西瓜成熟度測試儀設(shè)計研究

方漢良，任志英，鄭志強，潘 輝，朱錦琳

（福州大學(xué) 機械工程及自動化學(xué)院，福建 福州 350108）

1 引言

西瓜是生活中最普遍、最受歡迎的水果之一.但西瓜的成熟度問題一直困擾著大部分消費者和瓜農(nóng)，絕大多數(shù)消費者不能準(zhǔn)確地挑選成熟度適當(dāng)?shù)奈鞴?，瓜農(nóng)在采摘時也會誤摘生瓜.目前瓜農(nóng)與消費者主要依靠經(jīng)驗法（如目測法、手摸或拍打法、比重法等）對西瓜的成熟度進行判斷，這些判斷方法都只能進行粗略判斷，存在著較大的誤差，容易造成瓜農(nóng)不必要的經(jīng)濟損失或使消費者的權(quán)益受損.因此，本文通過設(shè)計一種便攜式的西瓜無損檢測儀，操作簡單方便且適用于不同的人群.使用時只需拍打西瓜，西瓜成熟度測試儀就會通過加速度傳感器、壓力傳感器和拾音器自動收集和分析其產(chǎn)生的振動和聲音信號以及西瓜的質(zhì)量信息，并將這些信息量傳送到單片機，經(jīng)處理運算后通過功能鍵控制顯示屏顯示西瓜的聲音頻率、振動頻率、質(zhì)量以及成熟情況.

2 系統(tǒng)概述

本文設(shè)計的西瓜成熟度測試儀共分為質(zhì)量采集系統(tǒng)、振動頻率采集系統(tǒng)、聲音頻率采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)[1].其工作原理圖如圖1所示：

圖1 西瓜成熟度測試儀工作原理圖

2.1 質(zhì)量采集系統(tǒng)

所述質(zhì)量采集系統(tǒng)包括：壓力傳感器模塊、儀表放大器INA126和AD轉(zhuǎn)化模塊ADC0832；質(zhì)量測量時利用電子秤內(nèi)部傳感器檢測壓力信號，利用全臂電橋電路采集壓力傳感器因壓力變化而產(chǎn)生的電壓信號，經(jīng)過儀表放大器（INA126）進行放大后將信號送到A/D轉(zhuǎn)換器（ADC0832），經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后為數(shù)字信號，最后把數(shù)字信號送入單片機，單片機接收來自A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號，經(jīng)過處理運算后，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為物體的實際重量信號，經(jīng)單片機運算后得到質(zhì)量m.

該質(zhì)量采集系統(tǒng)由控制器部分、測量部分、數(shù)據(jù)顯示部分和電路電源部分4個部分組成，系統(tǒng)設(shè)計總體方案框圖如圖2所示.

圖2 設(shè)計思路框圖

圖3 質(zhì)量采集電路圖

2.2 聲音頻率采集系統(tǒng)

聲音頻率采集系統(tǒng)包括：拾音器（含有放大電路、音頻濾波器）、電壓比較器LM339.測量聲音頻率時利用拾音器（拾音器上有可調(diào)節(jié)電位器，通過調(diào)節(jié)電位器可以調(diào)整接受聲音的分貝大小，在該范圍之外的聲音不被接收，有效提高了測量的準(zhǔn)確度）測得聲音信號，然后通過電壓比較器LM339將收集到的聲音信號轉(zhuǎn)化為矩形波信號，并將此矩形波信號傳輸?shù)絾纹瑱CAT89S51的外中斷和定時器/計數(shù)器端口進行處理，運算后得到所需的聲音頻率f2.

圖4 拾音器接收到的聲音波形

圖5 通過電壓比較器轉(zhuǎn)化后的矩形波形

2.3 振動頻率采集系統(tǒng)

振動頻率采集系統(tǒng)包括：加速度傳感器、電壓比較器LM339、低通濾波器.測量振動頻率時利用加速度傳感器獲得振動信號，濾波后，通過電壓比較器LM339將所收集到的振動信號轉(zhuǎn)化為矩形波信號，并將此矩形波信號傳輸?shù)絾纹瑱CAT89S51的外中斷和定時器/計數(shù)器端口進行處理，運算后得到所需的振動頻率f1.

物體受振后的振動頻率與發(fā)出的聲音頻率理論上是相等的：f1=f2，可以根據(jù)運算式：f2m2/3來判斷西瓜是否已經(jīng)成熟.但是在實際應(yīng)用中f1和f2并非完全相等，系統(tǒng)默認(rèn)以聲音頻率f2進行運算，取f=f2，但可以在特殊環(huán)境下選用振動頻率f1，也可用f1和f2進行兩次判斷，確保測量的準(zhǔn)確性.

2.4 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括：AT89S51單片機最小系統(tǒng)和按鍵輸入模塊.將收集到的質(zhì)量m、聲音頻率f2和振動頻率f1傳輸?shù)紸T89S51單片機進行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)運算式f2m2/3來判斷西瓜是否已經(jīng)成熟.同時可以通過功能切換按鍵來切換不同的信息量，如西瓜的質(zhì)量、聲音頻率、振動頻率等，并將處理后的數(shù)據(jù)傳送到LCD顯示器進行顯示.

2.5 顯示輸入模塊

我們使用51單片機，通過編程對采集的質(zhì)量、振動信號和音頻信號進行處理，最后通過LCD顯示屏進行顯示，給出該西瓜的成熟度，直接以文字的形式展現(xiàn)，很直觀，符合人們的閱讀習(xí)慣.同時可以通過切換不同的功能鍵，獲取不同的信息量，如：西瓜的質(zhì)量m("The weight is___g")，西瓜的振動頻率（"DZ frequency is___Hz"）、西瓜的聲音頻率（"SY frequency is___Hz"）以及西瓜是否成熟（"Watermelon is mature"或 "Watermelon is not mature"）.最后通過復(fù)位鍵清除本次測量，為下一次測量做準(zhǔn)備.

2.6 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計是針對單片機進行程序設(shè)計，從而實現(xiàn)實際操作中所需的功能.本系統(tǒng)所需的程序比較復(fù)雜，可以用程序流程圖對進行分析，如圖6所示.

圖6 數(shù)據(jù)采集主程序流程圖

3 結(jié)束語

本文通過設(shè)計一種結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、檢測步驟簡便、易維護等優(yōu)點的瓜果成熟度檢測儀器，將振動傳感器、音頻傳感器、重量傳感器和單片機有機結(jié)合起來，通過對三者關(guān)系的分析來判斷瓜果的成熟度，通過單片機進行數(shù)據(jù)處理，并通過液晶屏顯示，能在不損傷瓜果的條件下對其成熟度進行快速檢測.既可以分別顯示出聲音頻率、振動頻率和西瓜重量，還可以判斷并顯示瓜果是否成熟.

由于該西瓜成熟度測試儀可隨身攜帶、組成構(gòu)件價格較低、操作簡單且適用于不同人群，可供大部分瓜農(nóng)和商店購買使用.

〔1〕吳亦鋒，陳德為.單片機接口原理與技術(shù)(第2版)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.

〔2〕葉東毅.C語言程序設(shè)計教程[M].廈門：廈門大學(xué)出版社，2009.

〔3〕賈民平，張洪亭.測試技術(shù)(第 2 版)[M].北京：高等教育出版社，2009.