CN115901867A - 一种面向果蔬新鲜度电子自动化测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种面向果蔬新鲜度电子自动化测量系统，涉及果蔬新鲜度检测、电子自动化测量领域。该方法以自平衡电桥为测量核心，以微控制器(MCU)为运算和控制核心，将果蔬放入极板测量盒中形成待测果蔬，测量待测果蔬的阻抗和相位角，利用果蔬的阻抗、相位角及环境温度与果蔬新鲜度之间的模型关系，实现果蔬新鲜度的实时检测与显示功能，同时微控制器(MCU)将果蔬新鲜度数据上传到物联网云平台上。使用本发明，解决了果蔬新鲜度的电性能参数检测的问题，提高了检测方法小型化、自动化的水平，满足了对果蔬质量实时监控的要求。
Description
技术领域
本发明涉及果蔬质量检测和电子自动化测量领域。
技术背景
随着经济的发展和生活水平的提高，人们对果蔬新鲜度要求越来越高，果蔬电性能参数的检测需求也越来越大。现有果蔬新鲜度检测方法主要使用大体积的台式LCR检测仪，或使用复杂的检测电路，根据果蔬阻抗与新鲜度的关系获得质量参数，存在成本高，很难做成可嵌入式的小型检测设备，也不具备智能化、自动化测量的功能。
发明内容
本发明的目的是提供一种面向果蔬新鲜度电子自动化测量系统，可以自动化、智能化检测果蔬新鲜度。
本发明具有小型化、智能化的特点，能够自动测量果蔬新鲜度并将数据上传到物联网云平台上。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：
一种面向果蔬新鲜度电子自动化测量系统，其特征在于，系统构成包括
电源产生电路，
激励产生电路，
自平衡电桥、两个减法器和程序控制放大器的组合电路，
温度传感器，
微控制器(MCU)。
所述的测量系统，其特征是，电源产生电路，用于产生供电电源，实现电压为5伏的电源由Micro USB接口输入，通过稳压模块产生电压分别为3.3伏和1.5伏的供电电源。
所述的测量系统，其特征是，进一步的，所述稳压模块为AMS1117-3.3和AMS1117-1.5，分别生成3.3伏和1.5伏电压，3.3伏电压源为微控制器(MCU)和运放供电、1.5伏电压源为运放和程序控制放大器提供偏置电压。
所述的测量系统，其特征是，激励产生电路，用于产生激励信号，实现微控制器(MCU)通过内置数模转换器(DAC)在定时器中断控制下，生成频率可调的正弦波，该正弦波通过三阶低通滤波器形成激励信号。
所述的测量系统，其特征是，所述三阶低通滤波器，是通过三个电阻和三个电容构成的，电阻取值均为1000欧姆，电容取值均为100纳法。
所述的测量系统，其特征是，自平衡电桥、两个减法器和程序控制放大器的组合电路，用于通过电桥获得待测果蔬的阻抗与相位角。
所述的测量系统，其特征是，将果蔬放在极板测量盒中形成待测果蔬，极板测量盒中共有4个极板与果蔬接触，每2个极板构成1个测量组，共2组，通过多路选择器分时选择其中一组接入电路进行测量，上述待测果蔬与内阻串联，构成自平衡电桥电路，所述的激励信号通过该自平衡电桥电路，在待测果蔬两侧、内阻两侧分别产生电压差，通过2个减法器分别获得待测果蔬两侧和内阻两侧的电压差值，两个电压经过程序控制放大器放大后，进入微控制器(MCU)内置的模数转换器(ADC)，微控制器(MCU)再对模数转换器(ADC)获得的电压信号进行快速傅里叶变换，得到果蔬两侧电压的幅值和相位、内阻两侧电压的幅值和相位，内阻阻值是已知的，流过内阻和待测果蔬的电流相同，再通过欧姆定律获得待测果蔬两侧阻抗，上述2个测量组得到的阻抗分别为Z1和Z2，Z1和Z2均为复数，包含实部和虚部，通过反三角正切函数求得两组待测果蔬的相位角θ1和θ2。
所述的测量系统，其特征是，所述极板测量盒中共有4个电极，每2个电极构成1个测量组，共有2个测量组，通过多路选择器分时选择其中1个测量组接入电路。所述内阻与AD8606运放连接，与待测果蔬连接，构成自平衡电桥，所述减法器电路由一个SD06运放和4个阻值为10000欧姆的电阻构成，所述程序放大器是PGA112，由微控制器(MCU)通过SPI(Serial Peripheral Interface)协议控制放大倍数。
所述的测量系统，其特征是，还包括OLED显示模块；
进一步的，用于实现数据显示及上传：微控制器(MCU)通过SPI协议控制OLED显示模块，显示当前待测果蔬的阻抗、相位角、环境温度及新鲜度的值，同时微控制器(MCU)通过串口协议控制WIFI模块，将上述数据发送到物联网云平台上。
所述的测量系统，其特征是，通过温度传感器获得环境温度：
微控制器(MCU)通过IIC(Inter-Integrated Circuit)协议控制温度传感器，获得环境温度T。
所述的测量系统，其特征是，所述微控制器(MCU)计算果蔬新鲜度
构建数学模型并根据该数学模型：
计算得到新鲜度，K为新鲜度值，T为温度，|θ1|和|θ2|为相位角模，|Z1|和|Z2|为阻抗模，a、b、c1、c2、d1、d2、e1、e2、f1、f2为常数参数，n为整数，可取为1、2。新鲜度K共有4个挡位，通过三个阈值来划分，分别是K0、K1、和K2，当K<K0、K0<K<K1、K1<K<K2、和K>K3时，分别表示不同的新鲜度。
所述的测量系统，其特征是，所述计数新鲜度数学模型与环境温度、2个测量组的阻抗模值以及相位角有关，由测量的数据的拟合获得，所述常数参数存储在微控制器(MCU)的数组中，微控制器(MCU)获得待测果蔬的阻抗、相位角和环境温度后，通过数学模型计算得到新鲜度值，根据设定阈值实现果蔬新鲜度分类。
附图说明
图1是果蔬新鲜度整体测量电路示意图。
图2是电源产生电路示意图。
图3是激励信号产生电路示意图。
图4是自平衡电桥、减法器和程序控制放大器组合电路示意图。
图5是极板测量盒示意图。
图6是新鲜度运算流程示意图。
图7是数据显示及上传示意图。
具体实施方式
以下结合附图，介绍本发明方法技术中的三个主要步骤，有利于更好理解本发明方法的技术方案。
图1是果蔬新鲜度整体测量电路，图2是图1中的电源产生电路，图3是图1中的激励产生电路，
图4是图1中的自平衡电桥、两个减法器和程序控制放大器的组合电路，图5是图4中的极板测量盒部分，
图6是运算新鲜度的流程图。
使用过程，包括：
步骤1.供电电源产生及正弦波激励信号产生
供电电路如图2所示，通过Micro USB接口获得5伏电压，然后通过AMS1117-3.3输出3.3伏电压、通过AMS1117-1.5输出1.5伏电压，电容C1、C3、C5、C7为10微法的电解电容，C2、C4、C6、C8为100纳法的陶瓷电容，用于电源滤波。
激励产生电路如图3所示，由微控制器(MCU)、电阻、电容和运放组成，产生频率可调的正弦波。电阻R1、R2、R3均为10000欧姆、电容C9、C10、C11均为100纳法，上述电阻、电容构成一个三阶低通滤波器。微控制器(MCU)内置数模转换器(DAC，Digital to AnalogConverter，数模转换器)生成正弦波，通过上述三阶低通滤波器、再通过SGM8632(即图3中U1)运放U1，生成正弦波。
步骤2.阻抗、相位和温度测量步骤
如图1所示，整体测量电路包含电源产生电路、激励产生电路、微控制器(MCU)、自平衡电桥电路、两个减法器模块、程序控制放大器、温度传感器、OLED显示模块和WIFI模块，其中微控制器(MCU)型号是STM32F103ZET6。
图1中的自平衡电桥、两个减法器模块和程序控制放大器，它们的组合电路如图4所示，极板测量盒如图5所示：
极板测量盒中，极板1和极板2安装在顶层板下面，极板3和极板4安装在底层板上面，顶层板可以通过滑轮1、滑轮2、滑轮3和滑轮4上下移动，用于贴合待测果蔬，极板1、极板2、极板3和极板4分别通过电极1、电极2、电极3和电极4引出，接入到CD4053多路选择器中(图5)，CD4053多路选择器设置2个状态，通过微控制器(MCU)(图5中已画出微控制器)来选择，CD4053多路选择器使用2个输出端口，分别是输出1和输出2，当选择的状态为1时，输出1连接电极1，输出2连接电极3，构成第1测量组；当选择的状态为2时，输出1连电极2，输出2连接电极4，构成第2测量组。极板测量盒中放入果蔬组成待测果蔬连接到测量电路中，R10为100欧姆的内阻，内阻与AD8606(即图4中U5)运放连接后与待测果蔬串联，构成自平衡电桥。
在图5中，U2为SD06，其中包含两个运放，通过4个阻值为10000欧姆的电阻R5、R6、R7、R8组成减法器电路，该减法器电路得到待测果蔬两测电压，输出到U4的通道0(CH0)中。
在图5中，U3构成的减法器与U2结构相同，得到内阻两端电压输出到U4的通道1(CH1)中。
在图5中，U4是PGA112程序控制放大器，通过微控制器(MCU)的SPI协议控制放大倍数和通道选择，将减法器得到的电压值输出到微控制器(MCU)的模数转换器(ADC)。
测量流程如图6所示：
首先，微控制器(MCU)选择测量电极盒中，与果蔬接触的第1测量组接入电路，形成第1组待测果蔬，然后微控制器(MCU)通过SPI协议控制图4中的U4，使U4选择通道0(CH0)的电压输入，并对该输入电压放大，再从VOUT输出到微控制器(MCU)的内置模数转换器(ADC)中，接着微控制器(MCU)对该输入电压进行快速傅里叶变换(FFT)，从而获得第1组待测果蔬两侧电压的幅值与相位，接下来，微控制器(MCU)通过SPI协议控制U4，选择通道1(CH1)的电压输入，并对该输入电压放大，再从VOUT输出到微控制器(MCU)的内置模数转换器(ADC)中，通过对该输入电压的快速傅里叶变换(FFT)，获得内阻两侧电压的幅值与相位，然后通过欧姆定律获得第1组待测果蔬的阻抗和相位角；
其次，微控制器(MCU)选择测量电极盒中的与果蔬接触的第2测量组接入电路，形成第2组待测果蔬，通过SPI协议控制U4，使U4选择通道0(CH0)的电压输入，并对该输入电压放大，再从VOUT输出到微控制器(MCU)的内置模数转换器(ADC)中，接着微控制器(MCU)通过对该输入电压进行快速傅里叶变换(FFT)，获得第2组待测果蔬两侧电压的幅值与相位，接下来，微控制器(MCU)通过SPI协议控制U4，选择通道1(CH1)的电压输入，并对该输入电压放大，再从VOUT输出到微控制器(MCU)的内置模数转换器(ADC)中，通过对该输入电压的快速傅里叶变换(FFT)，获得内阻两侧电压的幅值与相位，然后通过欧姆定律获得第2组待测果蔬的阻抗和相位角；
最后，微控制器(MCU)通过IIC协议控制温度传感器得到温度值，并结合第1组待测果蔬的阻抗和相位角和第2组待测果蔬的阻抗和相位角，根据新鲜度值K数学模型，计算得到新鲜度的值。
步骤3.数据显示和上传步骤
如图7所示，微控制器(MCU)通过串口通信协议控制WIFI模块将微控制器(MCU)计算得到的数据发送到物联网云平台上，其中TX口用来发送数据，RX口用来接收数据；同时微控制器(MCU)通过SPI协议控制OLED显示模块，实现OLED显示模块显示实时测量的阻抗、相位角、温度和新鲜度运算结果，其中CS为片选信号端口，MOSI为微控制器(MCU)向OLED显示模块发送数据的端口，SCK为时钟信号端口。
Claims (10)
1.一种面向果蔬新鲜度电子自动化测量系统，其特征在于，系统构成包括
电源产生电路，
激励产生电路，
自平衡电桥、两个减法器和程序控制放大器的组合电路，
温度传感器，
微控制器(MCU)。
2.如权利要求1所述的测量系统，其特征是，电源产生电路，用于产生供电电源，实现电压为5伏的电源由Micro USB接口输入，通过稳压模块产生电压分别为3.3伏和1.5伏的供电电源。
3.如权利要求2所述的测量系统，其特征是，进一步的，所述稳压模块为AMS1117-3.3和AMS1117-1.5，分别生成3.3伏和1.5伏电压，3.3伏电压源为微控制器(MCU)和运放供电、1.5伏电压源为运放和程序控制放大器提供偏置电压。
4.如权利要求1所述的测量系统，其特征是，激励产生电路，用于产生激励信号，实现微控制器(MCU)通过内置数模转换器(DAC)在定时器中断控制下，生成频率可调的正弦波，该正弦波通过三阶低通滤波器形成激励信号。
5.如权利要求1所述的测量系统，其特征是，自平衡电桥、两个减法器和程序控制放大器的组合电路，用于通过电桥获得待测果蔬和内阻两端的电压。
6.如权利要求5所述的测量系统，其特征是，将果蔬放在极板测量盒中形成待测果蔬，极板测量盒中共有4个极板与果蔬接触，每2个极板构成1个测量组，共2组，通过多路选择器分时选择其中一组接入电路进行测量，上述待测果蔬与内阻串联，构成自平衡电桥电路，所述的激励信号通过该自平衡电桥电路，在待测果蔬两侧、内阻两侧分别产生电压差，通过两个减法器分别获得待测果蔬两侧和内阻两侧的电压差值，两个电压经过程序控制放大器放大后，进入微控制器(MCU)内置的模数转换器(ADC)，微控制器(MCU)再对模数转换器(ADC)获得的电压信号进行快速傅里叶变换，得到果蔬两侧电压的幅值和相位、内阻两侧电压的幅值和相位，内阻阻值是已知的，流过内阻和待测果蔬的电流相同，再通过欧姆定律获得待测果蔬两侧阻抗，上述2个测量组得到的阻抗分别为Z1和Z2，Z1和Z2均为复数，包含实部和虚部，通过反三角正切函数求得两组待测果蔬的相位角θ1和θ2。
7.如权利要求6所述的测量系统，其特征是，所述极板测量盒中共有4个电极，每2个电极构成1个测量组，共有2个测量组，通过多路选择器分时选择其中1个测量组接入电路；所述内阻与AD8606运放连接，与待测果蔬连接，构成自平衡电桥，所述减法器电路由一个SD06运放和4个阻值为10000欧姆的电阻构成，所述程序放大器是PGA112，由微控制器(MCU)通过SPI(Serial Peripheral Interface)协议控制放大倍数。
8.如权利要求1所述的测量系统，其特征是，还包括OLED显示模块；
进一步的，用于实现数据显示及上传：微控制器(MCU)通过SPI协议控制OLED显示模块，显示当前待测果蔬的阻抗、相位角、环境温度及新鲜度的值，同时微控制器(MCU)通过串口协议控制WIFI模块，将上述数据发送到物联网云平台上。
9.如权利要求1所述的测量系统，其特征是，通过温度传感器获得环境温度：
微控制器(MCU)通过IIC(Inter-Integrated Circuit)协议控制温度传感器，获得环境温度T。
10.如权利要求1所述的测量系统，其特征是，所述微控制器(MCU)计算果蔬新鲜度
构建数学模型并根据该数学模型：
计算得到新鲜度，K为新鲜度值，T为温度，|θ1|和|θ2|为相位角模，|Z1|和|Z2|为阻抗模，a、b、c1、c2、d1、d2、e1、e2、f1、f2为常数参数，n为整数，可取为1、2；新鲜度K共有4个挡位，通过三个阈值来划分，分别是K0、K1、和K2，当K<K0、K0<K<K1、K1<K<K2、和K>K3时，分别表示不同的新鲜度。
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