CN217688685U - 苹果品质无损检测系统 - Google Patents

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周宏运
冯宇飞
张祖奇
蒋国庆
刘华
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Abstract

一种苹果品质无损检测系统，将上位机与控制器模块双向通讯进行信息交互，所述控制器模块的输入端连接数据信号转换模块，输出端上电性连接液晶显示模块和DDS信号发生器模块，所述DDS信号发生器模块的输出端连接程控放大模块的输入端，所述程控信号放大模块的输出端连接着平行电极板的输入电极，平行电极板的输出电极上连接滤波电路的输入端，所述滤波电路的输出端连接数据信号转换模块，数据信号转换模块将采集的模拟量转换成数字量。本实用新型具有多种高精准频率信号输出，经过被检测苹果后采集的信号稳定性高，能够实时对苹果的介电常数进行测量，而且系统整体抗干扰能力强，操作简单。

Description

苹果品质无损检测系统
技术领域：
本实用新型属于仪器仪表技术领域，具体为一种苹果品质无损检测系统。
背景技术：
信号发生器在科研以及生产实践中至关重要，在电路、自动控制系统以及仪器仪表测试中应用也非常普遍。信号发生器又称信号源或振荡器，能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波等，其中产生正弦波的电路又被称为函数信号发生器。例如在通讯、电视系统中，要把音频信号和脉冲信号运载出去，就需要足够高频的振荡器。在医学领域内的核磁共振成像也需要频率不同功率或大或小的振荡器。从简单的波形产生，到AM/FM调制，再到QAM调制信号都有任意波形发生器的应用。信号发生器一般提供特定的函数波形，除了正弦信号、三角波，还可提供可编程的任意波。
常见信号发生器可分为数字DDS型和模拟振荡器型两大类，模拟振荡器又可分为特定波形发生芯片方式和采用运算放大器构成振荡电路方式。
农产品无损检测技术主要是指利用高科技技术，例如：X射线、激光、声波、介电常数检测等，对农产品进行非破坏性质量检测的技术。对苹果品质介电信号的检测，其核心部分主要为激励源和测量电路。
实用新型内容：
本实用新型的目的在于提供一种苹果品质无损检测系统，该系统具有多种高精度不同频率的正弦信号作为激励源用于苹果品质的无损检测，且正弦信号的频率和幅度自动稳定，经过被检测苹果后采集的信号稳定性高，能够实时对苹果的相关介电常数进行测量，而且系统整体抗干扰能力强，操作简单。
为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种苹果品质无损检测系统，包括上位机，其特征在于：所述上位机与控制器模块双向通讯进行信息交互，所述控制器模块的输入端连接数据信号转换模块，输出端上电性连接液晶显示模块和DDS信号发生器模块，所述DDS信号发生器模块的输出端连接程控放大模块的输入端，所述程控信号放大模块的输出端连接着平行电极板的输入电极，平行电极板的输出电极上连接滤波电路的输入端，所述滤波电路的输出端连接数据信号转换模块，数据信号转换模块将采集的模拟量转换成数字量。
优选的，所述上位机采用基于C++的Qt平台制作。
优选的，所述控制器模块采用32位MCU STM32F103主控芯片用于驱动 DDS信号发生器模块。
优选的，所述DDS信号发生器模块采用半导体的AD9854芯片。
优选的，所述平行电极板包括电极板A和电极板B，电极板A和电极板B 采用铜制正方形平行板电极作为测量端子，电极板A接收程控信号放大模块的输出信号，电极板B输出端口连接滤波电路的输入端。
优选的，所述程控信号放大模块采用的型号为VCA821。
优选的，所述数据信号转换模块的模数转换芯片型号为ADC0809。
优选的，所述滤波电路采用七阶椭圆滤波电路。
优选的，所述液晶显示屏采用4.3寸TFTLCD液晶显示屏。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：
1、本实用新型上位机采用基于C++的Qt平台制作，操作简单，能直观的看到苹果介电常数测量结果，而且根据需求通过上位机可以对DDS信号发生器模块输出的频率和幅值进行精准的控制。可以检测系统是否能正常运转，可以设置 DDS信号发生器模块输出波形频率并显示系统检测结果，通过串口设置波特率与控制器模块通信，硬件上通过USB转RS-232接口与控制器模块相连。
2、本实用新型DDS信号发生器模块采用半导体的AD9854芯片，内置两个高速、高性能正交DAC，片内有PLL(phase-locked loop)可实现对参考频率4～20 倍频，片内差分时钟芯片产生差分时钟信号，在通过PLL倍频300MHZ，当频率达到300MHZ，频率分辨率为1x10- 6Hz。AD9854具有高速的I/O控制端、10MHz 的串行两线或三线接口和2个300MHz高速12位DAC，可以输出正交信号，满足电路频率需求。
3、本实用新型程控信号放大模块采用的型号为VCA821，该模块可以通过调节电位器来改变增益，可调增益范围达70倍，内部由两个输入缓冲器和一个与乘法器内核集成的输出电流反馈放大器级组成，增益控制电压由±5V供电。
4、本实用新型数据信号转换模块的模数转换芯片型号为ADC0809，它是 COMS单片型逐次逼近式A/D转换器，有8路输入通道，8位A/D转换器，它的地址锁存和译码电路能够对3个地址位进行锁存和译码，以选通8路模拟输入信号中的一路进行A/D转换。该芯片转换时间短约为100微秒，单电源+5V供电，而且效率高，功耗低。
附图说明
图1为本实用新型结构示意图；
图2为本实用新型DDS信号发生器模块示意图；
图3为本实用新型的稳压电路示意图；
图4为本实用新型的椭圆滤波电路示意图；
图5为本实用新型的程控信号放大模块示意图；
图6为本实用新型的数模转换电路图及内部原理图；
图7为本实用新型的电路等效原理图，其中图a为基本测量原理图、图b为苹果串联等效电路、图c为苹果并联等效电路、图d为平行板电极等效原理图。
具体实施方式
以下结合附图以及实施例对本实用新型的特征和性能作进一步的详细描述。
请参考图1-7，本实用新型专利提供一种苹果品质无损检测系统，包括上位机PC，所述上位机通过USB转RS-232接口双向连接与控制器模块双向通讯进行信息交互，所述控制器模块的输入端连接数据信号转换模块，输出端上电性连接液晶显示模块和DDS信号发生器模块，所述DDS信号发生器模块的输出端连接程控放大模块的输入端，所述程控信号放大模块的输出端连接着平行电极板的输入电极，平行电极板的输出电极上连接滤波电路的输入端，所述滤波电路的输出端连接数据信号转换模块，数据信号转换模块将采集的模拟量转换成数字量。
优选的，所述上位机采用基于C++的Qt平台制作。
优选的，所述控制器模块采用32位MCU STM32F103主控芯片用于驱动 DDS信号发生器模块。
优选的，所述DDS信号发生器模块采用半导体的AD9854芯片，该芯片包括基准信号的调幅、调频、移相、多阶调制，电性连接有源晶振和多组电阻电容。所述DDS信号发生器模块发生正弦波、三角波以及方波，最高主频输出正弦波 120MHz，最高主频输出方波50MHz。
优选的，所述平行电极板为正方形，采用铜质材料制作，包括电极板A和电极板B，长度采用10cm，电极板A和电极板B作为测量端子，利用接触法实现苹果介电特性测量，在测量时需将待测苹果放置在电极板中间，与两电极板均接触，电极板A接收程控信号放大模块的输出信号，电极板B输出端口连接滤波电路的输入端。
优选的，所述程控信号放大模块采用的型号为VCA821。
优选的，所述数据信号转换模块的模数转换芯片型号为ADC0809。
优选的，所述滤波电路采用七阶椭圆滤波电路。
优选的，所述液晶显示屏采用4.3寸TFTLCD液晶显示屏。
如图1所示，本实用新型的工作原理是：上位机通过USB转RS-232接口给控制器模块发送指令，控制器模块收到指令后控制DDS信号发生器模块AD9854 输出需求的特定频率、幅度的正弦信号S0，DDS信号发生器模块AD9854接收到控制指令输出正弦信号，信号经过程控信号放大模块VCA821放大后输出信号S1到电极板A，经过被检测物品后，从电极板B输出微信号S2，信号S2经过七阶椭圆滤波电路处理，滤掉杂波和一些直流信号，在后级电路将滤波后的信号采集进行模数转换处理再反馈给控制器模块，控制器模块将信号分析处理后发送数据指令给上位机PC端。
如图2所示，本实用新型的DDS信号发生器模块，选用AD9854信号发生芯片，控制器模块选择MCU STM32F103作为主控芯片，完成程序控制正弦波信号发生，完成规定频率内的正弦信号的发生。首先将信号发生芯片的六位地址线ADDER_BUS[5:0]连接到单片机的GPIOA口的低六位[5:0]，八位数据线 DATA_BUS[7:0]连接到单片机的GPIOB口的[15:8]位，RD、WR、UDCLK、RESET、 S/P、OSK、FDSTA依次连接单片机的GPIOC口的[8:14]位。DDS信号发生器模块AD9854输出的正弦信号S0从OUT1口输出，然后经过程控信号放大模块 VCA821放大，输出信号存在较大的毛刺，经过内置滤波电路处理后得到优质信号S1，然后输送到电极板A端，信号S1是经过电路处理后得到的正弦信号，把它作为测试苹果品质的激励信号，在测试时通过上位机把其设置成五种不同频率输出，频率点分别为10Hz、500Hz、20KHz、1MHz、20MHz。在此频率点下实现对苹果的介电常数：复阻抗Z、串联电容Cs、串联电阻Rs、并联电容Cp、并联电阻Rp、串联电感Ls、并联电感Lp以及损耗系数D和品质因子Q等多项介电参数的精准测量。
正弦信号S1经过平行电极板后输出一个微弱信号S2，信号S1和信号S2是频率相同相位不同的正弦信号，且信号S2毛刺比较多、不稳定、信号比较微弱，需要后级电路对其滤波处理，然后经过信号采集电路对该微弱信号进行采集分析，并将模拟量转换成数字量，最后将数据存储在单片机里，同时在液晶显示屏上显示测得的数据结果波形。
如图4、图5所示，测量的微弱信号需经滤波放大处理，本实用新型七阶椭圆滤波电路将微信号的毛刺及直流信号滤掉，在经过VCA821功率运放将微信号放大处理。所述高阶椭圆滤波器设置成七阶椭圆滤波器，输出信号滤波后交给后级信号处理电路。
程控信号放大模块VAC821需要±5V同时供电，这里选用线性开关电源给其供电。
下面通过具体实施例对本实用新型做进一步的描述：
如图1所示为整个系统的结构图，采用外部电源给控制器模块提供工作电压，通过编写的程序控制VAC821输出正弦信号，并在液晶显示屏上显示波形和相关参数。假设输入信号S1的电压为U1，通过被测苹果后输出信号S2的电压变为 U2，这里将被测苹果等效为一个电阻R，输出信号通过一个标准1K电阻接地，根据U1和U2之间电压差则：
Figure DEST_PATH_GDA0003653588320000051
如图2和图3所示，提供一个单片集成信号发生模块AD9854和一个基于 LM317电源转换电路，通过控制器控制信号发生模块输出标准正弦波。将信号发生芯片的六位地址线ADDER_BUS[5:0]连接到单片机的GPIOA口的低六位 [5:0]，八位数据线DATA_BUS[7:0]连接到单片机的GPIOB口的[15:8]位，RD、 WR、UDCLK、RESET、S/P、OSK、FDSTA依次连接单片机的GPIOC口的[8:14] 位。利用DC7～9V/650mA适配器给信号发生模块供电，信号从Sine端口输出。
如图5所示，程控信号放大模块采用的型号为VCA821，该模块采用双电源供电，VDD接+5V，VEE接-5V，GND接地。
椭圆滤波电路中R1阻值为51欧姆，电容C1的容值为10纳法，C2～C8的容值分别为8.2pF、12pF、2.2pF、27pF、47pF、39pF、42pF，其中电感L1～L3 的值分别为82nh、68nh、68nh。
调整好两电极板的距离，并固定好承载电极板的底座，设计电极板间的距离可以根据被测苹果的大小可以上下小范围改动，其中电极板A固定不动，电极板B可以活动。利用平行板电极法搭建实现苹果介电特性测量的测量模块，将待测苹果放进固定好的电极板上，苹果对电极板之间的激发电场做出响应，通过阻抗分析对响应信号进行采集。如图7所示，AC代表电路中的信号源，Z代表复阻抗、Cs代表串联电容、Rs代表串联电阻、Cp代表并联电容、Rp代表并联电阻，经过实验测量得到苹果的其他介电常数：串联电感Ls，并联电感Lp，损耗系数D，品质因子Q，阻抗Z和导纳Y。
以上介电常数的关系为：
Figure DEST_PATH_GDA0003653588320000061
Figure DEST_PATH_GDA0003653588320000062
Figure DEST_PATH_GDA0003653588320000063
Figure DEST_PATH_GDA0003653588320000064
Figure DEST_PATH_GDA0003653588320000065
Figure DEST_PATH_GDA0003653588320000066
其中f为测量信号频率，单位：Hz(赫兹)。
记录该系统测得的数据并分析误差，然后和实验室LCR测试仪测得介电常数数据进行比较，从而验证本实用新型的准确行和方案的可行性。
最后需要指出的是：以上实例仅用于对本实用新型技术方案的说明，而非限制。尽管参照前述实例已详细地说明了本实用新型的技术方案，本领域的技术人员仍然可以对其进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。但这些修改或者替换在不脱离本实用新型精神和原则的情况下，仍包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种苹果品质无损检测系统，包括上位机，其特征在于：所述上位机与控制器模块双向通讯进行信息交互，所述控制器模块的输入端连接数据信号转换模块，输出端上电性连接液晶显示模块和DDS信号发生器模块，所述DDS信号发生器模块的输出端连接程控放大模块的输入端，所述程控放大模块的输出端连接着平行电极板的输入电极，平行电极板的输出电极上连接滤波电路的输入端，所述滤波电路的输出端连接数据信号转换模块，数据信号转换模块将采集的模拟量转换成数字量。
2.根据权利要求1所述的苹果品质无损检测系统，其特征在于：所述上位机采用基于C++的Qt平台制作。
3.根据权利要求1所述的苹果品质无损检测系统，其特征在于：所述控制器模块采用32位MCU STM32F103主控芯片用于驱动DDS信号发生器模块。
4.根据权利要求1所述的苹果品质无损检测系统，其特征在于：所述DDS信号发生器模块采用半导体的AD9854芯片。
5.根据权利要求1所述的苹果品质无损检测系统，其特征在于：所述平行电极板包括电极板A和电极板B，电极板A和电极板B采用铜制正方形平行板电极作为测量端子，电极板A接收程控信号放大模块的输出信号，电极板B输出端口连接滤波电路的输入端。
6.根据权利要求1所述的苹果品质无损检测系统，其特征在于：所述程控放大模块采用的型号为VCA821。
7.根据权利要求1所述的苹果品质无损检测系统，其特征在于：所述数据信号转换模块的模数转换芯片型号为ADC0809。
8.根据权利要求1所述的苹果品质无损检测系统，其特征在于：所述滤波电路采用七阶椭圆滤波电路。
9.根据权利要求1所述的苹果品质无损检测系统，其特征在于：所述液晶显示屏采用4.3寸TFTLCD液晶显示屏。
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