基于單片機(jī)的獼猴桃果實(shí)稱重分級(jí)控制器設(shè)計(jì)

何國(guó)榮

摘要：設(shè)計(jì)基于AT89S52單片機(jī)的獼猴桃（Actinidia chinensis）果實(shí)分級(jí)控制器。該控制器由按鍵模塊、顯示模塊、稱重模塊、語音輸出模塊組成，可以根據(jù)獼猴桃果實(shí)重量對(duì)果品分級(jí)。

關(guān)鍵詞：獼猴桃（Actinidia chinensis）;果實(shí);分級(jí);單片機(jī)

中圖分類號(hào)：S776.24+9 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2019）18-0137-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.18.033 ? ? ? ? ? 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Design on controller for kiwi fruit grading by weight based on MCU

HE Guo-rong

（School of Mechanical and Electrical Engineering，Yangling Vocational & Technical College，Yangling 712100，Shaanxi，China）

Abstract： The fruit grading controller of Actinidia chinensis based on AT89S52 MCU was designed. The controller contained keyboard modules， display modules， grating modules， sounds output modules， and could improve efficiency.

Key words： kiwi fruit（Actinidia chinensis）; fruit; grade; MCU

獼猴桃（Actinidia chinensis）是一種在中國(guó)種植廣泛、經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高的水果。在果實(shí)成熟采摘后，需要對(duì)果實(shí)進(jìn)行分級(jí)，按質(zhì)論價(jià)，提高獼猴桃的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。果實(shí)分級(jí)方法有很多種，主要是按照果實(shí)大小分級(jí)、重量分級(jí)、外觀品質(zhì)分級(jí)和內(nèi)部品質(zhì)分級(jí)等方法[1]。

果實(shí)分級(jí)可以使用人工分揀和機(jī)械分級(jí)，人工分級(jí)勞動(dòng)量大、生產(chǎn)率低而且分選精度容易受主觀因素影響，難以實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的要求，機(jī)械分級(jí)與人工分級(jí)相比成本要大大降低，精準(zhǔn)率大大提高，同時(shí)節(jié)約時(shí)間、降低果農(nóng)的勞動(dòng)強(qiáng)度[2]。以色列ESHET EILON公司、美國(guó)AUTOLINE 公司生產(chǎn)的電子稱重式分選機(jī)，在分選檢測(cè)技術(shù)上已經(jīng)很成熟，工作效率高，并具有較高的分選精度。但是由于該設(shè)備操作較為復(fù)雜，而且設(shè)備成本較高，難以在中國(guó)推廣使用[3]。中國(guó)陜西關(guān)中地區(qū)出產(chǎn)的獼猴桃品質(zhì)較高，獼猴桃按照分級(jí)定價(jià)，可有效提高果農(nóng)的種植收益。但是果農(nóng)將果實(shí)采摘后，并沒有進(jìn)行分級(jí)出售，分級(jí)設(shè)備使用成本高是主要阻礙。此外，高品質(zhì)的獼猴桃果實(shí)目前大都對(duì)其果形、外觀、重量采用人工分揀以保證其質(zhì)量。如何通過果實(shí)分級(jí)提高果農(nóng)收益，是目前在果農(nóng)增收方面面臨的一個(gè)問題。

針對(duì)該問題，設(shè)計(jì)了一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)獼猴桃果實(shí)按重量分級(jí)、可滿足普通農(nóng)戶需要的低成本獼猴桃果實(shí)分級(jí)控制器，可以有效降低果實(shí)分級(jí)成本，有助于提高果農(nóng)種植收益。

1 ?獼猴桃果實(shí)稱重分級(jí)控制器的設(shè)計(jì)要求

中國(guó)獼猴桃的栽培品種較多，有海沃德、徐香、秦美、啞特、翠香、瑞玉、華優(yōu)、金艷、紅陽、臍紅等10個(gè)品種。因獼猴桃沒有全國(guó)性的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，因此根據(jù)陜西省周至縣2015年頒發(fā)的《獼猴桃鮮果等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（DB610124/T 02—2015）[4]，以此標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)設(shè)計(jì)獼猴桃分級(jí)控制器。該標(biāo)準(zhǔn)將獼猴桃按照果實(shí)單果重將不同品種的獼猴桃果實(shí)分為4個(gè)等級(jí)，分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

獼猴桃果實(shí)稱重分級(jí)控制器的設(shè)計(jì)目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)低成本、便于果農(nóng)使用的按照重量分級(jí)的控制器，只要將果實(shí)放在分級(jí)控制器上，即可顯示該果實(shí)重量和分級(jí)等級(jí)，并且可實(shí)現(xiàn)語音播報(bào)果實(shí)分級(jí)結(jié)果，精度達(dá)到0.1 g，可滿足普通農(nóng)戶對(duì)于低成本獼猴桃果實(shí)分級(jí)設(shè)備的需要[5-7]。

2 ?獼猴桃稱重分級(jí)控制器的整體設(shè)計(jì)方案

獼猴桃稱重分級(jí)控制器以低成本的AT89S52單片機(jī)為控制核心，以電阻應(yīng)變式壓力傳感器N430和24位高精度的A/D轉(zhuǎn)換器芯片HX711作為稱重模塊、以1602LCD為液晶顯示模塊、以YS-M3為語音輸出模塊、以5個(gè)普通按鍵組成按鍵模塊。在使用時(shí)，用戶首先在稱重分級(jí)控制器的按鍵模塊上根據(jù)要分級(jí)的果實(shí)品種按下對(duì)應(yīng)的按鍵，選擇待分級(jí)的果實(shí)品種，如按下按鍵KA（選擇海沃德、秦美、啞特），按下按鍵KB（選擇徐香、翠香、華優(yōu)、金艷），按下按鍵KC（選擇瑞玉），按下按鍵KD（選擇紅陽、臍紅），然后將果實(shí)放在分級(jí)控制器上進(jìn)行稱重分級(jí)，分級(jí)結(jié)果將通過LCD屏幕顯示出來，同時(shí)也通過語音播放出來，如“一級(jí)果”“二級(jí)果”等，用戶可以方便地得到分級(jí)結(jié)果。

2.1 ?硬件設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)的獼猴桃稱重分級(jí)控制器的稱重部分結(jié)構(gòu)如圖1所示，由3部分組成：托盤、壓力傳感器、支撐底板。托盤為塑料材質(zhì)，用于放置獼猴桃果實(shí)，托盤被螺絲固定在托盤下方的電阻應(yīng)變式壓力傳感器上，壓力傳感器一端懸空，另一端用螺絲固定在支撐底板上。

基于單片機(jī)的獼猴桃稱重分級(jí)控制器的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，以AT89S52單片機(jī)為控制核心，由按鍵模塊、顯示模塊、稱重模塊、語音輸出模塊等4個(gè)模塊組成。按鍵模塊和稱重模塊作為分級(jí)控制器系統(tǒng)的輸入部分，顯示模塊和語音輸出模塊為輸出部分。

2.1.1 ?稱重模塊 ?稱重模塊使用量程為1 kg，分辨率為0.1 g的電阻應(yīng)變式壓力傳感器N430對(duì)獼猴桃果實(shí)進(jìn)行稱重，采集重量信號(hào)，再通過24位高精度的A/D轉(zhuǎn)換器芯片HX711將重量信息輸出給單片機(jī)的I/O端口P2.3和P2.4。如圖3所示，壓力傳感器中的5個(gè)電阻R1、R2、R3、R4、R5、R6阻值都是1 000 Ω，壓力傳感器N430的輸出有4根線，電源（+）、電源（-）、輸出（+）、輸出（-），分別連接A/D轉(zhuǎn)換器芯片HX711的E+、E-、A+、A- 4個(gè)端口。A/D轉(zhuǎn)換之后的數(shù)據(jù)信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)分別通過DT端口和SCK端口傳輸給AT89S52單片機(jī)的P2.3端口和P2.4端口，由單片機(jī)對(duì)稱重模塊的輸出進(jìn)行處理和運(yùn)算。

2.1.2 ?按鍵模塊和顯示模塊 ?用戶在果實(shí)稱重前，首先按下要進(jìn)行稱重分級(jí)的獼猴桃果實(shí)種類按鍵，選擇果實(shí)品種。按鍵模塊設(shè)計(jì)有4個(gè)按鍵KA、KB、KC、KD分別對(duì)應(yīng)4種果實(shí)：按下按鍵KA（選擇海沃德、秦美、啞特），按下按鍵KB（選擇徐香、翠香、華優(yōu)、金艷），按下按鍵KC（選擇瑞玉），按下按鍵KD（選擇紅陽、臍紅）。

顯示模塊使用1602LCD，用于顯示獼猴桃果實(shí)品種選擇信息、獼猴桃果實(shí)重量信息、果實(shí)分級(jí)信息。如表2所示是單片機(jī)端子功能分配表，使用了單片機(jī)的P0、P1、P2端口。

2.1.3 ?語音輸出模塊 ?使用語音輸出模塊YS-M3進(jìn)行音頻輸出，在使用前首先錄制好“一級(jí)果”“二級(jí)果”“三級(jí)果”“次品果”的音頻文件，將音頻文件放入TF卡，TF卡插入語音模塊的卡槽中，語音輸出模塊通過單片機(jī)的P1.4、P1.5、P1.6、P1.7這4個(gè)端口來給出音頻觸發(fā)信號(hào)，這4個(gè)端口分別對(duì)應(yīng)“一級(jí)果”“二級(jí)果”“三級(jí)果”“次品果”的音頻文件。

圖4所示是基于單片機(jī)的獼猴桃稱重分級(jí)控制器的硬件結(jié)構(gòu)， YS-M3是語音輸出模塊，輸出的語音通過3 W的揚(yáng)聲器即可播放出來。具體工作方式是4個(gè)端口分別與單片機(jī)的P1.4、P1.5、P1.6、P1.7相連，工作方式為低電平觸發(fā)，當(dāng)P1.4端口輸出低電平時(shí)，則播放“一級(jí)果”的音頻;當(dāng)P1.5端口輸出低電平時(shí)，則播放“二級(jí)果”的音頻;當(dāng)P1.6端口輸出低電平時(shí)，則播放“三級(jí)果”的音頻;當(dāng)P1.7端口輸出低電平時(shí)，則播放“次品果”的音頻。

2.2 ?軟件設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)的果實(shí)稱重分級(jí)控制器的軟件流程如圖5所示。首先，用戶按下按鍵KQ去皮，保證果實(shí)稱重的精度;其次，用戶根據(jù)種通過4個(gè)按鍵KA、KB、KC、KD選擇待分級(jí)的獼猴桃果實(shí)品種。最后，按照表1的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將果實(shí)放在托盤上進(jìn)行稱重，如果果實(shí)重量大于一級(jí)果的上限，則LCD顯示“三級(jí)果”和果實(shí)重量，并且語音播報(bào)“三級(jí)果”;如果果實(shí)重量小于一級(jí)果的上限且大于一級(jí)果的下限，則LCD顯示“一級(jí)果”和果實(shí)重量，并且語音播報(bào)“一級(jí)果”;如果果實(shí)重量小于一級(jí)果的下限且大于二級(jí)果的下限，則LCD顯示“二級(jí)果”和果實(shí)重量，并且語音播報(bào)“二級(jí)果”;如果果實(shí)重量小于二級(jí)果的下限且大于三級(jí)果的下限，則LCD顯示“三級(jí)果”和果實(shí)重量，并且語音播報(bào)“三級(jí)果”;如果果實(shí)重量小于三級(jí)果的下限，則LCD顯示“次品果”和果實(shí)重量，并且語音播報(bào)“次品果”。

3 ?性能測(cè)試結(jié)果分析

為了驗(yàn)證該分級(jí)控制器的稱重精度和分級(jí)精度，從楊凌獼猴桃種植園采集了海沃德、徐香、紅陽3個(gè)品種各20枚獼猴桃果實(shí)，并使用市場(chǎng)上比較常見的廚房秤（精度為0.01 g）對(duì)該分級(jí)控制器進(jìn)行性能對(duì)比測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。以廚房秤的果實(shí)稱重為對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)，以廚房秤的稱重精度為100%作為參照，對(duì)分級(jí)控制器的稱重精度求取了平均相對(duì)誤差，誤差分別達(dá)到了0.98%、1.21%、1.34%，相對(duì)誤差較小。對(duì)3個(gè)品種的獼猴桃果實(shí)分級(jí)精度測(cè)試，參照人工分級(jí)結(jié)果，分級(jí)平均相對(duì)誤差為0%，該控制器的整體性能符合設(shè)計(jì)要求，可以較好地實(shí)現(xiàn)果實(shí)的分級(jí)功能。

4 ?結(jié)論

針對(duì)大型果實(shí)稱重分選機(jī)分選獼猴桃果實(shí)成本較高，人工分選雖然成本較低，但效率較低的問題，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于單片機(jī)的獼猴桃果實(shí)稱重分級(jí)控制器，該控制器能夠?qū)崿F(xiàn)獼猴桃果實(shí)分級(jí)、價(jià)格便宜、可提高果實(shí)分級(jí)效率。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，該控制器稱重精度和分級(jí)精度較好，可以有效降低果實(shí)分級(jí)成本，有助于提高果農(nóng)收益。

參考文獻(xiàn)：

[1] 齊康康.輸送帶式獼猴桃分級(jí)平臺(tái)的設(shè)計(jì)[D].陜西楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2015.

[2] 毛鵬軍，杜東亮，符麗君，等.我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品分級(jí)的現(xiàn)狀、問題及對(duì)策[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械，2006（10）：110-111.

[3] 李光梅，魏新華，李陸星，等.水果分選機(jī)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展?fàn)顩r[J].農(nóng)機(jī)化研究，2007（9）：20-23.

[4] DB610124/T02—2015，獼猴桃鮮果等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[5] 洪海麗，王明俊.果蔬重量分選機(jī)控制器的設(shè)計(jì)[J].電腦開發(fā)與應(yīng)用，2009（7）：37-39.

[6] 逯久鑫，張 ?燕，廖宇蘭，等.基于PLC的芒果采摘機(jī)控制系統(tǒng)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2012（8）：181-183.

[7] 葛紀(jì)帥，趙春江，黃文倩，等.基于智能稱重的水果分級(jí)生產(chǎn)線設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2012（1）：126-130.