CN215375209U - 基于介电特性的便携式黄金百香果成熟度检测仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种基于介电特性的便携式黄金百香果成熟度检测仪，其特征在于，包括：外部夹持器、测距传感器、多谐振荡电路和单片机；所述外部夹持器带有间距可调的上下极板；所述测距传感器用于测量上下极板的间距；所述多谐振荡电路的测量端子分别连接上下极板；所述测距传感器和多谐振荡电路分别连接单片机。其实现了快速便捷的黄金百香果电容和介电常数的测量。利用该测量结果，后续可以直接获得黄金百香果成熟度的判断结果，对黄金百香果成熟度判定和品质筛选以及产业化具有重要意义。

Description

基于介电特性的便携式黄金百香果成熟度检测仪

技术领域

本实用新型涉及水果检测设备技术领域，尤其涉及一种基于介电特性的便携式黄金百香果成熟度检测仪。

背景技术

近年来，百香果的营养保健价值被越来越多的人所认识。然而百香果作为经济作物市场的潜力明星，目前百香果产业发展存在着种植分散、产品质量不高、产品化水平较低等问题。

目前百香果成熟度判断主要依靠人为经验主观判断，其判定结果随意性大，误差大，缺乏可靠性和准确性。尤其是本发明中的实验对象黄金百香果由幼果到成熟可采摘果实的颜色差距不大，极易造成百香果品质参差不齐，成熟度不一致，生熟果混淆，难以在市场上具有竞争优势。开展采摘期成熟水果的内部品质检测方法研究，有助于准确掌握生长期水果内部品质及特性变化规律，将对果园过程管理、水果优质化培育、果实成熟度预测、果实最佳采摘期确定及后续加工及消费环节的质量保证具有重要的经济意义。

介电特性检测是近年来发展起来的一种无损检测技术，在进行果蔬的成熟度判定和品质筛选中具有重要的研究价值和巨大的应用潜力。目前介电特性平台尚无成形的产品，而针对果蔬的介电特性的检测也是基于实验室内搭建的测试系统。但是现有的测试系统均采用成品的LCR电桥测试仪，其需要连接PC机做后期的数据处理，不利于在嵌入式系统上直接实现介电特性的测量和显示，实际应用价值不大。

实用新型内容

本实用新型提出一种基于介电特性的便携式黄金百香果成熟度检测仪，针对传统方法使用LCR电桥测试仪测量黄金百香果电特性，其需要连接PC机做后期的数据处理得出成熟特性，仪器笨重难以在果园实际利用的缺陷，设计一种基于STM32F103C8T6单片机为主控，结合555定时器外接多谐、单稳的振荡器测电容，能在单一嵌入式系统上直接实现对黄金百香果介电特性的测量和显示，通过对电容值C，频率f，介电常数值ε′的一体化测量，提供了通过这些参数计算酸甜度的输入数据基础，以便于后续实现黄金百香果成熟度的准确表达。

其为一种基于介电特性的电容式便携、测量精度高、方便适用的黄金百香果成熟度检测仪，利用单片机控制器结合电路和结构设计取代LCR仪。之后能够根据所测得数据判断百香果成熟度的理论依据在于：

黄金百香果属于电介质，水果分子内部存在电场，且在分子线度范围内改变位置，场强的变化非常剧烈，但这些微观常用现有电生理技术无法测量。因此，从可观测角度考虑，只能研究一定体积内微观场的空间平均值，即转而研究水果的宏观特性。在果肉的成熟过程中，其内部水分的空间分布变化很大，果肉水分可以通过电特性宏观反映，即通过复阻抗和介电常数等指标能够检测和分析百香果在交变电场中电特性的变化来检测百香果的成熟度。

其具体采用以下技术方案：

一种基于介电特性的便携式黄金百香果成熟度检测仪，其特征在于，包括：外部夹持器、测距传感器、多谐振荡电路和单片机；所述外部夹持器带有间距可调的上下极板；所述测距传感器用于测量上下极板的间距；所述多谐振荡电路的测量端子分别连接上下极板；所述测距传感器和多谐振荡电路分别连接单片机。

进一步地，所述多谐振荡电路为由555定时器、电阻和电容构成的施密特触发器。

进一步地，所述测距传感器采用微波测距传感器，安装在上极板或下极板上。

进一步地，所述外部夹持器设置在样品槽内，由步进电机带动丝杆调整上下极板间距；所述步进电机的输出轴连接有扭矩传感器；所述步进电机和扭矩传感器分别连接单片机。

进一步地，所述单片机连接有按键模块和显示屏。

进一步地，所述单片机连接有USB接口、485接口和SD卡。

本实用新型及其优选方案实现了快速便捷的黄金百香果电容和介电常数的测量。利用该测量结果，后续可以直接获得黄金百香果成熟度的判断结果，对黄金百香果成熟度判定和品质筛选以及产业化具有重要意义。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步详细的说明：

图1是本实用新型实施例装置结构主视示意图；

图2是本实用新型实施例装置结构立体示意图；

图3是本实用新型实施例装置结构后视示意图；

图4是本实用新型实施例最小系统电路原理示意图；

图5是本实用新型实施例电阻测试电路原理示意图；

图6是本实用新型实施例电容测试电路原理示意图；

图7是本实用新型实施例EEPROM电路原理示意图；

图8是本实用新型实施例FLASH电路原理示意图；

图9是本实用新型实施例报警电路原理示意图；

图10是本实用新型实施例SD存储电路原理示意图；

图11是本实用新型实施例核心板电源电路原理示意图；

图12是本实用新型实施例按键电路原理示意图；

图13是本实用新型实施例485电路原理示意图；

图14是本实用新型实施例OLED电路原理示意图；

图15是本实用新型实施例仪器运行测试流程示意图；

图16是本实用新型实施例采用的介电特性-成熟度检测模型示意图；

图17是本实用新型实施例数据写入SD卡流程图示意图；

图中：1-壳体；2-视窗；3-OLED显示屏；4-按键模块；5-步进电机；6-丝杆机构；7-下极板；8-上极板。

具体实施方式

为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下：

如图1-图14所示，本实施例首先提供基于介电特性的便携式黄金百香果成熟度检测仪的装置结构和电路原理的设计方案：

本实施例装置主要包括外部夹持器、测距传感器、多谐振荡电路和单片机，安装在壳体1的内部或外部。其中，外部夹持器带有间距可调的上下极板；测距传感器用于测量上下极板的间距；多谐振荡电路的测量端子分别连接上下极板；测距传感器和多谐振荡电路分别连接单片机。

具体地，多谐振荡电路为由555定时器、电阻和电容构成的施密特触发器。测距传感器采用微波测距传感器，安装在上极板7或下极板8上。外部夹持器设置在位于壳体后部的样品槽内，在壳体上可设置有视窗2以便于观察样品槽，由步进电机5带动丝杆机构6调整上下极板间距；步进电机的输出轴连接有扭矩传感器；步进电机和扭矩传感器分别连接单片机。

考虑到黄金百香果属于电介质，水果分子内部存在电场，且在分子线度范围内改变位置，场强的变化非常剧烈，但这些微观常用现有电生理技术无法测量。因此，从可观测角度考虑，只能研究一定体积内微观场的空间平均值，即转而研究水果的宏观特性。在果肉的成熟过程中，其内部水分的空间分布变化很大，果肉水分可以通过电特性宏观反映，即通过复阻抗和介电常数等指标检测和分析百香果在交变电场中电特性的变化可以用来检测百香果的成熟度。

因此，该装置的设计要点在于便捷地采集百香果的电容和介电常数等指标。

其中，水果电特性宏观反映是指测量水果的相对介电常数ε'：

ε'＝C_P/C₀其中，C_P为电容测量值，C₀为介质真空时的电容。

s为外部夹持器平板电极的圆板面积，m²；d为外部夹持器两极板间的间距，m；ε₀是真空介电常数，F/m。

在本实施例中，主控制器采用STM32F103C8T6单片机，其最小系统如图4所示。结合电容测量模块、微波测距模块、外部夹持器得出上述所需测量值，其中电容的测量可以采用“脉冲计数法”，如图6所示，由555定时器外接电容电阻元件构成多谐、单稳及施密特触发器，该多谐振荡电路3号输出脚连接单片机，利用定数/计数器T0和T1，对频率进行准确计数，计数误差不超过±1HZ，通过振荡频率计算被测电容的大小。

其中，555接成多谐振荡器的形式，振荡周期为：

T1＝t₁+t₂＝(ln2)(R₁+R₂)*C_x+(ln2)R₂*C_x

R₁＝R₂

电容测量电路如图6所示。其测量端子A和B分别连接外部水果夹持器的上下极板，上极板处安装微波测距传感器模块，测量极板间的距离。

本实施例中，单片机还连接有按键模块4和OLED显示屏3，设置在壳体的正面，方便操作和显示，并设置有USB接口、485接口和SD卡，用于与PC连接及存储数据。将上述测量值写入SD卡中存储，以便于后续计算。

如图5、图7-图14所示，本实施例还提供了该装置其他组件的电路原理，如，内置SD卡(Micro SD-SDHC)可存储每次的数据,也可通过485接口连接电脑导出数据。当测量值超出参数极限值时，显示ERROR。当系统出现死机，显示乱码等情况时，可按复位键对仪器进行复位，仪器方可再次正常运行。仪器使用电源为锂电池，充电时红灯亮起，充满时亮绿灯。因与本实施例主要发明点关系不大，且基本为现有常规电路设计方案，因此不一一赘述。

基于以上设计，在使用的过程中，将黄金百香果置于样品槽中的两极板之间，上极板保持固定，并通过微波测距传感器用于测量两极板间的间距，下极板由单片机结合夹持装置控制其上下移动直至卡住百香果形成电接触，测试时按下按键模块的极板下移键和下极板上移键即可上下移动。夹持装置主要由步进电机电机正反转带动丝杆转动来实现电极板的运动，电机输出轴连接有扭矩传感器，使单片机可以测量电机输出轴的扭矩，从而达到每次测量夹持力保持定值的效果，确保数据采集的准确性和一致性。

基于以上方案，已经可以实现快速便捷的黄金百香果电容和介电常数的测量。

如图15-图17所示，为了使本领域技术人员能够更好理解方案所能够实现的效果，本实施例还提供了该装置进一步可以实现的工作流程，以及通过采集的参量实现百香果成熟度判断的具体方法。

如图16所示，本实施例提供了一种基于现有技术形成的成熟度检测模型，其中，其采用的分类算法属于现有常规分类算法，建立模型的介电指标优化分析可以直接通过SPSS软件完成，网络模型也可以通过机器学习sk-learn软件或matlab自带的BP库完成。该介电特性-成熟度检测模型训练完成后，可以直接将判决程序写入单片机中，将成熟度分为未成熟、半成熟、成熟三种类型，以实现本地的成熟度快速判别。

以上方法不属于本实用新型的保护内容，不作为本实用新型保护范围的限定，仅为使技术人员更好理解该方案的价值，成熟度模型的构建算法也可以替换为其他现有常规的基于机器学习的分类方法。

本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的基于介电特性的便携式黄金百香果成熟度检测仪，凡依本实用新型申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种基于介电特性的便携式黄金百香果成熟度检测仪，其特征在于，包括：外部夹持器、测距传感器、多谐振荡电路和单片机；所述外部夹持器带有间距可调的上下极板；所述测距传感器用于测量上下极板的间距；所述多谐振荡电路的测量端子分别连接上下极板；所述测距传感器和多谐振荡电路分别连接单片机。

2.根据权利要求1所述的基于介电特性的便携式黄金百香果成熟度检测仪，其特征在于：所述多谐振荡电路为由555定时器、电阻和电容构成的施密特触发器。

3.根据权利要求1所述的基于介电特性的便携式黄金百香果成熟度检测仪，其特征在于：所述测距传感器采用微波测距传感器，安装在上极板或下极板上。

4.根据权利要求1所述的基于介电特性的便携式黄金百香果成熟度检测仪，其特征在于：所述外部夹持器设置在样品槽内，由步进电机带动丝杆调整上下极板间距；所述步进电机的输出轴连接有扭矩传感器；所述步进电机和扭矩传感器分别连接单片机。

5.根据权利要求4所述的基于介电特性的便携式黄金百香果成熟度检测仪，其特征在于：所述单片机连接有按键模块和显示屏。

6.根据权利要求1所述的基于介电特性的便携式黄金百香果成熟度检测仪，其特征在于：所述单片机连接有USB接口、485接口和SD卡。

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