总第247期 计算机与数字工程 Vo1.38 No.5 2010年第5期 Computer&Digital Engineering 155 鸡蛋新鲜度无损检测系统的研究与设计 龙翔¨李运兵 罗霞。 (华南农业大学外国语学院” 广州 510642)(华南农业大学工程学院 广州 510642) 摘要针对鸡蛋新鲜度分级困难的情况,利用振动原理,设计了一款鸡蛋新鲜度无损检测的系统。该系统以ARM7一 ¥3C44B0微处理器为核心,在开发平台上扩展传感器电路、信号调理电路和触摸屏,构建鸡蛋新鲜度动态信号测试系统。该 系统实现实时数据采集分析、能直观显示被测的波形及分级结果,为下一步鸡蛋无损检测分级系统的工业应用提供了软硬 件专用平台。验证了振动法进行鸡蛋新鲜度检测的可行性。 关键词鸡蛋新鲜度;无损检测;鸡蛋分级;嵌入式技术 中图分类号TP332 Design of Non-destructive Testing System for Egg Freshness Long Xiang Li Yunbing Luo Xia (College of Foreign Studies,South China Agricultural University”,Guangzhou 510642) (College of Engineering,South China Agricultural Universitye ,Guangzhou 510642) Abstract A new design of non-destructive testing system for egg freshness based on vibration theory is established aimed tO solve the difficult problem of egg rating.ARM7一S3CA4B00 is the core of the system which including sensor and sig— nal processing circuit and a touch screen.It can make data gathering and analysis on real time,also wave displaying and the result of egg freshness.A hardware and software independent platform for industrial applications in the egg non-destructive testing and rating is established which provides great help for next work.The feasibility of the testing system for egg fresh— ness by vibrating is verified. Key Words egg freshness,non-destructive testing,egg grading,embedded technology Class Number TP332 1 引言 年来,国内外学者开始研究鸡蛋新鲜度的检测方 法_3q],如华中农业大学的刘俭英等利用计算机视 鸡蛋其内部物理特性变化规律与贮存时间关 觉技术,通过检测蛋壳与新鲜程度的关系,运用回 系为随贮存期增加,蛋黄膜系带弹性减弱,蛋黄粘 归方程研究了鸭蛋新鲜度模型¨8]。Goodrum用视 度降低,蛋黄指数也愈减少,水样蛋白增加,蛋黄与 觉与图像处理来检测蛋壳有无较大的裂纹,认为可 蛋白的表面张力和粘度随之降低L】]。这些变化特 以提高裂纹检测精度_9 ;De Ketelaere利用声学脉 性,从外部看,具体表现为鸡蛋内部液体运动阻尼 冲共振特征频率特性来检测蛋壳的裂纹,通过对鸡 比增加,因此通过测试分析鸡蛋的振动信号,得到 蛋的时间信号和频率信号分析与功率谱密度分析, 不同新鲜度鸡蛋的自由振动衰减曲线,可以找到新 认为用振动动态特性来检测鸡蛋裂纹是一种有效 鲜度的判断规律l2]。我国传统鸡蛋检测法通过人 的方法[1 。本文通过研究分析鸡蛋随时问变化而 工检测不能适应国际标准,严重影响鸡蛋的出口。 内部物理结构发生变化的规律,利用振动力学特性 因此对禽蛋品质检测方法的研究就非常重要。近 来检测鸡蛋的新鲜度,探索鸡蛋新鲜度无损检测新 *收稿日期:2009年12月22日,修回日期:2010年1月18日 作者简介:龙翔,男,硕士,研究方向:计算机测试与智能控制。李运兵,男,硕士,研究方向:智能检测与控制。 龙翔等:鸡蛋新鲜度无损检测系统的研究与设计 第38卷 方法。尝试利用基于ARM7的嵌入式技术构建一 套鸡蛋新鲜度检测的系统,取得较好的效果。 应变片BF350—2AA灵敏系数能达2.O7±1 。由于 传感器采集到的电压较微弱,需要的电源精度比较 高,本系统引出嵌入式开发板上的电源,系统经 LM2576芯片稳压后得到比较稳定的电源,通过示波 2 系统原理及最小系统的构建 任何物体都具有固有频率,当有弹性物体受到 激励后,会作强迫振动,强迫振动时,多种物质组合 会产生新的自然频率,并随物质问的间隙及混合程 度而发生变化。振动是检测物体结构的一种有效 器观测,其毛刺比较严重可达AV ̄2Omv,经过“T” 型LC滤波后其AV ̄5mv,能满足本系统要求。对 其采样到的信号进行差分放大,有效抑制共模信号, 经过双输入变单输出变换得到良好、稳定的波形。 手段。当物体受到瞬态冲击时相当于阶跃激励,物 体将产生振动响应。按照弹性体振动理论,由阶跃 信号造成的振动响应的频率跟弹性体的固有频率 有很大的关系。而系统的固有频率由系统的内部 结构所决定。 嵌入式产品具有体积小、功耗低、可靠性高、操 作方便、而且人机界面友好、接口简单、通讯方便等 优势。因此,在此设计中利用嵌入式技术,尝试构 建一个基于ARM核的鸡蛋新鲜度动态信号测试 系统,能动态采集鸡蛋的振荡信号,通过算法判断 鸡蛋振动信号波形,计算其振动衰减率,对鸡蛋新 鲜度作出粗略判别,为下一步鸡蛋分级研究提供专 用软硬件平台。如图1所示。 图1系统原理图 3系统硬件设计 3.1系统硬件构成 鸡蛋新鲜度动态信号测试系统采用的 ¥3C44B0微处理器,其工作频率为66MHz,能配接 LCD触摸屏、I。C总线的EEPROM接口电路、 ADC转换器。通过扩展传感器信号采集电路、信 号调理电路和触摸屏。该系统的结构如图2所示。 图2鸡蛋新鲜度动态信号测试系统总体结构 3.2信号采集及调理电路的设计 原始信息的提取是系统中最重要的一部分,采 用电阻应变式振动测量传感器来提取鸡蛋的振动衰 减信号。传感器接成全桥方式,能有效克服非线性 误差及提高灵敏度,又能进行温度补偿。箔式电阻 采用INAll8芯片作为差动放大,由于采用是5V电 源供电,而 采样电压范围为0~2.5V。故将参 考电位调至1.25v使输出波形有良好对称性。 VCC 图3信息采集及放大电路 4应用程序设计 4.1主程序流程图 本系统软件是在UC/OS- ii操作系统上开发的。uc/ OS—ii具有高实时性性能良好 的控制系统。根据本振动信 号监测系统的需要,应用程 序包括用户界面程序、数据 采集和波形曲线显示程序、 图4系统主程序流程数据存储和历史查询程序四 个部分。图4为主程序流程图,系统上电后,首先 初始化I/o、LCD、Cache缓冲器、定时器、字库等, 然后对各相关变量初始化,接着时间更新,最后进 入子菜单和各级应用程序响应。 4.2 ADC转换程序流程 ADC程序负责采集数据和数据滤波,首先初 始化ADC的相关寄存器,采用中断方式采集信号 电压;由于受到电源等噪声干扰,需要对信号进行 均值滤波,通过电压值与坐标转化,在触摸屏上显 示振动波形。图5为ADC转换程序流程。大容量 的FLASH存储EEPROM可容纳大量的采集数据 2010年第5期 计算机与数字工程 及记录8位ADC通道,其转化 l采样(中断) J sumbuffer=0;J一0; 速率可达500kHZ,能达到系统 } 所需的要求采用真256色的触 摸显示屏,触摸显示屏用来显示 实时采集到的数据及波形,及整 仅当采样有连续4点大于阈值才当作是有效 的信号输入,再从均值滤波中剔除。“五点法”取采 样峰值算阻尼比,对连续采样数据的五点a 进行 l 均值滤波 l 『 比较滤波 l 个系统的设置操作,并根据判断 分析,如果出现a1<&2<以。>口 >以 ,则认为a3为 数据保存 l 结果相应提示功能。 l坐标比例转化 4.3用户界面程序 用户界面程序是整个系统 lY 数据、波 的主程序,系统进入不同的状态 形显示 要通过LCD程序显示不同的界 图5 AEG转换面,整个软件结构设置为树型结 程序流程 构,各个状态之间的切换通过触 摸屏程序实现。在不同的界面下要用不同的键盘 处理程序。为此设置一个全局变量state来表示状 态。不同的界面显示程序中设置不同的state值, 触摸屏处理程序就根据state值确定进入相应的处 理子程序。 4.4数据显示和波形曲线显示程序 数据采集后,显示到数据采集主界面的波形绘 制区域内,以X坐标为采样点数,y坐标要根据数 据作转换运算,LCD屏X坐标和y坐标各有500 ×480个像素点,除去顶部标题和底部的按钮栏, 用来描绘波形轨迹的只有380个点,从顶部开始计 算,y坐标的计算公式如下: y[ch]Ei]=440一value[c M (1) 其中, 为通道号,z为时间序列,value为当前通 道的ADC值。 4.5系统处理算法 在中断采样中采用了笔者自行设计的一种阈 值平滑滤波算法。程序如下: if(ADCcount ̄15) {ADC DATAE0]一ADC_sum/16; AfX2suml+=ADC DATA[0];} Else ADC count=0; 此外,由于干扰与噪声的存在,尤其是在加入 冲激脉冲时会带入效果更明显,本文设计“阈值干 扰滤波”能抑制干扰信号。 if(ADCDATA[0]>gate value) {sum--+一ADCDATA[0];j++; sumbuffer+一ADC_DATA[0]; ) else(if(j一一O): else if(j<4){sum一一sum buffer;} 要找的峰值点保存到数列dD],当 达到一定数后 取 ]中特定几个数进行阻尼比计,通过与经验 值阻尼比相比较,判断出该鸡蛋的好坏。 5 系统的测试及实验 给测试的鸡蛋编好号,每次测试一个,把鸡蛋 夹在振动支架上,并给一个电子触发信号,系统开 始进入中断采集程序采集振动信号,该测试系统能 有效监测鸡蛋振动信号波形,根据设定的阻尼率阈 值,可以对鸡蛋新鲜度作简单分级。进入波形监测 状态后,观测鸡蛋自由振动衰减波形,从触摸屏反 应的信息我们得出如下结论:鸡蛋越陈旧,自由振 动波形衰减越快;根据所采集的数据导出后进行数 据处理可见,所测量的结果准确。实验通过对不同 贮存期的300个鸡蛋进行检测,可以看到阻尼率值 的变化趋势。发现实验结果与鸡蛋存贮时间呈良 好相关性,如图6所示。 O O8 O O7 O 06 奄{L o 05 世o 04 爱0 03 O O2 O O{ O 图6 阻尼军随贮存天数变化趋势 用EXCEL对得到的数据作多项式回归,得出 阻尼率值随时间的变化规律回归方程如下: y=0.O001x ̄。-0.0016x+0.0123 (2) 其中, 为阻尼率值,z为贮存时间,相关系数R。一 0.975,故阻尼率值为二次多项式函数的变化规律, 平滑曲线是拟合的结果。新鲜鸡蛋前期阻尼率值 变化很小,后期阻尼率数值增加较快,后经打开鸡 蛋后证明其已经散黄。从曲线可知,阻尼率不是均 匀增加,而是在鸡蛋内部品质变化后突然增大,为 指数函数变化曲线。 6 结语 1)成功根据振荡法设计本系统。此系统能正 158 龙翔等:鸡蛋新鲜度无损检测系统的研究与设计 第38卷 确提炼鸡蛋的振荡曲线,有效区分鸡蛋的新鲜程 度。 Computer Image Analysis FJ].Poultry Science,1999, 78:909 ̄913 2)本系统首次使用阻尼率值 来进行鸡蛋新 [4]Coucke P.Assessment of some physical quality param— 鲜度判断,阻尼率值 随贮存时间为指数函数变化 曲线,利用相关算法进行准确的判断。由于篇幅原 eters of eggs based on vibration analysis[D].Phi)The— sis,Katholieke Universiteit Leuven,Belgium,1 998 因,在本文未给出详细数据。 3)系统可以根据用户设置阈值进行相应的条 件判断。在下一步系统优化中,将会同时考虑鸡蛋 [5]姜涉瑞,王俊,等.鸡蛋敲击特性及蛋壳破裂检测[J]. 农业机械学报,2005,36(3) [63陈红,王巧华,文友先.禽蛋破损检测敲击装置设计与 试验研究[J].粮油加工与食品机械,2002 [7]魏小彪,王树才.鸡蛋新鲜度综合无损检测模型及试验 的重量、形状等因素结合其 值来进行分级,进行 一定的数据融合处理,使系统准确性进一步提高。 参考文献 [J].农业工程学报,2009,25(3):242 ̄247 [8]刘俭英,王巧华,熊利荣,等.鸭蛋新鲜度模型的试验研 究[J].华中农业大学学报,2002(6) [9]Pate1 V C,McClendon R W,Goodrum J W.Crack de- [1]朱曜.禽蛋研究[M].北京:科学出版社,1985,5 [2]龙翔.鸡蛋品质无损检测与研究[D].广州:华南农业大 学硕士论文,2008 tection in eggs using computer vision and neural net works[J].A.I.Applications,1994(2):21~31 [1O3 13.DeKetelaere,P.Coucke,J.De Baerdemaeker. Eggshell Crack based On Acoustic Resonance Fre— [3]Keigo kuchida,Miho Fukaya.Nondestructive Predition Method for Yolk:Albumen Ratio in Chicken Eggs by quency Analysis[J].Jagric.Res,2000,76:1574163 (上接第130页) aSource.Server=”192.168.1.1”//主机地址 PDA设备等。注册用户数可以达到2万个。在测 试的环境下,CPU4.0G/2G/80G/100M的机器上 进行所有的应用,可以允许2000用户并发。目前 本系统正式投入运行一年,实施效果良好。 参考文献 aSource.Db=”AIS20060605160210”//数据库名 aSource.Login—hello//登陆名 aSource.Pwd=123456//密码 aSource.Timeout=10//超时 } [1]张勇.移动办公系统实现的方案及实践EJ].湖北电力, 6实施效果 随着3G移动时代的到来,其特有的移动、便 捷、实时、高效必将为人们的生活、工作带来崭新的 体验嘲。但是由于移动设备的硬件固有特性,给移 动应用开发带来了很大的阻碍,即便是无线查询一 个最简单的数据也需要涉及到嵌入式开发、交叉编 译、无线网络等一系列的编程和调试。引入MAS 技术的移动手机办公系统给了用户一个全新的使 2007(2) [2][EB/OL].http://WWw.jianq.com/download/project/ html/1.html [3][EB/OL].http://group.bi.chinamobile.corn/index/ solution/plan/industry/finance/01/index.shtml [4][EB/OL].http://Ⅵ .hi165.com/products/jtkhyw/ file1 0.html [5]梅玉平.3G的业务及管理[M].北京:人民邮电出版社, 2007 用体验,界面美观,响应速度快,易用性好,覆盖面 广,此解决方案让大部分手机用户都能体验到随 时,随地,方便快捷的办公之旅。MAS系统的创 [6]李永强,何汉明,杨林楠.基于Web的企业中文WAP 网站的构建开发[J].控制工程,2003,10(z2) [7]王怀刚.基于WEB的WAP网关页面转换技术的研究 与设计,2007 新,在于对原有办公系统不做任何改动的前提下实 现用户的移动办公系统。而且开发速度和效率都 [8]袁娲.刘杰基于Web的新型WAP网关服务器研究 [J].北京工商大学学报(自然科学版),2005,23(2) [9]陶象武,付宗堂,胡璇,等。基于Web服务器构建WAP 服务[J].电脑与电信,2007(7) [1O]谭励.面向WEB内容的新型WAP网关的设计与研 究,2004 得到了很大提高[9 ̄10]。系统支持无线终端设备主 要概括为三类操作系统,Microsoft(WindowMo— bile、WINCE)体系、Symbian体系、Linux体系,基 本涵盖了目前市场上所有的主流智能手机和各种