張恕遠(yuǎn),陳廷成
(西華大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院,成都 610039)
糧食(小麥、玉米、大豆、稻谷等)在生產(chǎn)、加工、運輸過程中,不可避免地混入許多雜質(zhì)(包括泥土、沙石、瓦塊等無機(jī)雜質(zhì))和無食用價值的糧食顆粒。為了分清一批糧食中所含雜質(zhì)的含量,需進(jìn)行抽樣檢測,將雜質(zhì)同純糧食顆粒分離并進(jìn)行含量測試。目前糧食小樣雜質(zhì)檢測主要由人工來完成,既增加了檢測人員的勞動強度,也影響檢測的精度,同時檢測效率低。通過仔細(xì)的論證,筆者采用了近紅外識別技術(shù),并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了一種糧食小樣雜質(zhì)自動分檢系統(tǒng)。該系統(tǒng)是利用近紅外識別和自動檢測與處理技術(shù)將小樣中所含的雜質(zhì)自動分離并自動計量的一種設(shè)備。
近紅外光譜是指波長為700~2 500 nm的光譜,作為一種分析手段,它可以測定有機(jī)物以及部分無機(jī)物。這些物質(zhì)分子中化學(xué)鍵結(jié)合的各種基團(tuán)的伸縮、振動、彎曲等運動都有其固定的振動頻率。當(dāng)分子受到近紅外線照射時,被激發(fā)產(chǎn)生共振,同時一部分光能被吸收,此時近紅外接收頭接收的信息發(fā)生變化,通過計算機(jī)的處理,可得到與發(fā)射的近紅外光不同的光譜,這種光譜表示了被測物質(zhì)的特征。不同物質(zhì)在近紅外區(qū)域有豐富的吸收光譜,每種成分都有特定的吸收特征,因此能把混在糧食中的雜質(zhì)識別出來,如果進(jìn)一步量化,就能確定糧食的成份,該原理即為檢測系統(tǒng)的設(shè)計基礎(chǔ)。
該系統(tǒng)主要由小樣分檢系統(tǒng)、近紅外檢測系統(tǒng)、稱重系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)及檢測系統(tǒng)組成,如圖1所示。
糧食小樣通過導(dǎo)向管流向分檢盤,在分檢盤的外圓周圍均勻分布著60個存粒穴,每個存粒穴通過配氣溝與真空泵相連,當(dāng)小樣顆粒注入存粒穴時,由于負(fù)壓作用使每個存粒穴中存入一粒小樣,從而將小樣顆粒分檢成單粒態(tài),這樣可保證被測物能一個不漏地被檢測。在分檢盤的頂端A處安裝一近紅外光源發(fā)射頭和光源接收頭,分檢盤沿順時針方向在步進(jìn)電機(jī)帶動下步進(jìn)回轉(zhuǎn),當(dāng)小樣顆粒步進(jìn)到光源發(fā)射頭和光源接收頭之間的間隙A處時,單片機(jī)控制系統(tǒng)對光源接收頭接收到的光譜信號進(jìn)行采樣和判別,如屬正常光譜,則小樣顆粒繼續(xù)在負(fù)壓下順時針轉(zhuǎn)到圖中C位,在C位分檢盤的存粒穴開始與真空配氣閥脫離,粒料在脫粒刷的作用下自動落入收料箱中;如果光譜為非正常光譜,則判定為雜質(zhì),在分檢盤順時針旋轉(zhuǎn)至距離頂端42°的方向上設(shè)置一個高壓配氣閥,當(dāng)雜質(zhì)轉(zhuǎn)到42°時通過單片機(jī)控制系統(tǒng)打開高壓配氣閥,此時壓縮空氣將雜質(zhì)射出,并由雜物回收箱收集。雜質(zhì)排出后,斷開壓縮空氣,當(dāng)分檢盤在連續(xù)回轉(zhuǎn)中無雜質(zhì)時,正常顆粒也會通過42°無負(fù)壓區(qū)B,但粒料在42°處時由于重力原因不會自動脫離穴位,粒料通過42°位后,進(jìn)入負(fù)壓區(qū)則不會掉落,只有當(dāng)進(jìn)入C區(qū)時才會脫落。
圖1 糧食雜質(zhì)自動分檢系統(tǒng)原理圖
根據(jù)以上工作原理設(shè)計出基于單片機(jī)的自動分檢控制系統(tǒng)(如圖2所示),該系統(tǒng)主要由單片機(jī)系統(tǒng)、近紅外光譜檢測系統(tǒng)、分檢盤步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、電子秤稱重系統(tǒng)、壓縮空氣控制系統(tǒng)以及鍵盤、顯示器和打印機(jī)等部分組成。
設(shè)計單片機(jī)系統(tǒng)時,在對目前通用和流行的單片機(jī)芯片進(jìn)行了大量的比較和論證的基礎(chǔ)上選擇Cygnal公司的C8051F020單片機(jī),它具有和51系列單片機(jī)完全兼容的指令系統(tǒng),同時它的體積小、功耗低、速度快且自身集成了64kFLASH,4kRAM,8CH12位 A/D 以及 Watchdog等,具有片內(nèi)JTAG測試電路,可進(jìn)行全速在線調(diào)試。
圖2 控制系統(tǒng)組成框圖
由單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)帶動分檢盤順時針步進(jìn)回轉(zhuǎn),使小樣顆粒按照光譜儀檢測要求有節(jié)奏地通過紅外光源發(fā)射頭與光源接收頭之間的間隙,近紅外光譜儀通過檢測顆粒的近紅外光譜的變化,并將檢測的光譜數(shù)據(jù)經(jīng)RS232串行接口傳遞到單片機(jī),單片機(jī)通過數(shù)據(jù)分析、比較,從而分辯出當(dāng)前的小樣顆粒為糧食或雜質(zhì)。若為雜質(zhì),單片機(jī)控制步進(jìn)機(jī)在分檢口B處作慢速步進(jìn),并通過控制電磁鐵換向閥接通壓縮空氣將雜質(zhì)射入雜質(zhì)導(dǎo)向管;否則,步進(jìn)電機(jī)均勻運動使糧食顆粒在脫離穴位C處送入收料箱中,從而將顆粒中雜質(zhì)分檢開來。
雜質(zhì)進(jìn)入雜質(zhì)收集箱,電子秤稱出雜質(zhì)質(zhì)量,并將量值通過RS232串口送入單片機(jī)系統(tǒng)分析處理,其結(jié)果通過LCD顯示并通過報表打印機(jī)打印,以提供給用戶。
同時,單片機(jī)系統(tǒng)能對空氣壓縮機(jī)、真空泵進(jìn)行啟停控制,并通過壓力傳感器檢測空氣壓縮機(jī)和真空泵壓力。
從計算機(jī)應(yīng)用角度出發(fā),該控制系統(tǒng)為一數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)。輸入信號有:模擬信號輸入(如壓力傳感器),數(shù)據(jù)量輸入(如光譜儀和電子秤的串行數(shù)據(jù)輸入);輸出信號有:數(shù)字量輸出DO(如步進(jìn)電機(jī)、壓縮機(jī)等)。為便于開發(fā)調(diào)試,軟件采用模塊化設(shè)計思路,對于不同硬件模塊,有相應(yīng)的軟件子程序與之對應(yīng),主要包括:步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動,近紅外光譜儀數(shù)據(jù)采集,電子秤數(shù)據(jù)采集,壓縮機(jī)及近紅外光源控制,數(shù)據(jù)分析和處理液晶顯示,鍵盤,打印等。
在軟件編制時應(yīng)注意:
1)近紅外技術(shù)是依據(jù)某一化學(xué)成分對近紅外區(qū)光譜的吸收特性而進(jìn)行的測定,所以該技術(shù)的關(guān)鍵是在糧食小樣和近紅外光譜之間建立一種關(guān)系。其基本流程包括:首先收集具有代表性的樣品(其組成及其變化范圍接近于要分析的樣品),然后采集樣品的光學(xué)數(shù)據(jù)。由于小樣雜質(zhì)檢測只需要將雜質(zhì)從樣品中分離出來,不需要定量分析,因此,直接將樣品的光學(xué)數(shù)據(jù)作為檢測的標(biāo)準(zhǔn)值,不需要對小樣成分作定量分析;在分析未知樣品時,先對待測樣品進(jìn)行掃描,根據(jù)掃描光譜值同標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行成分含量比較,從而可將小樣中的雜質(zhì)分離出來。由于定標(biāo)的好壞直接關(guān)系到雜質(zhì)識別的準(zhǔn)確性,因此,定標(biāo)軟件是檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計的核心。
2)近紅外光譜儀對小樣顆粒的檢測時間約為100 ms,因此需使小樣顆粒慢速通過紅外光源發(fā)射頭與光源接收頭之間A處的間隙。但為了提高分檢效率,分檢盤的速度又不能太慢,所以,分檢盤應(yīng)實現(xiàn)變速回轉(zhuǎn),即當(dāng)小樣顆粒通過紅外光源發(fā)射頭與光源接收頭之間A處的間隙時,轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速變慢,降到大約1 r/min,其余時間轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為10 r/min。同時,也保證了當(dāng)小樣顆粒慢速通過頂端檢測位置A處時,剛好有一已檢顆粒慢速通過雜質(zhì)分檢位B,若該顆粒為雜質(zhì),單片機(jī)控制系統(tǒng)有足夠的時間去控制換向閥換向,接通壓縮空氣將雜質(zhì)分檢出來。這樣回轉(zhuǎn)盤在回轉(zhuǎn)中速度是“快—慢”交替回轉(zhuǎn),從而即滿足了雜質(zhì)檢測、分檢慢的要求,也滿足了高的檢測效率。
由于糧食顆粒的產(chǎn)地與所含水份的不同,其近紅外光譜的波長范圍也有一定的差別,為了提高檢測的準(zhǔn)確性,在對同一批糧食顆粒檢測之前,需進(jìn)行少量糧食樣品的學(xué)習(xí),存儲本批糧食的近紅外光譜的波長范圍,并在檢測過程中不斷修正系統(tǒng)數(shù)據(jù),為提高小樣檢測的準(zhǔn)確性打下基礎(chǔ)。
該檢測裝置檢測速度快,可靠性高,檢測誤差小,誤差范圍小于0.3%,本裝置適用于不同品種的稻谷、小麥、玉米、大豆4種原糧中雜質(zhì)的選取。
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