基于偏最小二乘法設計的蜜柚糖度無損檢測裝置

馮榮華， 康偉強， 葉大鵬，謝立敏

(福建農林大學機電工程學院，福建福州 350002)

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基于偏最小二乘法設計的蜜柚糖度無損檢測裝置

馮榮華， 康偉強， 葉大鵬*，謝立敏

(福建農林大學機電工程學院，福建福州 350002)

針對厚皮水果內部品質檢測存在的問題，采用基本水果中密度與含糖量的函數(shù)關系，以質量和體積關系檢測水果密度，結合偏最小二乘法對水果密度和含糖度進行曲線擬合得出水果含糖量，進而研制了一種以單片機為控制核心的厚皮水果糖度無損檢測裝置。實驗(以蜜柚為例)表明，蜜柚的密度和含糖量相關系數(shù)高達0.984 6，因此利用蜜柚密度來檢測蜜柚的含糖量具有可行性。

厚皮水果；最小二乘法； 無損檢測

我國是世界上水果的生產和消費大國，水果的產量居世界各國之首，但是每年出口的數(shù)量卻很少，分析其主要的原因是我國水果檢測的水平比較低[1]。人們判斷水果內部品質的傳統(tǒng)方法主要是靠人工看外形、稱重量、看色澤、拍打聽聲音等方式進行[2]。水果檢測的智能化、機械化水平低，僅憑借人的主觀意識去判斷往往會有很大的差別[3-4]。其次，目前市場上存在的少量水果品質檢測裝置多數(shù)是利用近紅外光譜進行的，此裝備價格昂貴，而且對于蜜柚這種厚皮種類的水果進行檢測時，檢測結果極不精準[5-6]。因此，開發(fā)一種檢測精準、價格合理、操作方便、對水果不造成損害的品質檢測裝置，讓水果檢測走進水果市場，從而提高水果的品質是很有必要的。

基于這些基本思想，筆者根據(jù)厚皮水果密度與含糖量的關系，設計了以單片機為控制核心的水果糖度無損檢測裝置。該裝備可以為果農對水果采摘的最佳時期、儲存周期和分類提供有力的依據(jù)，也可以為消費者購買品質優(yōu)良的水果提供保障。

1　系統(tǒng)的總體設計

1.1系統(tǒng)的主要構成該系統(tǒng)主要以單片機為控制核心，其外圍電路主要包括電源模塊、水果質量檢測模塊、液晶顯示模塊、體積檢測模塊和人機交互模塊組成。由于水果體積的不規(guī)則性，體積檢測模塊是以排水法進行的，其主要有水箱、超聲波傳感器模塊和直流推桿電機構成。系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。

圖1　統(tǒng)總體框圖Fig.1　General block diagram of the system

1.2數(shù)學模型的建立該研究以平和琯溪蜜柚為例，隨機挑選200個蜜柚進行檢測，建立起蜜柚密度和含糖量的數(shù)學關系。含糖量的檢測是利用東南儀城生產的T3-BX/RI糖度檢測儀，密度檢測是利用排水法實現(xiàn)[7]。采樣過程中柚子的密度范圍在9～10 g/mL，含糖量在9%～13%，將所得的數(shù)據(jù)進行最小二乘法一次曲線擬合，實驗表明，柚子的含糖量和密度高度相關，相關系數(shù)為0.984 6，相關函數(shù)為：f(x)=9.979x+3.066。因此利用密度進行厚皮水果糖度的預測是可行的。密度與含糖量數(shù)據(jù)擬合的曲線如圖2所示。

圖2　密度與含糖量擬合曲線Fig.2　Fitting curve of density and sugar content

2　系統(tǒng)硬件設計

2.1電源模塊該系統(tǒng)的設計過程中，由于直流推桿電機所需的電源電壓為24 V，而單片機系統(tǒng)以及外圍電路所使用的電壓為5 V，直流推桿電機直接采用適配器進行供電，5 V的電壓需要經過穩(wěn)壓模塊對24 V電壓進行降壓。該系統(tǒng)電源穩(wěn)壓模塊使用三端低壓差LM7805穩(wěn)壓芯片，該芯片輸出的電壓穩(wěn)定、抗干擾能力強。該系統(tǒng)電源穩(wěn)壓模塊原理如圖3所示。

圖3　電源穩(wěn)壓模塊原理Fig.3　Principle of power supply voltage regulator module

2.2單片機控制模塊該系統(tǒng)設計過程中，MCU控制器采用的是宏晶公司生產的增強型51單片機stc89c52型號的單片機。該單片機具有高速、抗干擾性強、低功耗的特點，有8k在系統(tǒng)可編程的flash存儲器。單片機的最小系統(tǒng)原理如圖4所示。

圖4　單片機最小系統(tǒng)原理Fig.4　SCM minimum system principle

2.3質量檢測模塊該系統(tǒng)水果質量的檢測采用的是電阻應變式壓力傳感器進行的，其靈敏度為2 mV/V，量程為20 kg。采用HX711A/D轉換模塊將所采集到的模擬量轉換成數(shù)字量，方便單片機進行讀取。質量檢測模塊的部分原理如圖5所示。

圖5　質量檢測模塊原理Fig.5　Quality inspection module principle

2.4液晶顯示模塊該系統(tǒng)液晶顯示模塊采用的是長沙太陽人電子有限公司生產的LCD12864，可與CPU 直接接口，提供2種界面來連接微處理機：8-位并行及串行2種連接方式，具有多種功能：光標顯示、畫面移位、睡眠模式等。它與單片機的連接圖如圖6所示。

圖6　液晶顯示模塊Fig.6　Liquid crystal display module

2.5體積檢測模塊該系統(tǒng)設計過程中考慮到厚皮水果的體積是不規(guī)則的，因此檢測方式是采用排水法進行。檢測過程中采用了直流推桿電機、底面積固定的水箱(400 cm2)以及超聲波傳感器。推桿電機主要是將水果完全推入水中，超聲波傳感器用來檢測水箱前后液位的變化，進而計算出厚皮瓜果的體積。排水法的方式對于厚皮瓜果的果品質量影響小，而且對不規(guī)則物體體積的檢測精準、開發(fā)費用低，容易實現(xiàn)。系統(tǒng)裝置實物圖如圖7所示。

圖7　系統(tǒng)裝置實物圖Fig.7　System device physical map

3　系統(tǒng)軟件設計

該系統(tǒng)設計過程中，軟件采用C語言進行編寫，開發(fā)方便、可讀性強、擴展性好。

3.1系統(tǒng)主程序流程圖系統(tǒng)上電，首先進行初始化，初始化完成之后控制直流推桿電機操作配合超聲波傳感器和稱重傳感器測量并計算出放入水箱中蜜柚的密度，最后根據(jù)密度預測其含糖量。其主程序流程如圖8所示。

圖8　系統(tǒng)主程序流程Fig.8　System main program flow

3.2液晶顯示模塊軟件設計操作液晶顯示屏顯示的時候，首先進行初始化操作，然后寫入數(shù)據(jù)在液晶當中顯示的地址，其次判斷液晶顯示屏是否正在寫數(shù)據(jù)，如果“是”則繼續(xù)等待，“否”則進行數(shù)據(jù)的寫入。液晶顯示程序流程如圖9所示。

4　結論

該系統(tǒng)以MCU控制模塊、液晶顯示模塊、體積檢測模塊和質量檢測模塊，設計了一套厚皮瓜果糖度無損檢測裝置。首先，選取厚皮水果樣本，測試密度與其含糖量，并利用偏最小二乘法建立密度與含糖量的數(shù)學模型(相關性系數(shù)0.984 6)。

圖9　液晶顯示程序Fig.9　Liquid crystal display program

之后，利用該數(shù)學模型檢測厚皮水果的密度，可以預測其含糖度。經過試驗表明，該系統(tǒng)可以檢測厚皮瓜果的含糖量，而且操作方便、可拓展性強。該系統(tǒng)可進一步進行優(yōu)化，增加水果的檢測參數(shù)，如水果皮厚程度、果肉松軟程度以及果酸含量等參數(shù)。

[1] 介鄧飛. 麒麟瓜內部品質在線無損檢測技術的實驗研究[D].杭州：浙江大學,2014.

[2] 趙巍.機器視覺在西瓜無損檢測與分級中的應用[D].武漢：華中農業(yè)大學,2013.

[3] 劉燕德,應義斌.光纖傳感技術在水果內部品質檢測中的應用研究[J].傳感技術學報,2003(2):170-174.

[4] 李娜,楊星星,戴素明,等.冰糖橙果實品質無損傷在線檢測分級技術的建立與應用[J].中國農業(yè)科學,2016(1):132-141.

[5] 付興虎,付廣偉,畢衛(wèi)紅.近紅外光譜技術在水果品質無損檢測中應用的研究與現(xiàn)狀[J].紅外,2006(2):33-37，48.

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[7] 彭佳權.測量密度的方法例談[J].科學咨詢(決策管理),2009(8):48.

The Design of a Nondestructive Testing Device for Pomelo Sugar Based on Partial Least Square Method

FENG Rong-hua, KANG Wei-qiang, YE Da-peng*et al

(College of Mechanical and Electronic Engineering, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou, Fujian 350002)

Aiming at the problems existing in the detection of internal quality of thick skin fruit, using functional relationship between density and sugar content in fruit, the fruit density was detected with relationship between quality and volume. Combining with least square method, fruit sugar content was obtained through curve fitting, a nondestructive testing device of thick skin fruit was designed with single chip microcomputer as the control core. The experiment showed that the correlation coefficient of density and sugar content of honey pomelo was up to 0.984 6, using density to detect sugar content in honey pomelo is feasible.

Thick skin fruit; Least square method; Nondestructive testing

福建省科技重大專項(2014NZ0002-1 )；福建省高水平大學建設重點項目(612014017)。

馮榮華(1991- ) ，男，福建漳州人，碩士研究生，研究方向：生態(tài)環(huán)境檢測。*通訊作者，教授，博士，碩士生導師，從事環(huán)境監(jiān)測與控制研究。

2016-05-10

S 126

A

0517-6611(2016)17-262-03