基于LX1970的蠶繭雌雄檢測系統設計

蔡永娟，李永新，姬盼盼

（南京理工大學機械工程學院，江蘇南京 210094）

0 引言

蠶繭的雌雄與蠶絲的品質有比較密切的關系，雄繭的絲質量和產量均明顯高于雌繭，并且雄蠶絲具有繭絲纖度細、凈度優、耐磨擦、生絲等級高、彈性好等優點，如果在煮繭前能進行雌雄蠶繭分揀，雌雄繭分開繅絲可以減少夾花絲，大大提高絲質。此外，在蠶繭育種過程中，也需要將蠶繭的雌、雄區分開［1］。對于熒光示性蠶繭，可根據它在紫外光激發下產生的熒光來判斷。

南京理工大學與江蘇蘇豪蠶業科技發展有限公司等單位合作，開發出了第一代雌雄蠶繭自動分選機［2］。該分選機采用光敏電阻檢測蠶繭在紫外線激發下的熒光信號，以黃熒光強度作為判別雌雄的依據。由于光敏電阻器受溫度影響比較大，因而，環境溫度對檢測的準確性有比較明顯的影響，光線的輕微抖動就會造成系統誤判，誤判率比較高，系統分選效率低下。為了提高檢測的正確性與可靠性，滿足生產需要，本文對現有蠶繭分選機的雌雄傳感系統與相應檢測電路進行改進設計。

1 蠶繭熒光激發與采集裝置設計

蠶繭雌雄檢測系統結構如圖1所示。蠶繭從入繭通道落下，在下落過程中會產生相應的觸發信號，該信號被送至主控器作為檢測蠶繭的起始信號。2個水平傾斜的管道1，2分別作為識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的吹氣管1，2，用于將蠶繭從兩側吹出。中央管道底部為熒光激發腔，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形成的開口腔組成。2個紫外燈管1，2分別安裝在熒光激發腔的外側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個光敏元件LX1970，LX1970將檢測到的信號送到控制電路，進行蠶繭熒光色判別。檢測系統判斷蠶繭的繭性并驅動后續電路將蠶繭從相應通道吹出。至此，一個蠶繭檢測周期結束。以后，周而復始實現蠶繭的雌雄自動分揀。

圖1 蠶繭雌雄檢測系統結構示意圖Fig 1 Structure diagram of male/female cocoon detection system

LX1970是美國微型半導體（Microsemi）公司推出的一種接近人眼感光特性的集成化可見光亮度傳感器。LX1970與光敏電阻器相比有很多優點，受溫度影響小，非線性誤差小，外圍電路簡單，微功耗［3］。LX1970感受到的熒光強度大小與黃色熒光激發腔的結構設計有密切的關系。腔體上下底面寬度與張角的大小，會影響傳感器內光感應系統對光的接收，下底面寬度L2最小不能低于傳感器的寬度，L2過大時，蠶繭下落后位于腔體內，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，光感應系統無法接收光照，原本就很微弱的信號此時輸出幾乎為零。上底面寬度L1過小時，蠶繭落于腔體上方，受到紫外光的照射不充分，輸出信號很微弱。L1過大，會產生與L2同樣的問題。蠶繭大小不一，長度大致范圍在3.00～4.00 cm之間，寬度范圍在1.60～2.50 cm 之間，因而，對于每個繭，L4都有差異。即使同一個繭，多次投放，落到腔體內時姿態各異，輸出結果就會有差異。為了解決蠶繭下落姿態不同對輸出影響的問題，安排了2只傳感器LX1970。

為了使傳感器感受到的熒光較強，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。經過多次實驗，測得當L1=2.20 cm，L2=0.58 cm，腔體張角α=49.6°時，蠶繭熒光電壓較大，能夠有效區分雌雄繭，此時腔體張角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，結構最合理。

2 測控電路設計

蠶繭檢測系統結構框圖如圖2所示，從結構上看，該系統主要由傳感器調理電路、比較控制電路、數據存儲電路、MCU主控電路四部分組成。

系統主要有兩種工作狀態:一是設門限狀態，主控器通過檢測、處理，獲得雌雄蠶電壓數字量均值，以雌雄蠶繭電壓數字量的中間值作為比較控制電路的參考門限，并將其存儲在數據存儲電路中，為檢測系統提供鑒別蠶繭雌雄的依據。二是工作狀態，在紫外光照射下，蠶繭發出的熒光經過可見光傳感器之后轉換為對應的電信號，該電信號經過傳感器調理電路處理，轉換為穩定的電壓，然后送至比較控制電路，與系統設定的參考門限進行比較，根據比較器的輸出結果來判定蠶繭的雌雄，驅動后續電路將蠶繭吹出，達到分選蠶繭的目的。

主控電路設定可編程的參考門限和對檢測系統的判定結果進行處理，數據存儲電路為檢測系統提供動態可調的參考門限。本文主要解決傳感器調理電路性能不穩定、采集到的信號不精確、可靠性不高的問題。

圖2 蠶繭檢測系統結構框圖Fig 2 Structure block diagram of male/female cocoon detection system

2.1 傳感器調理電路

LX1970內含PIN型光電二極管，在光照下，光電二極管產生光電流，光電二極管的反向電流與照度呈正比，隨光照強度的增加而上升，因而，可將LX1970等效為一電流源。其簡單框圖如圖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

無負載時，LX1970輸出光電流與光強呈正比;有負載時，在一定光強范圍內，輸出光電流與光強呈正比，高于最大光強后光電流輸出飽和。經實驗，在蠶繭熒光下，光電流在0.1nA～2.0μA 之間，在自然光照環境中輸出2.5μA，可見，在蠶繭熒光強度下，LX1970工作于線性區，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，在蠶繭沒被吹出之前SRC引腳輸出含有很大干擾噪聲的方波，無法辯別有效信號，該工頻噪聲來自紫外熒光燈的頻閃，一部分來自外界環境，為了減小噪聲干擾，需要進行濾波處理。根據LX1970典型應用電路［4］，在R側并聯一電容器，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

在檢測與控制電路中均采用LM339作為測試芯片，LM339集成塊內部裝有4個獨立的電壓比較器，每個比較器2個輸入端電壓差別大于10mV就能確保輸出從一種狀態可靠地轉換到另一種狀態［5］，因此，把LM339用在弱信號檢測等場合是比較理想的。采用LM339內部兩路電壓比較器，其同相輸入端信號V+均來自兩路傳感器的輸出，即蠶繭熒光電信號，其反相輸入端信號V－為系統設定的門限。圖5為傳感器調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，測試中發現兩路傳感器采集到的信號總有一個較大值，以較大值作為蠶繭熒光電壓，當D1，D2均為0時，該繭既可判定為雌繭，當D1，D2至少有一個為1時，也即較大值比參考門限大，即可判定為是雄繭。

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

3 實驗與結果分析

為了檢測蠶繭熒光激發結構設計是否合理，以及傳感器在不同溫度下感受熒光的靈敏度的高低，檢測了在不同環境中的輸出信號的波形，在中午晚上溫度相差10℃時，同一個蠶繭的熒光電信號相差在幾十毫伏，對檢測結果的影響可以忽略。

在暗室環境中，接通電源，無繭時，光強很弱，LX1970感受到的光照很弱，光電流為nA級，輸出信號幾乎為0;當有繭落入時，待其落入黃色熒光激發腔中穩定后，傳感器調理電路輸出波形才穩定。雄繭在紫外光的照射下發出黃色熒光，黃光能夠透過黃色濾光片，傳感器感受到的熒光比較強，產生的光電流較大，熒光電壓較高;而雌繭發出的熒光為紫色，紫光不能透過黃色濾光片，此時光強比較弱，光電流較小，熒光電壓較小。根據示波器波形，測得10個雄繭和10個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到1000 mV左右，無須加放大器即可有效區分2個光信號，而且外界光線的輕微抖動不會造成信號電壓的大幅度變化，輸出信號穩定。雌雄蠶繭電壓差值較大，便于設中間值，為系統設定參考門限提供了精確的依據，也提高了蠶繭分選的準確度。

表1 雌繭電壓值與響應時間Tab 1 Voltage and response time of female cocoon

表2 雄繭電壓值與響應時間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，所測信號高于門限值時，比較控制電路輸出數字1，系統判定為雄繭;低于門限值時，比較控制電路輸出數字0，系統判定為雌繭。檢測系統可靠性得到提高，為后續電路設置參考門限提供了參考，也為獲得不同等級的蠶絲找到了解決方法。

4 結束語

檢測系統用光敏感元件的光感應特性來識別蠶繭，一方面解決了手工分選帶來的弊端，減少了長期受紫外線照射對人體的傷害。另一方面，采用外圍電路簡單的傳感器LX1970采集光信息，價格便宜，接口方便，可靠性高，受環境影響小，消除了環境溫度對系統的影響，提高了蠶繭檢測系統的靈敏度，改善了系統的穩定性。以雌雄蠶繭分界值電壓1.195作為基準，設置可變的參考門限，門限值的高低會直接影響雄蠶的純度，進而影響蠶絲等級的高低。因此，雌雄蠶繭的熒光電壓為系統設定門限提供了精確的依據。高靈敏度的傳感檢測系統可以提高系統的工作效率，有較高的工程實用價值，同時也為傳感器LX1970應用在其他領域提供了參考。

［1］虞曉華，劉毅飛.雌雄蠶繭繭質和絲質差異性分析［J］.紡織學報，2005，26（4）:36 －38.

［2］江蘇蘇豪國際集團股份有限公司，南京理工大學.蠶繭熒光色判性雌雄自動分揀裝置:中國，200810195030［P］.2008—11—04.

［3］孟志永，沙占友，安國臣.能實現人眼仿真的集成可見光亮度傳感器 LX1970［J］.國外電子元器件，2004（6）:26 －28.

［4］潘 建.可見光傳感器 LX1970的原理及應用［J］.電子世界，2004（3）:52－53.

［5］李貴良，吳曉放，李愛華.LM339在 WDVE—6醫用電子直線加速器中的應用［J］.醫療裝備，2002（4）:11 －12.

［6］何希才，任力穎，楊 靜.實用傳感器接口電路實例［M］.北京:中國電力出版社，2007.