省硬件空间，三个按键分别是“增大”、“减小”和“确定”。如图11所示： 图11 按键电路6. 软件设计 6.1、软件设计流程图开 始 初始化系统以及串口和A/D转换，设置中断扫描按键接收电压信号，启动A/D转换串口发送数据，上位机调试单片机运算，处理数据液晶显示结束 图12 软件流程图6.2、A/D数模转换

24、 将放大后的两路信号电压转化为单片机可以识别和处理的数字信号。图13为ADC0804启动转换时序图，分析可知，CS先为低电平，随后置低，经过至少Tw（）L时间后，拉高，随后A/D转换器被启动并且在经过（18个A/D时钟周期+内部Tc）时间后，模数完成转换，转换结果存入数据锁存器，用时INTR自动变为低电平，通知单片机本次转换已结束。 图13 ADC0804时序图A/D转换函数如下：Void adchange（） P0=0; /选通ADCS adwr=0;/AD写入 _nop_(); adwr=1; P0=0xff; /关闭ADCS delay(15); P1=0xff; /读取P1口之前先给其

25、写全1 P0=0; /选通ADCS adrd=0; /AD读使能 adval=P1;/AD数据读取赋给P1口 adrd=1; P0=0xff; /关闭ADCS adwr=0;6.3、上位机调试该部分是为了即时向串口发送A/D转换数据，以便于调试，并使用串口调试助手来实时观测串口所接收到的数字信号数据，串口发送程序如下：Void init（） /初始化 TMOD=0x20; /设定T1定时器工作方式2 TH1=0xfd; /T1定时器装初值 TL1=0xfd; TR1=1; /启动T1定时器 SM0=0; SM1=1; /设定串口工作方式1 REN=1; /允许串口接收 EA=1; /开总中断

26、ES=1; /开串口中断void send(uint date) uint bai,shi,ge; bai=date/100; /将date中的个十百位拆分出来 shi=date%100/10; ge=date%10; if(flag=1) /开始发送标志位 ES=0; /关串口中断 SBUF= ; /发送空格，便于区分 while(!TI); /等待TI=1，代表发送数据成功 TI=0; /复位TI SBUF=0x30+bai; /发送百位数据（ASIC码） while(!TI); TI=0; SBUF=0x30+shi; /发送十位数据 while(!TI); TI=0; SBUF=0X3

27、0+ge; /发送个位数据 while(!TI); TI=0; ES=1; /开串口中断 void ser() interrupt 4 /串口中断 RI=0; flag=1; /接收到数据标志位置1；6.4、按键扫描主要目的是设定水果成熟度频率阈值，不同的水果的成熟的特性阻抗曲线不同，曲线规律和水果的成熟度判定标准也不同，按键扫描这一模块就是为了使检测仪器能够更好地适应不同的水果。共包括三个按键，分别是“增大”、“减小”和“确定”。程序如下：uint keyscan（） uint Date; If(keyBig=1) Delay(15); If(keyBig=1) Date+; If(keyS

28、mall=1) Delay(15); If(keySmall=1) Date-; If(keyDecemine=1) Delay(15); If(keyDecemine=1) Return(date); 6.5、液晶显示先初始化液晶，定义写数据和写指令的函数，再将所需显示的数据通过P0口输出到液晶，程序如下：void write_com(uchar com) /写指令 lcdrs=0; P0=com; delay(5); lcden=1; delay(5); lcden=0;void write_date(uchar date) /写数据 lcdrs=1;P0=date;delay(5);lc

29、den=1;delay(5);lcden=0;void init() /初始化液晶 lcden=0; write_com(0x38); /设置16*2显示，5*7点阵，8位数据接口 write_com(0x0c); /设置开显示，不显示光标 write_com(0x06); / 写一个字符后地址指针加1 write_com(0x01); /显示清0，数据指针清0void write_gsb(uint date) /将要显示的数据拆分为个位、十位和百位，并显示 uint bai,shi,ge; bai=date/100; shi=date%100/10; ge=date%10; write_co

30、m(0x80); write_date(0x30+bai); write_date(0x30+shi); write_date(0x30+ge)l; 6.6、主控单元将A/D转换后得到的数字信号进行分析和处理，可以通过特性阻抗频率的位置来判断水果的成熟情况，越往左移的成熟情况越好，越往右移的越不成熟。特性阻抗频率可通过与未放入水果的曲线的交点来判定，交点越往左移，成熟度越好。让单片机产生50HZ500KHZ的正弦波，并计算两个信号源的复阻抗，将水的复阻抗值保存在一个数组中，然后与放入了水果而测出来的特性阻抗曲线相比较，找出其交点，经大量的实验得出，交点频率在16KHZ左右的水果成熟度较好，而交

31、点频率在75KHZ以后则较不成熟。7. 结果分析在适当频率的交变电场的作用下，水果的阻抗特性参数会随频率按一定规律变化，成熟度不同则水果阻频曲线不同，曲线与水的阻抗频率曲线的交点反映水果的阻抗频率特性，交点越往左移其成熟度越好。利用阻抗频率特性衡量水果的成熟度的方法是可行的，并且装置具有检测速度快、结构简单、可靠性高等优点。从示波器观察两路信号的电压，并根据其峰峰值求出标准电阻与水果的复阻抗，绘出以下曲线，其中横轴为频率，纵轴为复阻抗。图14为第一次放入一个成熟的苹果的阻抗频率曲线，它与水的阻抗频率的交点在16KHZ左右，图15为第二次放入一个不太成熟的苹果的阻抗频率曲线，它与水的阻抗频率的交点在75KHZ左右，这个结果证实了之前的猜想，进一步说明了设计方案是可行的。 图14 第一次放入苹果与未放苹果的阻抗频率特性曲线 图15 第二次放入苹果与未放苹果