CN104865203A - 自动检测苹果霉心病的设备 - Google Patents

Abstract

一种自动检测苹果霉心病的设备，包括主架，主架上设置有纵向的丝杠，丝杠的底部设置有限位行程传感器，丝杠上设置有滑台，步进电机连接滑台带动其在丝杠上运动，滑台上连接苹果支撑座，苹果支撑座的正上方为LED光源，LED光源外安装有开关型红外对射管，开关型红外对射管的对射线与LED光源的阵列平面平行，滑台带动苹果支撑座上的待测苹果向上运动，至开关型红外对射管的对射线被待测苹果阻挡时停止，根据运动距离获取待测苹果的直径，苹果支撑座的中心安装有光电二极管，接收透射过待测苹果的光并将其转换为电压信号，处理器根据直径和电压信号判断待测苹果是否有霉心病，本发明实现了霉心病检测系统的一体化。

Description

自动检测苹果霉心病的设备

技术领域

本发明属于农业智能设备技术领域，特别涉及一种自动检测苹果霉心病的设备。

背景技术

苹果霉心病又称心腐病，是危害苹果内部品质的主要病害，近年来红富士苹果的发病率普遍较高，一般发病率为21％左右，尤其是套袋红富士，其发病率高达43.5％-79.5％。苹果霉心病发病的主要时期在果实成熟期和贮藏期。早中熟苹果在成熟采收后大多数外表分辨不出来，但进入市场或消费者手中的发病果实不能食用；晚熟品种进入果库后，在贮藏期会继续扩展和发病，使全果腐烂，毫无食用价值。霉心病所含有的神经毒素具有影响生育、致癌和免疫等毒理作用，因此，霉心病检测已成为苹果产业发展亟待解决的重大问题。

目前针对苹果霉心病的检测方法研究较少，其技术主要是基于苹果的生物阻抗特性、光特性以及机器视觉特性等原理，其中生物阻抗特性涉及的输入参数较多；光特性多应用全波段光源与光谱仪结合的检测方式，含有较多冗余信息，系统成本高；机器视觉检测分析过程复杂、耗时，并且目前尚无较合适的用于霉心病检测的检测仪器。光谱检测技术的发展为苹果霉心病的检测提供了理论基础。该技术具有无损、效率高、速度快、成本低、重现性好、样品无需预处理、光谱测量方便、适合现场检测和在线分析等独特优势。但目前也没有利用该技术的相关应用。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种自动检测苹果霉心病的设备，可快速无损检测苹果霉心病，具有成本低，操作简单，运行稳定可靠，病害判别精度高等特点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种自动检测苹果霉心病的设备，包括纵向设置的主架7，主架7上设置有纵向的丝杠2，丝杠2的底部设置有限位行程传感器8，丝杠2上设置有滑台3，步进电机1连接滑台3带动其在丝杠2上运动，滑台3上连接苹果支撑座4，苹果支撑座4的正上方为LED光源6，LED光源6为平面阵列结构，其外安装有开关型红外对射管5，开关型红外对射管5的对射线与LED光源6的阵列平面平行，滑台3带动苹果支撑座4上的待测苹果向上运动，至开关型红外对射管5的对射线被待测苹果阻挡时停止，根据运动距离获取待测苹果的直径，所述苹果支撑座4的中心安装有光电二极管9，所述光电二极管9作为光电转换器件，与运放芯片OP07连接，接收透射过待测苹果的光并将其转换为电压信号，所述待测苹果的直径和电压信号均连接至处理器，处理器内置判断模型，根据直径和电压信号判断待测苹果是否有霉心病。

所述限位行程传感器8与开关型红外对射管5的竖直距离为H，所述步进电机1与所述处理器连接，当开关型红外对射管5的对射线被待测苹果阻挡时，根据步进电机1的转数和转速得到滑台3的竖直运动距离L，则待测苹果的直径D＝H-L。

所述光电二极管9的阴极与电阻R2和电容C4的一端连接，电阻R2的另一端接VCC，电容C4的另一端接地，电阻R2和电容C4组成RC低通滤波器，消除VCC带来的高频噪声，光电二极管PD的阳极与电阻R3和电阻R5的一端连接，电阻R3的另一端接地，电阻R5的另一端接电阻R4的一端和运放芯片OP07的正向输入端，电阻R4的另一端接地，运放芯片OP07的反向输入端通过电阻R1接地，运放芯片OP07的输出端通过电阻R6接地且输出端接有滤波电容C3，运放芯片OP07的输出端与处理器连接，向其输出电压信号。

所述LED光源6采用中心波长为710nm，半波宽度为25nm的LED，采用输出电流可调的PT4115芯片作为驱动芯片，处理器与驱动芯片连接，通过输出不同占空比的PWM信号调节驱动芯片的输出电流，从而实现LED光源6发光强度的稳定定量调节。

所述判断模型为：

D≤70；

$Y=\{\begin{array}{cc}1& (V\≤90);\\ 0& (V>90);\end{array}$

70＜D≤80；

$Y=\left\{\begin{array}{cc}1& (V\≤80+160-2\×D);\\ 0& (V>80+160-2\×D);\end{array}\right.$

80＜D≤85；

$Y=\left\{\begin{array}{cc}1& (V\≤60+340-4\×D);\\ 0& (V>60+340-4\×D);\end{array}\right.$

85＜D≤90；

$Y=\left\{\begin{array}{cc}1& (V\≤35+450-5\×D);\\ 0& (V>35+450-5\×D);\end{array}\right.$

90＜D；

$Y=\left\{\begin{array}{cc}1& (V\≤30);\\ 0& (V>30);\end{array}\right.$

其中，D为获取的苹果直径，单位为mm；光电转换电压差值为V，单位为mv，即开启光源后获得的转换电压值与未开启光源获得的转换电压值的差值，Y表示判别结果，Y＝1，表示为病果；Y＝0，表示为健康果。

与现有技术相比，本发明利用可见光-近红外透射光谱，基于窄带光源和影响霉心病吸光度的苹果直径来检测苹果霉心病，突破了苹果霉心病快速无损检测理论与方法，在苹果入库时能够及时准确的分拣出发病苹果，防止了苹果霉心病病菌的大面积侵染，有效地降低了苹果在储藏过程的发病率，而且该检测仪在生产线中可以被用于果品分级分拣，为建设“高产、优质、高效、生态、安全”的现代苹果产业体系提供必要的技术支撑，同时项目成果可扩展应用于其它果品内在品质的快速无损检测。

附图说明

图1是不同发病程度的苹果霉心病病果的透射光谱曲线图。

图2是本发明系统结构示意图。

图3是本发明光谱检测模块电路示意图。

图4是本发明机械结构示意图。

图5是本发明苹果支撑座俯视图。

图6是本发明苹果支撑座剖视图。

图7是本发明检测流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

本发明的理论依据：

苹果受霉心病病菌侵染发病后，其心室生物组织分子发生变异，对光谱的吸收、反射与散射等作用发生变化，从而导致可见/近红外透射光谱曲线不同，试验采用4个50W的钨卤素灯光源、海洋光学光谱仪USB2000+与计算机构建了苹果霉心病光谱响应特性探寻平台，利用该平台对500个苹果样本进行透射光谱测量并沿果柄处切开，其中获取到苹果果径相近的27条不同发病程度的霉心病果的光谱图像曲线，如图1所示。

分析图1可知，在光谱仪可响应的波段范围内690nm-730nm的波段是对苹果霉心病响应最好的波段，且随着苹果霉心病病果的发病程度逐渐增加，透射光谱曲线的透过峰逐渐降低，直接的反映了苹果霉心病发病程度的增加使得该波段的透射光谱强度值减少，同时根据朗伯比尔定理，苹果直径的不同，造成了光源距光谱接收器件的距离，即光程的变化，从而导致光谱强度的衰减，因此依据上述原理，已知光谱吸收值与果径值便可测量出苹果霉心病果的发病程度。

基于此原理开发的系统结构如图2所示，包括

LED光源模块，光源采用中心波长为710nm，半波宽度为25nm的LED光源，驱动芯片采用输出电流可调的PT4115芯片，通过输出不同占空比的PWM信号调节PT4115的输出电流，从而实现LED光源发光强度的稳定定量调节。最终发出相应光强的光，照射于待测苹果的中心。

光谱检测模块，采用THORLABS公司的FDS1010型光电二极管，光电转化电路如图3示。首先在电压输入端采用电阻R2和电容C4组成的RC低通滤波器，消除电源带来的高频噪声，其次采用运放芯片OP07将采样电阻R3端的电压V0进行放大，而在输出电压Vout端接滤波电容C3，最终获取到实际有效的电压值。

果径在线测量模块，采用间接测量方式，包括竖直移动装置和水平设置的红外对射管，待测苹果位于红外对射管对射中心的正下方且设置于竖直移动装置上，由竖直移动装置带动向上运动，待苹果上表面切断红外对射线时，得到苹果直径D＝(H-L)，其中H为竖直移动装置与红外对射管的竖直距离初始值，L为竖直移动装置的上升距离。

按键模块与显示模块，主要实现与用户的交互，开始检测之前用户需要对系统进行配置，主要选择被测样本苹果的产地、品种以及已储藏时间，配置成功之后确认开始检测，检测完毕后显示检测结果。

核心处理模块，以德州仪器公司的MSP430F149单片机为核心处理器，接收光谱检测模块得到的电压值，根据该电压值计算得到相应的透射光强值，同时接收所述直径数据，综合透射光强值和直径数据，判断是否有霉心病。

光信号-电信号-光信号的转变过程中，主要是经过了光电二极管与放大模块：

其中光电二极管的特性是：V₀＝P*β*R_L其中V₀为采样电阻两端电压；P为单位波长的光强值，单位W，R_L采样电阻值；β为光电二极管感光系数，单位为A/W。

光源的波段范围为690nm至730nm，FDS1010光电二极管在该波段内的感光系数成线性关系，公式为β＝(0.4*λ-142)/300；其中λ为波长。

因此V₀＝P*β*R_L＝P*R_L*(0.4*λ-142)/300

$P=\frac{V_0*300}{R_L*(0.4*\mathrm{\λ}-142)}$

光源发出的总强度 $Q={\∫}_{690}^{730}\frac{V_0*300}{R_L*(0.4*\mathrm{\λ}-142)}\mathrm{d\λ}$

苹果发病与苹果直径同时影响着光谱透射强度值，因此该仪器获取苹果直径与光源透射值，输入苹果霉心病判别模型中，设果径为D(单位mm)，光电转换电压差值为V(单位mv)，此处V为开启光源后获得的转换电压值与未开启光源获得的转换电压值的差值，即V＝V0(光环境)-V0(暗环境)；

Y表示判别结果(Y＝1，表示为病果；Y＝0，表示为健康果)；

首先判断果径处于哪一个直径范围，主要分为(小于等于70mm、大于70小于等于80mm、大于80小于等于85mm、大于85小于等于90mm、大于90mm)五个直径范围，进而将获得的电压差值与该直径范围内的阈值比较，即判别公式：

D≤70；

$Y=\{\begin{array}{cc}1& (V\≤90);\\ 0& (V>90);\end{array}$

70＜D≤80；    80＜D≤85；

$Y=\left\{\begin{array}{cc}1& (V\≤80+160-2\×D);\\ 0& (V>80+160-2\×D);\end{array}\right.Y=\left\{\begin{array}{cc}1& (V\≤60+340-4\×D);\\ 0& (V>60+340-4\×D);\end{array}\right.$

85＜D≤90；

$Y=\left\{\begin{array}{cc}1& (V\≤35+450-5\×D);\\ 0& (V>35+450-5\×D);\end{array}\right.$

90＜D；

$Y=\left\{\begin{array}{cc}1& (V\≤30);\\ 0& (V>30);\end{array}\right.$

本发明主要为上述系统结构提供一个一体化的测量与判断设备，即，将LED光源模块、光谱检测模块以及果径在线测量模块等集成设置于一体，如图4所示，利用主架7，在主架7上设置纵向的丝杠2，丝杠2的底部设置有限位行程传感器8，丝杠2上设置有连接步进电机1的滑台3，滑台3上连接苹果支撑座4，苹果支撑座4的中心安装光谱检测模块的光电二极管如图5所示，苹果支撑座4的周边安装有密封遮光材料10。苹果支撑座4的正上方为LED光源模块中的LED光源6，LED光源6为平面阵列结构，其外安装有果径在线测量模块的开关型红外对射管5，开关型红外对射管5的对射线与LED光源6的阵列平面平行且相距固定距离4mm，开关型红外对射管5与限位行程传感器8的竖直距离H为120mm

控制滑台3在铅直方向上往返运动，每次运动的初始位置是限位行程传感器8处，与开关型红外对射管5的竖直距离为H，苹果支撑座4上放置好待测苹果后，滑台3开始向上运动，带动苹果支撑座4上的待测苹果向上运动，待苹果上表面切断红外对射线后停止，设此时滑台3的位置为终点位置且竖直运动距离为L，则苹果果径计算方式为D＝(H-L)。

本发明工作流程如图7所示，首先测量待测苹果的直径，具体可通过图4的装置完成，然后获取其透射光谱值，具体也可通过图4的装置完成，即，完成直径测量后，输出PWM信号设定输出电流，调整光源阵列输出强度，待光源输出稳定后，控制光谱强度检测模块获取透射值，最后处理器将获得的果径值与透射强度值代入判别模型中，显示器输出判定结果。

Claims (5)

1.一种自动检测苹果霉心病的设备，包括纵向设置的主架(7)，其特征在于，主架(7)上设置有纵向的丝杠(2)，丝杠(2)的底部设置有限位行程传感器(8)，丝杠(2)上设置有滑台(3)，步进电机(1)连接滑台(3)带动其在丝杠(2)上运动，滑台(3)上连接苹果支撑座(4)，苹果支撑座(4)的正上方为LED光源(6)，LED光源(6)为平面阵列结构，其外安装有开关型红外对射管(5)，开关型红外对射管(5)的对射线与LED光源(6)的阵列平面平行，滑台(3)带动苹果支撑座(4)上的待测苹果向上运动，至开关型红外对射管(5)的对射线被待测苹果阻挡时停止，根据运动距离获取待测苹果的直径，所述苹果支撑座(4)的中心安装有光电二极管(9)，所述光电二极管(9)作为光电转换器件，与运放芯片OP07连接，接收透射过待测苹果的光并将其转换为电压信号，所述待测苹果的直径和电压信号均连接至处理器，处理器内置判断模型，根据直径和电压信号判断待测苹果是否有霉心病。

2.根据权利要求1所述自动检测苹果霉心病的设备，其特征在于，所述限位行程传感器(8)与开关型红外对射管(5)的竖直距离为H，所述步进电机(1)与所述处理器连接，当开关型红外对射管(5)的对射线被待测苹果阻挡时，根据步进电机(1)的转数和转速得到滑台(3)的竖直运动距离L，则待测苹果的直径D＝(H-L)。

3.根据权利要求1所述自动检测苹果霉心病的设备，其特征在于，所述光电二极管(9)的阴极与电阻R2和电容C4的一端连接，电阻R2的另一端接VCC，电容C4的另一端接地，电阻R2和电容C4组成RC低通滤波器，消除VCC带来的高频噪声，光电二极管PD的阳极与电阻R3和电阻R5的一端连接，电阻R3的另一端接地，电阻R5的另一端接电阻R4的一端和运放芯片OP07的正向输入端，电阻R4的另一端接地，运放芯片OP07的反向输入端通过电阻R1接地，运放芯片OP07的输出端通过电阻R6接地且输出端接有滤波电容C3，运放芯片OP07的输出端与处理器连接，向其输出电压信号。

4.根据权利要求1所述自动检测苹果霉心病的设备，其特征在于，所述LED光源(6)采用中心波长为710nm，半波宽度为25nm的LED，采用输出电流可调的PT4115芯片作为驱动芯片，处理器与驱动芯片连接，通过输出不同占空比的PWM信号调节驱动芯片的输出电流，从而实现LED光源(6)发光强度的稳定定量调节。

5.根据权利要求1所述自动检测苹果霉心病的设备，其特征在于，所述判断模型为：

D≤70；

$Y=\left\{\begin{array}{cc}1& (V\≤90);\\ 0& (V>90);\end{array}\right.$

70＜D≤80；

$Y=\left\{\begin{array}{cc}1& (V\≤80+160-2\×D);\\ 0& (V>80+160-2\×D);\end{array}\right.$

80＜D≤85；

$Y=\left\{\begin{array}{cc}1& (V\≤60+3400-4\×D);\\ 0& (V>60+3400-4\×D);\end{array}\right.$

85＜D≤90；

$Y=\left\{\begin{array}{cc}1& (V\≤35+450-5\×D);\\ 0& (V>35+4500-5\×D);\end{array}\right.$

90＜D；

$Y=\left\{\begin{array}{cc}1& (V\≤30);\\ 0& (V>30);\end{array}\right.$

其中，D为获取的苹果直径，单位为mm；光电转换电压差值为V，单位为mv，即开启光源后获得的转换电压值与未开启光源获得的转换电压值的差值，Y表示判别结果，Y＝1，表示为病果；Y＝0，表示为健康果。