CN113865528A - 一种便携式猪肉背膘测量仪及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种便携式猪肉背膘测量仪及系统，单片机将移动终端输入的开始测量指令发送至微控制器；以使微控制器根据所述开始测量指令生成触发信号；超声波发射电路根据所述触发信号生成脉冲信号；超声波探头根据所述脉冲信号发射超声发射信号；超声波探头还接收超声回波信号；超声波接收电路对超声回波信号进行预处理；单片机接收到第一个预处理后的超声回波信号时记录时间为S1，当接收到第二个预处理后的超声回波信号时记录时间为S2，根据S1和S2计算背膘的厚度，并将背膘的厚度发送至移动终端进行显示；本发明上述方案实现自动测量猪肉背膘的厚度，进一步提高了测量的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及膘厚测量技术领域，特别是涉及一种便携式猪肉背膘测量仪及系统。
背景技术
随着人们生活水平的提高，对瘦肉型猪的需求量日益增加，2014年我国猪肉的需求达到顶峰5821万吨。由于国内片猪肉销售比例接近50％，片猪肉交易时，主要依据膘厚来对片猪肉定级。实际生产中为满足市场需求，工厂安排专人用量程为20cm的不锈钢直尺对市场片猪肉进行手工量膘。由于手工量膘速度慢，人为误差较大，工作强度大。
在生猪饲养方面，生猪膘情也是衡量营养和能量存储重要依据，背膘与胴体脂肪、体况评分和繁殖性能显著相关，是猪遗传育种和性能鉴定重要指标。保持良好体况和背膘水平，可提高生猪繁殖能力以及生产性能。初期背膘测量均采用目测及手测法评估生猪体况，但存在手法经验差异，尤其针对较大规模猪场，难以保障测量的准确性、及时性。
发明内容
本发明的目的是提供一种便携式猪肉背膘测量仪及系统，以实现自动检测猪肉背膘的厚度。
为实现上述目的，本发明提供了一种便携式猪肉背膘测量仪，所述测量仪包括：
单片机、微控制器、超声波发射电路、超声波接收电路和超声波探头；移动终端通过所述单片机与所述微控制器连接，所述微控制器通过所述超声发射电路与所述超声探头连接，所述超声探头通过所述超声接收电路与所述单片机连接；
所述单片机用于将移动终端输入的开始测量指令发送至所述微控制器；
所述微控制器用于根据所述开始测量指令生成触发信号，并将所述触发信号发送至所述超声波发射电路；
所述超声波发射电路用于根据所述触发信号生成脉冲信号，并将所述脉冲信号发送至所述超声波探头；
所述超声波探头用于根据所述脉冲信号发射超声发射信号；所述超声波探头还用于接收超声回波信号，并将所述超声回波信号发送至所述超声波接收电路；所述超声回波信号为超声发射信号穿过猪背后返回的信号；
所述超声波接收电路用于对所述超声回波信号进行预处理，并将预处理后的超声回波信号发送至所述单片机；
所述单片机接收到第一个预处理后的超声回波信号时记录时间为S1，当接收到第二个预处理后的超声回波信号时记录时间为S2，根据d＝[(S2-S1)/2]·V计算背膘的厚度，并将背膘的厚度发送至移动终端进行显示；其中，d表示背膘的厚度，V表示超声发射信号在猪肉中传播的速度。
可选地，所述超声波接收电路包括：
前置滤波电路，与所述超声波探头连接，用于滤除所述超声回波信号中的杂波干扰；
三级增益放大电路，与所述前置滤波电路连接，用于对滤除杂波干扰后的所述超声回波信号进行三级放大；
带通滤波电路，与所述三级增益放大电路连接，用于对三级放大后的所述超声回波信号进行带通滤波；
整流电路，与所述带通滤波电路连接，用于对带通滤波后的所述超声回波信号进行整流；
阻尼限幅电路，分别与所述整流电路和所述单片机连接，用于将整流后的所述超声回波信号的最高幅值限制在3.3v，并将最高幅值限制在3.3v的超声回波信号输入至所述单片机；所述预处理后的超声回波信号为最高幅值限制在3.3v的超声回波信号。
可选地，所述超声波探头包括双晶探头，其中一个探头发射超声发射信号，另一个探头接收所述超声回波信号。
可选地，所述测量仪还包括电池管理模块和锂电池；所述锂电池通过所述电池管理模块与所述单片机连接；所述锂电池通过所述电池管理模块给所述单片机提供电能。
可选地，所述测量仪还包括：第一蓝牙模块，与所述单片机连接，用于通过蓝牙方式将预处理后的超声回波信号发送至所述移动终端。
可选地，所述测量仪还包括：第一无线传输模块，与所述单片机连接，用于通过无线传输方式将预处理后的超声回波信号发送至所述移动终端。
可选地，所述测量仪还包括：第一USB模块，与所述单片机连接，用于通过USB接口将预处理后的超声回波信号发送至所述移动终端。
本发明还提供一种便携式猪肉背膘测量系统，所述系统包括：上述便携式猪肉背膘测量仪和移动终端；单片机与所述移动终端连接，所述移动终端用于输入开始测量指令；所述移动终端还用于显示背膘的厚度。
可选地，所述移动终端包括：输入模块、主控制器、显示器和第二蓝牙模块；猪肉背膘测量仪内的第一蓝牙模块通过蓝牙方式将背膘的厚度发送至第二蓝牙模块，以使第二蓝牙模块将背膘的厚度通过所述主控制器发送至所述显示器进行显示；所述输入模块还用于输入开始测量指令，并通过所述主控制器和所述第二蓝牙模块发送至所述第一蓝牙模块。
可选地，所述移动终端还包括：第二无线传输模块；猪肉背膘测量仪内的第一无线传输模块通过无线通讯方式将背膘的厚度发送至第二无线传输模块，以使第二无线传输模块将背膘的厚度通过所述主控制器发送至所述显示器进行显示。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明涉及一种便携式猪肉背膘测量仪及系统，单片机将移动终端输入的开始测量指令发送至微控制器；以使微控制器根据所述开始测量指令生成触发信号；超声波发射电路根据所述触发信号生成脉冲信号；超声波探头根据所述脉冲信号发射超声发射信号；超声波探头还接收超声回波信号；超声波接收电路对所述超声回波信号进行预处理；单片机接收到第一个预处理后的超声回波信号时记录时间为S1，当接收到第二个预处理后的超声回波信号时记录时间为S2，根据S1和S2计算背膘的厚度，并将背膘的厚度发送至移动终端进行显示；本发明上述方案实现自动测量猪肉背膘的厚度，相比于传统手工测量猪肉背膘的厚度，必然掺杂人为因素，因此进一步提高了测量的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明便携式猪肉背膘测量仪结构图；
图2为本发明便携式猪肉背膘测量系统结构图；
图3为本发明超声波探头结构图；
图4为本发明采集的预处理后的超声回波信号波形图；
图5为本发明实验结果对比示意图。
符号说明：
1、移动终端，2、单片机，3、微控制器，4、超声波发射电路，5、超声波接收电路，51、前置滤波电路，52、三级增益放大电路，53、带通滤波电路，54、整流电路，55、阻尼限幅电路，6、超声波探头，7、第一USB模块，8、第一蓝牙模块，9、电池管理模块，10、锂电池，11、第二USB模块，12，第二蓝牙模块，13、主控制器，14、显示器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种便携式猪肉背膘测量仪及系统，以实现自动检测猪肉背膘的厚度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
如图1所示，本发明公开一种便携式猪肉背膘测量仪，所述测量仪包括：单片机2、微控制器3、超声波发射电路4、超声波接收电路5和超声波探头6；移动终端1通过所述单片机2与所述微控制器3连接，所述微控制器3通过所述超声发射电路与所述超声探头连接，所述超声探头通过所述超声接收电路与所述单片机2连接。
所述单片机2用于将移动终端1输入的开始测量指令发送至所述微控制器3；所述微控制器3用于根据所述开始测量指令生成触发信号，并将所述触发信号发送至所述超声波发射电路4；所述超声波发射电路4用于根据所述触发信号生成脉冲信号，并将所述脉冲信号发送至所述超声波探头6；所述超声波探头6用于根据所述脉冲信号发射超声发射信号；所述超声波探头6还用于接收超声回波信号，并将所述超声回波信号发送至所述超声波接收电路5；所述超声回波信号为超声发射信号穿过猪背后返回的信号；所述超声波接收电路5用于对所述超声回波信号进行预处理，并将预处理后的超声回波信号发送至所述单片机2；所述单片机2接收到第一个预处理后的超声回波信号时记录时间为S1，当接收到第二个预处理后的超声回波信号时记录时间为S2，根据d＝[(S2-S1)/2]·V计算背膘的厚度，并将背膘的厚度发送至移动终端1进行显示；其中，d表示背膘的厚度，V表示超声发射信号在猪肉中传播的速度。
具体的，背膘的厚度计算是在STM32单片机内进行的，超声波接收电路5最后会将超声回波信号处理成方波脉冲的形式返回给STM32单片机，第一个方波为发射信号，第二方波为肥肉与瘦肉之间肉膜的反射信号，测量第一个方波到第二个方波的时间，已知声音在猪肉中的传播速度为1540m/s，将测量第一个方波到第二个方波的时间的一半乘以传播速度就可得到背膘的厚度。
进一步的，stm32单片机对预处理后的超声回波信号进行检测，采用电平监测和定时器共同作用，当检测到信号幅值从0上升到3.3v的时间小于规定值时，则认为检测到该信号的一个上升沿，捕获到信号上升沿后，对于该次检测进行记录时间为S1、定时器开始计时并且继续捕捉第二个上升沿，捕获到第二次上升沿，捕获到第二个上升沿后对于该次检测进行记录时间为S2，则计算该次背膘的厚度为d＝[(S2-S1)/2]*V，其中V为超声波在猪肉中传播的速度，并将该计算结果传至静态RAM进行存储。当进行了150次测量后，采用自动阈值处理方法将RAM中异常数据去除，当检测到测量计算结果明显大于或者小于猪肉背膘合理范围时，则认为该数据为异常数据，被自动过滤掉。过滤掉明显错误的计算结果后，为尽量减小误差，利用平均函数将剩余计算结果进行平均值计算，得到最终平均背膘的厚度。
本实施例中，所述超声波发射电路4根据所述触发信号生成高频高压脉冲信号，以使利用高频高压脉冲信号激发所述超声波探头6发射超声发射信号穿透猪肉。所述超声回波信号携带用于测量猪肉背膘厚度的信息。本实施例中，所述单片机2的型号选为STM32F103C8T6。所述微控制器3的型号为ATSAMD21G18A-MU。本实施例atmel微控制器3有48MHz的主频，信号输出性能好，跳变时间几乎为0，经系统定时器与通用定时器控制可发射标准的方波触发信号(该触发信号脉冲时间间隔为最终超声波探头6发出超声波的时间间隔)。
本实施例采用双控制器模式，微控制器3只负责发射触发信号给超声波发射电路4产生高频高压脉冲驱动超声波探头6，stm32单片机2负责接收经过预处理后的超声回波信号以及与移动终端1的通信，相较于单控制器，避免了控制器需要同时处理多项工作而造成系统超负荷和程序跑飞的情况发生，也有利于发射电路与接收电路分开。
作为一种可选的实施方式，本发明所述超声波发射电路内含有高频信号生成模块、高压模块以及激励脉冲生成模块，触发信号进入高频生成模块产生高频信号传输给激励脉冲生成模块，高压模块一端连接电池，将电池的低电压转换为可以驱动超声波探头的上百伏高电压，输出给激励脉冲生成模块，激励脉冲生成模块输出高频高压脉冲信号激励超声波探头产生超声波。
作为一种可选的实施方式，本发明所述超声波接收电路5包括：前置滤波电路51、三级增益放大电路52、带通滤波电路53、整流电路54和阻尼限幅电路55；所述前置滤波电路51与所述超声波探头6连接，所述三级增益放大电路52与所述前置滤波电路51连接，所述带通滤波电路53与所述三级增益放大电路52连接，所述阻尼限幅电路55分别与所述整流电路54和所述单片机2连接。
所述前置滤波电路51用于滤除所述超声回波信号中的杂波干扰；即滤除由于外界条件和猪肉内血管等组织造成的杂波干扰，提高信噪比。
三级增益放大电路52用于对滤除杂波干扰后的所述超声回波信号进行三级放大；由于信号衰减等原因，携带猪肉背膘信息的关键信号幅值会非常小，为方便进一步处理，需要将关键信号放大，方便后续处理，三级增益放大电路52的每级电路都拥有不同的带宽和增益，对信号进行三次放大。
带通滤波电路53用于对三级放大后的所述超声回波信号进行带通滤波；滤除高频杂波信号和低频杂波信号，只保留关键信号频率的信号，进一步提高信噪比。
整流电路54用于对带通滤波后的所述超声回波信号进行整流，同时去除幅值在0v以下的信号，方便stm32单片机进行处理。
阻尼限幅电路55用于将整流后的所述超声回波信号的最高幅值限制在3.3v，以防止过高幅值的信号进入单片机2，进而对单片机2造成损坏。并将最高幅值限制在3.3v的超声回波信号输入至所述单片机2；所述预处理后的超声回波信号为最高幅值限制在3.3v的超声回波信号。预处理后的超声回波信号如图4所示。
为了防止超声波发射电路4产生的高频高压脉冲干扰超声波接收电路5对于超声回波信号的处理，所以本发明将超声波发射电路4与超声波接收电路5分开进行设计。市面上常用的单晶直探头只有一个压电晶片，如图3中(a)所示，需要同时承担超声波发射和接收的任务，电路发射信号的时间间隔存在误差，极有可能造成信号混叠，导致微弱的接收信号被高频发射信号掩盖，导致测量数据存在较大误差。双晶探头分别承担超声波发射和接收的任务，互不干扰，接收到的超声波回波信号干扰更少，测量结果误差更小，因此本发明超声波探头6采用双晶直探头，其中一个探头发射超声发射信号，另一个探头接收所述超声回波信号，如图3中(b)所示。图3中(a)图带有箭头信号表示发射信号，图3中(b)图带有箭头信号分别表示发射信号和接收信号。
作为一种可选的实施方式，本发明所述测量仪还包括电池管理模块9和锂电池10；所述锂电池10通过所述电池管理模块9与所述单片机2连接；所述锂电池10通过所述电池管理模块9给所述单片机2提供电能。
作为一种可选的实施方式，本发明所述测量仪还包括：第一蓝牙模块8、第一无线传输模块以及第一USB模块7中至少一个，所述第一蓝牙模块8、所述第一无线传输模块以及第一USB模块7均与所述单片机2连接；所述第一蓝牙模块8用于通过蓝牙方式将预处理后的超声回波信号发送至所述移动终端1。所述第一无线传输模块用于通过无线传输方式将预处理后的超声回波信号发送至所述移动终端1。所述第一USB模块7用于通过USB接口将预处理后的超声回波信号发送至所述移动终端1。通过上述论述可知，所述单片机2通过蓝牙方式、无线传输方式以及USB接口方式将预处理后的超声回波信号发送至所述移动终端1，提高了使用的便利性。
本发明公开的便携式猪肉背膘测量仪具有以下优势：
(1)有饲养员手持超声波探头6作用于猪背第10根肋骨处，实现了对膘厚的准确测定：采用超声波发射器以规定的测定循环向测定对象发送超声波并利用超声波接受器接收反射回来的超声波，提高了测定的精度且对于测定对象而言是方便的。
(2)体积小，不受空间约束。操作简单，无需繁琐的步骤，采用无线传输技术代替有线连接，真正达到了便携要求。
(3)处理速度快，实时性强。采用STM32F103单片机控制，处理速度有保障。正常操作后仅需极短的时间便可完成测量并发送结果，不用长时间等待。
实施例2
如图2所示，本发明还提供一种便携式猪肉背膘测量系统，所述系统包括：如实施例1所述的便携式猪肉背膘测量仪和移动终端1；单片机2与所述移动终端1连接，所述移动终端1用于输入开始测量指令；所述移动终端1还用于显示背膘的厚度。具体的，所述移动终端1包括：输入模块、主控制器13、显示器14和第二蓝牙模块12；第一蓝牙模块8通过蓝牙方式将背膘的厚度发送至第二蓝牙模块12，以使第二蓝牙模块12将背膘的厚度通过所述主控制器13发送至所述显示器14进行显示。所述输入模块还用于输入开始测量指令，并利用蓝牙方式通过所述主控制器13和所述第二蓝牙模块12发送至所述第一蓝牙模块8。
所述移动终端1还包括：第二无线传输模块；第一无线传输模块通过无线通讯方式将背膘的厚度发送至第二无线传输模块，以使第二无线传输模块将背膘的厚度通过所述主控制器13发送至所述显示器14进行显示。第二无线传输模块利用无线通讯方式将开始测量指令通过第一无线传输模块发送至单片机2。
所述移动终端1还包括：第二USB模块11；第一USB模块7通过USB接口方式将背膘的厚度发送至第二USB模块11，以使第二USB模块11将背膘的厚度通过所述主控制器13发送至所述显示器14进行显示。第二USB模块11利用USB接口方式将开始测量指令通过第一USB模块7发送至单片机2。
所述移动终端1还包括：存储模块，用于存储背膘的厚度。
与实施例1中相同的部分不在重复论述，具体参见实施例1。
实施例3
取一带皮五花肉，切成适合测量的小块，将超声探头涂抹耦合剂贴在猪皮上，将单片机2与移动终端1进行蓝牙连接，测量猪肉块的膘厚，将设备测量示数与实际猪肉块肥膘的厚度进行比较来测试设备的准确性，如图5所示，本发明进行了三组实验，分别选取膘厚为10mm、20mm和30mm的猪肉进行测量，每组测量10次，根据实验结果，三组测量数据的误差为±1mm。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种便携式猪肉背膘测量仪，其特征在于，所述测量仪包括：
单片机、微控制器、超声波发射电路、超声波接收电路和超声波探头；移动终端通过所述单片机与所述微控制器连接，所述微控制器通过所述超声发射电路与所述超声探头连接，所述超声探头通过所述超声接收电路与所述单片机连接；
所述单片机用于将移动终端输入的开始测量指令发送至所述微控制器；
所述微控制器用于根据所述开始测量指令生成触发信号，并将所述触发信号发送至所述超声波发射电路；
所述超声波发射电路用于根据所述触发信号生成脉冲信号，并将所述脉冲信号发送至所述超声波探头；
所述超声波探头用于根据所述脉冲信号发射超声发射信号；所述超声波探头还用于接收超声回波信号，并将所述超声回波信号发送至所述超声波接收电路；所述超声回波信号为超声发射信号穿过猪背后返回的信号；
所述超声波接收电路用于对所述超声回波信号进行预处理，并将预处理后的超声回波信号发送至所述单片机；
所述单片机接收到第一个预处理后的超声回波信号时记录时间为S1，当接收到第二个预处理后的超声回波信号时记录时间为S2，根据d＝[(S2-S1)/2]·V计算背膘的厚度，并将背膘的厚度发送至移动终端进行显示；其中，d表示背膘的厚度，V表示超声发射信号在猪肉中传播的速度。
2.根据权利要求1所述的便携式猪肉背膘测量仪，其特征在于，所述超声波接收电路包括：
前置滤波电路，与所述超声波探头连接，用于滤除所述超声回波信号中的杂波干扰；
三级增益放大电路，与所述前置滤波电路连接，用于对滤除杂波干扰后的所述超声回波信号进行三级放大；
带通滤波电路，与所述三级增益放大电路连接，用于对三级放大后的所述超声回波信号进行带通滤波；
整流电路，与所述带通滤波电路连接，用于对带通滤波后的所述超声回波信号进行整流；
阻尼限幅电路，分别与所述整流电路和所述单片机连接，用于将整流后的所述超声回波信号的最高幅值限制在3.3v，并将最高幅值限制在3.3v的超声回波信号输入至所述单片机；所述预处理后的超声回波信号为最高幅值限制在3.3v的超声回波信号。
3.根据权利要求1所述的便携式猪肉背膘测量仪，其特征在于，所述超声波探头包括双晶探头，其中一个探头发射超声发射信号，另一个探头接收所述超声回波信号。
4.根据权利要求1所述的便携式猪肉背膘测量仪，其特征在于，所述测量仪还包括电池管理模块和锂电池；所述锂电池通过所述电池管理模块与所述单片机连接；所述锂电池通过所述电池管理模块给所述单片机提供电能。
5.根据权利要求1所述的便携式猪肉背膘测量仪，其特征在于，所述测量仪还包括：第一蓝牙模块，与所述单片机连接，用于通过蓝牙方式将预处理后的超声回波信号发送至所述移动终端。
6.根据权利要求1所述的便携式猪肉背膘测量仪，其特征在于，所述测量仪还包括：第一无线传输模块，与所述单片机连接，用于通过无线传输方式将预处理后的超声回波信号发送至所述移动终端。
7.根据权利要求1所述的便携式猪肉背膘测量仪，其特征在于，所述测量仪还包括：第一USB模块，与所述单片机连接，用于通过USB接口将预处理后的超声回波信号发送至所述移动终端。
8.一种便携式猪肉背膘测量系统，其特征在于，所述系统包括：如权利要求1-7任一项所述的便携式猪肉背膘测量仪和移动终端；单片机与所述移动终端连接，所述移动终端用于输入开始测量指令；所述移动终端还用于显示背膘的厚度。
9.根据权利要求8所述的便携式猪肉背膘测量系统，其特征在于，所述移动终端包括：输入模块、主控制器、显示器和第二蓝牙模块；猪肉背膘测量仪内的第一蓝牙模块通过蓝牙方式将背膘的厚度发送至第二蓝牙模块，以使第二蓝牙模块将背膘的厚度通过所述主控制器发送至所述显示器进行显示；所述输入模块还用于输入开始测量指令，并利用蓝牙方式通过所述主控制器和所述第二蓝牙模块发送至所述第一蓝牙模块。
10.根据权利要求8所述的便携式猪肉背膘测量系统，其特征在于，所述移动终端还包括：第二无线传输模块；猪肉背膘测量仪内的第一无线传输模块通过无线通讯方式将背膘的厚度发送至第二无线传输模块，以使第二无线传输模块将背膘的厚度通过所述主控制器发送至所述显示器进行显示。
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- 2021-09-24 CN CN202111119661.2A patent/CN113865528A/zh active Pending
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