蔡永娟，李永新，姬盼盼

（南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京 210094）

0 引言

蠶繭的雌雄與蠶絲的品質(zhì)有比較密切的關(guān)系，雄繭的絲質(zhì)量和產(chǎn)量均明顯高于雌繭，并且雄蠶絲具有繭絲纖度細(xì)、凈度優(yōu)、耐磨擦、生絲等級(jí)高、彈性好等優(yōu)點(diǎn)，如果在煮繭前能進(jìn)行雌雄蠶繭分揀，雌雄繭分開(kāi)繅絲可以減少夾花絲，大大提高絲質(zhì)。此外，在蠶繭育種過(guò)程中，也需要將蠶繭的雌、雄區(qū)分開(kāi)［1］。對(duì)于熒光示性蠶繭，可根據(jù)它在紫外光激發(fā)下產(chǎn)生的熒光來(lái)判斷。

南京理工大學(xué)與江蘇蘇豪蠶業(yè)科技發(fā)展有限公司等單位合作，開(kāi)發(fā)出了第一代雌雄蠶繭自動(dòng)分選機(jī)［2］。該分選機(jī)采用光敏電阻檢測(cè)蠶繭在紫外線激發(fā)下的熒光信號(hào)，以黃熒光強(qiáng)度作為判別雌雄的依據(jù)。由于光敏電阻器受溫度影響比較大，因而，環(huán)境溫度對(duì)檢測(cè)的準(zhǔn)確性有比較明顯的影響，光線的輕微抖動(dòng)就會(huì)造成系統(tǒng)誤判，誤判率比較高，系統(tǒng)分選效率低下。為了提高檢測(cè)的正確性與可靠性，滿足生產(chǎn)需要，本文對(duì)現(xiàn)有蠶繭分選機(jī)的雌雄傳感系統(tǒng)與相應(yīng)檢測(cè)電路進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

1 蠶繭熒光激發(fā)與采集裝置設(shè)計(jì)

蠶繭雌雄檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。蠶繭從入繭通道落下，在下落過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的觸發(fā)信號(hào)，該信號(hào)被送至主控器作為檢測(cè)蠶繭的起始信號(hào)。2個(gè)水平傾斜的管道1，2分別作為識(shí)別后雌雄繭的出繭通道，通道中安裝有受電磁閥1，2控制的吹向兩管道交匯點(diǎn)的吹氣管1，2，用于將蠶繭從兩側(cè)吹出。中央管道底部為熒光激發(fā)腔，由兩片豎放的紫外光濾波片1，2和兩片橫放的黃光濾波片1，2形成的開(kāi)口腔組成。2個(gè)紫外燈管1，2分別安裝在熒光激發(fā)腔的外側(cè)作為所有通道的集中光源。黃光濾波片1，2的下方安裝有2個(gè)光敏元件LX1970，LX1970將檢測(cè)到的信號(hào)送到控制電路，進(jìn)行蠶繭熒光色判別。檢測(cè)系統(tǒng)判斷蠶繭的繭性并驅(qū)動(dòng)后續(xù)電路將蠶繭從相應(yīng)通道吹出。至此，一個(gè)蠶繭檢測(cè)周期結(jié)束。以后，周而復(fù)始實(shí)現(xiàn)蠶繭的雌雄自動(dòng)分揀。

圖1 蠶繭雌雄檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1 Structure diagram of male/female cocoon detection system

LX1970是美國(guó)微型半導(dǎo)體（Microsemi）公司推出的一種接近人眼感光特性的集成化可見(jiàn)光亮度傳感器。LX1970與光敏電阻器相比有很多優(yōu)點(diǎn)，受溫度影響小，非線性誤差小，外圍電路簡(jiǎn)單，微功耗［3］。LX1970感受到的熒光強(qiáng)度大小與黃色熒光激發(fā)腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有密切的關(guān)系。腔體上下底面寬度與張角的大小，會(huì)影響傳感器內(nèi)光感應(yīng)系統(tǒng)對(duì)光的接收，下底面寬度L2最小不能低于傳感器的寬度，L2過(guò)大時(shí)，蠶繭下落后位于腔體內(nèi)，雖能受到紫外光的照射，但蠶繭與黃色濾光片之間的距離L4非常小，近似為零，蠶繭壓在黃色濾光片上，傳感器被遮住，光感應(yīng)系統(tǒng)無(wú)法接收光照，原本就很微弱的信號(hào)此時(shí)輸出幾乎為零。上底面寬度L1過(guò)小時(shí)，蠶繭落于腔體上方，受到紫外光的照射不充分，輸出信號(hào)很微弱。L1過(guò)大，會(huì)產(chǎn)生與L2同樣的問(wèn)題。蠶繭大小不一，長(zhǎng)度大致范圍在3.00～4.00 cm之間，寬度范圍在1.60～2.50 cm 之間，因而，對(duì)于每個(gè)繭，L4都有差異。即使同一個(gè)繭，多次投放，落到腔體內(nèi)時(shí)姿態(tài)各異，輸出結(jié)果就會(huì)有差異。為了解決蠶繭下落姿態(tài)不同對(duì)輸出影響的問(wèn)題，安排了2只傳感器LX1970。

為了使傳感器感受到的熒光較強(qiáng)，將紫外線濾光片固定在黃色濾光片之上，黃色濾光片寬度為0.5 cm，紫色濾光片寬度L3為 1.93 cm。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，測(cè)得當(dāng)L1=2.20 cm，L2=0.58 cm，腔體張角α=49.6°時(shí)，蠶繭熒光電壓較大，能夠有效區(qū)分雌雄繭，此時(shí)腔體張角α最佳，紫外線濾光片與豎直方向夾角為24.8°，蠶繭落下后與黃色濾光片之間的距離L4在0.70～1.00 cm之間，結(jié)構(gòu)最合理。

2 測(cè)控電路設(shè)計(jì)

蠶繭檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，從結(jié)構(gòu)上看，該系統(tǒng)主要由傳感器調(diào)理電路、比較控制電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、MCU主控電路四部分組成。

系統(tǒng)主要有兩種工作狀態(tài):一是設(shè)門限狀態(tài)，主控器通過(guò)檢測(cè)、處理，獲得雌雄蠶電壓數(shù)字量均值，以雌雄蠶繭電壓數(shù)字量的中間值作為比較控制電路的參考門限，并將其存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路中，為檢測(cè)系統(tǒng)提供鑒別蠶繭雌雄的依據(jù)。二是工作狀態(tài)，在紫外光照射下，蠶繭發(fā)出的熒光經(jīng)過(guò)可見(jiàn)光傳感器之后轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，該電信號(hào)經(jīng)過(guò)傳感器調(diào)理電路處理，轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的電壓，然后送至比較控制電路，與系統(tǒng)設(shè)定的參考門限進(jìn)行比較，根據(jù)比較器的輸出結(jié)果來(lái)判定蠶繭的雌雄，驅(qū)動(dòng)后續(xù)電路將蠶繭吹出，達(dá)到分選蠶繭的目的。

主控電路設(shè)定可編程的參考門限和對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的判定結(jié)果進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路為檢測(cè)系統(tǒng)提供動(dòng)態(tài)可調(diào)的參考門限。本文主要解決傳感器調(diào)理電路性能不穩(wěn)定、采集到的信號(hào)不精確、可靠性不高的問(wèn)題。

圖2 蠶繭檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig 2 Structure block diagram of male/female cocoon detection system

2.1 傳感器調(diào)理電路

LX1970內(nèi)含PIN型光電二極管，在光照下，光電二極管產(chǎn)生光電流，光電二極管的反向電流與照度呈正比，隨光照強(qiáng)度的增加而上升，因而，可將LX1970等效為一電流源。其簡(jiǎn)單框圖如圖3所示，SNK為電流接收器的引出端，SRC為輸出電流源的引出端。

圖3 LX1970框圖Fig 3 Block diagram of LX1970

無(wú)負(fù)載時(shí)，LX1970輸出光電流與光強(qiáng)呈正比;有負(fù)載時(shí)，在一定光強(qiáng)范圍內(nèi)，輸出光電流與光強(qiáng)呈正比，高于最大光強(qiáng)后光電流輸出飽和。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，在蠶繭熒光下，光電流在0.1nA～2.0μA 之間，在自然光照環(huán)境中輸出2.5μA，可見(jiàn)，在蠶繭熒光強(qiáng)度下，LX1970工作于線性區(qū)，輸出電壓與電流呈正比。按圖3所示，在SRC引腳只接一電阻器，每投放一粒蠶繭，在蠶繭沒(méi)被吹出之前SRC引腳輸出含有很大干擾噪聲的方波，無(wú)法辯別有效信號(hào)，該工頻噪聲來(lái)自紫外熒光燈的頻閃，一部分來(lái)自外界環(huán)境，為了減小噪聲干擾，需要進(jìn)行濾波處理。根據(jù)LX1970典型應(yīng)用電路［4］，在R側(cè)并聯(lián)一電容器，SRC端等效電路如圖4所示。

圖4 LX1970引腳SRC輸出端等效電路Fig 4 The equivalent circuit of SRC output port in LX1970 pin

2.2 比較控制電路

在檢測(cè)與控制電路中均采用LM339作為測(cè)試芯片，LM339集成塊內(nèi)部裝有4個(gè)獨(dú)立的電壓比較器，每個(gè)比較器2個(gè)輸入端電壓差別大于10mV就能確保輸出從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)［5］，因此，把LM339用在弱信號(hào)檢測(cè)等場(chǎng)合是比較理想的。采用LM339內(nèi)部?jī)陕冯妷罕容^器，其同相輸入端信號(hào)V+均來(lái)自兩路傳感器的輸出，即蠶繭熒光電信號(hào)，其反相輸入端信號(hào)V－為系統(tǒng)設(shè)定的門限。圖5為傳感器調(diào)理電路與比較控制電路部分的接線圖［7］。D1，D2為兩路比較器的輸出，測(cè)試中發(fā)現(xiàn)兩路傳感器采集到的信號(hào)總有一個(gè)較大值，以較大值作為蠶繭熒光電壓，當(dāng)D1，D2均為0時(shí)，該繭既可判定為雌繭，當(dāng)D1，D2至少有一個(gè)為1時(shí)，也即較大值比參考門限大，即可判定為是雄繭。

圖5 傳感器調(diào)理電路模塊接線圖Fig 5 The hookup of sensor conditioning circuit module

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了檢測(cè)蠶繭熒光激發(fā)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理，以及傳感器在不同溫度下感受熒光的靈敏度的高低，檢測(cè)了在不同環(huán)境中的輸出信號(hào)的波形，在中午晚上溫度相差10℃時(shí)，同一個(gè)蠶繭的熒光電信號(hào)相差在幾十毫伏，對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響可以忽略。

在暗室環(huán)境中，接通電源，無(wú)繭時(shí)，光強(qiáng)很弱，LX1970感受到的光照很弱，光電流為nA級(jí)，輸出信號(hào)幾乎為0;當(dāng)有繭落入時(shí)，待其落入黃色熒光激發(fā)腔中穩(wěn)定后，傳感器調(diào)理電路輸出波形才穩(wěn)定。雄繭在紫外光的照射下發(fā)出黃色熒光，黃光能夠透過(guò)黃色濾光片，傳感器感受到的熒光比較強(qiáng)，產(chǎn)生的光電流較大，熒光電壓較高;而雌繭發(fā)出的熒光為紫色，紫光不能透過(guò)黃色濾光片，此時(shí)光強(qiáng)比較弱，光電流較小，熒光電壓較小。根據(jù)示波器波形，測(cè)得10個(gè)雄繭和10個(gè)雌繭的熒光電壓值如表1，表2所示。

雌繭的平均電壓約為567 mV，雄繭的平均電壓約為1.822 V。雌雄蠶繭熒光電壓差值達(dá)到1000 mV左右，無(wú)須加放大器即可有效區(qū)分2個(gè)光信號(hào)，而且外界光線的輕微抖動(dòng)不會(huì)造成信號(hào)電壓的大幅度變化，輸出信號(hào)穩(wěn)定。雌雄蠶繭電壓差值較大，便于設(shè)中間值，為系統(tǒng)設(shè)定參考門限提供了精確的依據(jù)，也提高了蠶繭分選的準(zhǔn)確度。

表1 雌繭電壓值與響應(yīng)時(shí)間Tab 1 Voltage and response time of female cocoon

表2 雄繭電壓值與響應(yīng)時(shí)間Tab 2 Voltage and response time of male cocoon

以雌雄蠶繭電壓的均值1.195作為參考門限，所測(cè)信號(hào)高于門限值時(shí)，比較控制電路輸出數(shù)字1，系統(tǒng)判定為雄繭;低于門限值時(shí)，比較控制電路輸出數(shù)字0，系統(tǒng)判定為雌繭。檢測(cè)系統(tǒng)可靠性得到提高，為后續(xù)電路設(shè)置參考門限提供了參考，也為獲得不同等級(jí)的蠶絲找到了解決方法。

4 結(jié)束語(yǔ)

檢測(cè)系統(tǒng)用光敏感元件的光感應(yīng)特性來(lái)識(shí)別蠶繭，一方面解決了手工分選帶來(lái)的弊端，減少了長(zhǎng)期受紫外線照射對(duì)人體的傷害。另一方面，采用外圍電路簡(jiǎn)單的傳感器LX1970采集光信息，價(jià)格便宜，接口方便，可靠性高，受環(huán)境影響小，消除了環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)的影響，提高了蠶繭檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度，改善了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。以雌雄蠶繭分界值電壓1.195作為基準(zhǔn)，設(shè)置可變的參考門限，門限值的高低會(huì)直接影響雄蠶的純度，進(jìn)而影響蠶絲等級(jí)的高低。因此，雌雄蠶繭的熒光電壓為系統(tǒng)設(shè)定門限提供了精確的依據(jù)。高靈敏度的傳感檢測(cè)系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)的工作效率，有較高的工程實(shí)用價(jià)值，同時(shí)也為傳感器LX1970應(yīng)用在其他領(lǐng)域提供了參考。

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