方漢良，任志英，鄭志強(qiáng)，潘 輝，朱錦琳

（福州大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)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(fèi)者和瓜農(nóng)，絕大多數(shù)消費(fèi)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(shí)也會(huì)誤摘生瓜.目前瓜農(nóng)與消費(fèi)者主要依靠經(jīng)驗(yàn)法（如目測(cè)法、手摸或拍打法、比重法等）對(duì)西瓜的成熟度進(jìn)行判斷，這些判斷方法都只能進(jìn)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(jì)損失或使消費(fèi)者的權(quán)益受損.因此，本文通過設(shè)計(jì)一種便攜式的西瓜無損檢測(cè)儀，操作簡(jiǎn)單方便且適用于不同的人群.使用時(shí)只需拍打西瓜，西瓜成熟度測(cè)試儀就會(huì)通過加速度傳感器、壓力傳感器和拾音器自動(dòng)收集和分析其產(chǎn)生的振動(dòng)和聲音信號(hào)以及西瓜的質(zhì)量信息，并將這些信息量傳送到單片機(jī)，經(jīng)處理運(yùn)算后通過功能鍵控制顯示屏顯示西瓜的聲音頻率、振動(dòng)頻率、質(zhì)量以及成熟情況.

2 系統(tǒng)概述

本文設(shè)計(jì)的西瓜成熟度測(cè)試儀共分為質(zhì)量采集系統(tǒng)、振動(dòng)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(cè)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(cè)量時(shí)利用電子秤內(nèi)部傳感器檢測(cè)壓力信號(hào)，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(hào)，經(jīng)過儀表放大器（INA126）進(jìn)行放大后將信號(hào)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(hào)，最后把數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)，單片機(jī)接收來自A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過處理運(yùn)算后，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為物體的實(shí)際重量信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)運(yùn)算后得到質(zhì)量m.

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

圖2 設(shè)計(jì)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(cè)量聲音頻率時(shí)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(cè)量的準(zhǔn)確度）測(cè)得聲音信號(hào)，然后通過電壓比較器LM339將收集到的聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為矩形波信號(hào)，并將此矩形波信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)AT89S51的外中斷和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器端口進(jìn)行處理，運(yùn)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(dòng)頻率采集系統(tǒng)

振動(dòng)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(cè)量振動(dòng)頻率時(shí)利用加速度傳感器獲得振動(dòng)信號(hào)，濾波后，通過電壓比較器LM339將所收集到的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為矩形波信號(hào)，并將此矩形波信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)AT89S51的外中斷和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器端口進(jìn)行處理，運(yùn)算后得到所需的振動(dòng)頻率f1.

物體受振后的振動(dòng)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(yùn)算式：f2m2/3來判斷西瓜是否已經(jīng)成熟.但是在實(shí)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(jìn)行運(yùn)算，取f=f2，但可以在特殊環(huán)境下選用振動(dòng)頻率f1，也可用f1和f2進(jìn)行兩次判斷，確保測(cè)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(jī)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(dòng)頻率f1傳輸?shù)紸T89S51單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)運(yùn)算式f2m2/3來判斷西瓜是否已經(jīng)成熟.同時(shí)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(dòng)頻率等，并將處理后的數(shù)據(jù)傳送到LCD顯示器進(jìn)行顯示.

2.5 顯示輸入模塊

我們使用51單片機(jī)，通過編程對(duì)采集的質(zhì)量、振動(dòng)信號(hào)和音頻信號(hào)進(jìn)行處理，最后通過LCD顯示屏進(jìn)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(shí)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(dòng)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(cè)量，為下一次測(cè)量做準(zhǔn)備.

2.6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是針對(duì)單片機(jī)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)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(duì)進(jìn)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(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低、檢測(cè)步驟簡(jiǎn)便、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)的瓜果成熟度檢測(cè)儀器，將振動(dòng)傳感器、音頻傳感器、重量傳感器和單片機(jī)有機(jī)結(jié)合起來，通過對(duì)三者關(guān)系的分析來判斷瓜果的成熟度，通過單片機(jī)進(jìn)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(duì)其成熟度進(jìn)行快速檢測(cè).既可以分別顯示出聲音頻率、振動(dòng)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(cè)試儀可隨身攜帶、組成構(gòu)件價(jià)格較低、操作簡(jiǎn)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(jī)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(jì)教程[M].廈門：廈門大學(xué)出版社，2009.

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