基于偏最小二乘法設(shè)計(jì)的蜜柚糖度無損檢測(cè)裝置

馮榮華， 康偉強(qiáng)， 葉大鵬，謝立敏

(福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，福建福州 350002)

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基于偏最小二乘法設(shè)計(jì)的蜜柚糖度無損檢測(cè)裝置

馮榮華， 康偉強(qiáng)， 葉大鵬*，謝立敏

(福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，福建福州 350002)

針對(duì)厚皮水果內(nèi)部品質(zhì)檢測(cè)存在的問題，采用基本水果中密度與含糖量的函數(shù)關(guān)系，以質(zhì)量和體積關(guān)系檢測(cè)水果密度，結(jié)合偏最小二乘法對(duì)水果密度和含糖度進(jìn)行曲線擬合得出水果含糖量，進(jìn)而研制了一種以單片機(jī)為控制核心的厚皮水果糖度無損檢測(cè)裝置。實(shí)驗(yàn)(以蜜柚為例)表明，蜜柚的密度和含糖量相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.984 6，因此利用蜜柚密度來檢測(cè)蜜柚的含糖量具有可行性。

厚皮水果；最小二乘法； 無損檢測(cè)

我國是世界上水果的生產(chǎn)和消費(fèi)大國，水果的產(chǎn)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(cè)的水平比較低[1]。人們判斷水果內(nèi)部品質(zhì)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(jìn)行[2]。水果檢測(cè)的智能化、機(jī)械化水平低，僅憑借人的主觀意識(shí)去判斷往往會(huì)有很大的差別[3-4]。其次，目前市場(chǎng)上存在的少量水果品質(zhì)檢測(cè)裝置多數(shù)是利用近紅外光譜進(jìn)行的，此裝備價(jià)格昂貴，而且對(duì)于蜜柚這種厚皮種類的水果進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)結(jié)果極不精準(zhǔn)[5-6]。因此，開發(fā)一種檢測(cè)精準(zhǔn)、價(jià)格合理、操作方便、對(duì)水果不造成損害的品質(zhì)檢測(cè)裝置，讓水果檢測(cè)走進(jìn)水果市場(chǎng)，從而提高水果的品質(zhì)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(guān)系，設(shè)計(jì)了以單片機(jī)為控制核心的水果糖度無損檢測(cè)裝置。該裝備可以為果農(nóng)對(duì)水果采摘的最佳時(shí)期、儲(chǔ)存周期和分類提供有力的依據(jù)，也可以為消費(fèi)者購買品質(zhì)優(yōu)良的水果提供保障。

1　系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)的主要構(gòu)成該系統(tǒng)主要以單片機(jī)為控制核心，其外圍電路主要包括電源模塊、水果質(zhì)量檢測(cè)模塊、液晶顯示模塊、體積檢測(cè)模塊和人機(jī)交互模塊組成。由于水果體積的不規(guī)則性，體積檢測(cè)模塊是以排水法進(jìn)行的，其主要有水箱、超聲波傳感器模塊和直流推桿電機(jī)構(gòu)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(xué)模型的建立該研究以平和琯溪蜜柚為例，隨機(jī)挑選200個(gè)蜜柚進(jìn)行檢測(cè)，建立起蜜柚密度和含糖量的數(shù)學(xué)關(guān)系。含糖量的檢測(cè)是利用東南儀城生產(chǎn)的T3-BX/RI糖度檢測(cè)儀，密度檢測(cè)是利用排水法實(shí)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(jìn)行最小二乘法一次曲線擬合，實(shí)驗(yàn)表明，柚子的含糖量和密度高度相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.984 6，相關(guān)函數(shù)為：f(x)=9.979x+3.066。因此利用密度進(jìn)行厚皮水果糖度的預(yù)測(cè)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(shè)計(jì)

2.1電源模塊該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，由于直流推桿電機(jī)所需的電源電壓為24 V，而單片機(jī)系統(tǒng)以及外圍電路所使用的電壓為5 V，直流推桿電機(jī)直接采用適配器進(jìn)行供電，5 V的電壓需要經(jīng)過穩(wěn)壓模塊對(duì)24 V電壓進(jìn)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(qiáng)。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(jī)控制模塊該系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，MCU控制器采用的是宏晶公司生產(chǎn)的增強(qiáng)型51單片機(jī)stc89c52型號(hào)的單片機(jī)。該單片機(jī)具有高速、抗干擾性強(qiáng)、低功耗的特點(diǎn)，有8k在系統(tǒng)可編程的flash存儲(chǔ)器。單片機(jī)的最小系統(tǒng)原理如圖4所示。

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

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

圖5　質(zhì)量檢測(cè)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(chǎn)的LCD12864，可與CPU 直接接口，提供2種界面來連接微處理機(jī)：8-位并行及串行2種連接方式，具有多種功能：光標(biāo)顯示、畫面移位、睡眠模式等。它與單片機(jī)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(cè)模塊該系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中考慮到厚皮水果的體積是不規(guī)則的，因此檢測(cè)方式是采用排水法進(jìn)行。檢測(cè)過程中采用了直流推桿電機(jī)、底面積固定的水箱(400 cm2)以及超聲波傳感器。推桿電機(jī)主要是將水果完全推入水中，超聲波傳感器用來檢測(cè)水箱前后液位的變化，進(jìn)而計(jì)算出厚皮瓜果的體積。排水法的方式對(duì)于厚皮瓜果的果品質(zhì)量影響小，而且對(duì)不規(guī)則物體體積的檢測(cè)精準(zhǔn)、開發(fā)費(fèi)用低，容易實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)裝置實(shí)物圖如圖7所示。

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

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，軟件采用C語言進(jìn)行編寫，開發(fā)方便、可讀性強(qiáng)、擴(kuò)展性好。

3.1系統(tǒng)主程序流程圖系統(tǒng)上電，首先進(jìn)行初始化，初始化完成之后控制直流推桿電機(jī)操作配合超聲波傳感器和稱重傳感器測(cè)量并計(jì)算出放入水箱中蜜柚的密度，最后根據(jù)密度預(yù)測(cè)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(shè)計(jì)操作液晶顯示屏顯示的時(shí)候，首先進(jìn)行初始化操作，然后寫入數(shù)據(jù)在液晶當(dāng)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(jìn)行數(shù)據(jù)的寫入。液晶顯示程序流程如圖9所示。

4　結(jié)論

該系統(tǒng)以MCU控制模塊、液晶顯示模塊、體積檢測(cè)模塊和質(zhì)量檢測(cè)模塊，設(shè)計(jì)了一套厚皮瓜果糖度無損檢測(cè)裝置。首先，選取厚皮水果樣本，測(cè)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(xué)模型(相關(guān)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(xué)模型檢測(cè)厚皮水果的密度，可以預(yù)測(cè)其含糖度。經(jīng)過試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可以檢測(cè)厚皮瓜果的含糖量，而且操作方便、可拓展性強(qiáng)。該系統(tǒng)可進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化，增加水果的檢測(cè)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)。

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[3] 劉燕德,應(yīng)義斌.光纖傳感技術(shù)在水果內(nèi)部品質(zhì)檢測(cè)中的應(yīng)用研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2003(2):170-174.

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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(xiàng)(2014NZ0002-1 )；福建省高水平大學(xué)建設(shè)重點(diǎn)項(xiàng)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(cè)。*通訊作者，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，從事環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制研究。

2016-05-10

S 126

A

0517-6611(2016)17-262-03