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介紹了稱重式果蔬重量分選機(jī)的流水線結(jié)構(gòu), 并簡要描述了重量分選機(jī)所采用的懸臂梁式稱重傳感器的原理和該重量分選機(jī)所選擇的稱重傳感器的主要指標(biāo)。較為詳細(xì)地闡述了作者設(shè)計(jì)的一款稱重式果蔬重量分選機(jī)控制器的工作原理, 并就該水果機(jī)的實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行了一些細(xì)節(jié)的討論并指出了數(shù)據(jù)處理過程中軟硬件資源使用的難點(diǎn)。
    1　果蔬重量分選機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀

    我國是一個(gè)果蔬生產(chǎn)大國, 但是, 我國果蔬市場長期以來一直屬于粗放型經(jīng)濟(jì)。果蔬產(chǎn)品的國際市場價(jià)格偏低[ 1] 。其重要原因是我國果蔬采后處理落后, 外觀質(zhì)量偏低。因此, 果蔬的分級已經(jīng)和我國果蔬的市場競爭力緊密相聯(lián)。本文介紹一種按重量分級的果蔬分選設(shè)備核心部分--控制器的設(shè)計(jì), 這種設(shè)備利用稱重式傳感器對果蔬進(jìn)行動(dòng)態(tài)測量, 從而將果蔬按照重量大小進(jìn)行自動(dòng)分類。

    2　果蔬重量分選機(jī)流水線

    首先對稱重式果蔬重量分選機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和稱重機(jī)理作一個(gè)簡單介紹。果蔬重量分選機(jī)由上果段、分選傳感器段和分果出口段組成。

    2. 1　上果段

    上果段負(fù)責(zé)將已經(jīng)清洗上蠟后的果蔬平穩(wěn)地置入果杯, 由一根鉸鏈帶動(dòng)向前運(yùn)行至傳感段, 這一段要求盡量使果蔬在進(jìn)入傳感分選段之前果蔬保持運(yùn)行的平穩(wěn), 以減弱上果瞬間的機(jī)械振動(dòng)。

    2. 2　傳感器段

    分選傳感器段由兩根并行的整體鑄鋁導(dǎo)軌構(gòu)成。果杯底部的四只對稱壓腳分別壓在兩根導(dǎo)軌表面由鉸鏈拉動(dòng)向前滑動(dòng)。導(dǎo)軌有一個(gè)長方形凹槽, 槽內(nèi)分別固定懸臂梁式壓力傳感器, 傳感器上水平安置一塊長方形鋼板, 長度與果杯所占長度相當(dāng), 鋼板表面處理的極為光滑, 鋼板與鑄鋁表面處同一平面, 與鑄鋁保持一定縫隙, 以避免鋼板在稱重的時(shí)候由于與周圍的鑄鋁接觸產(chǎn)生數(shù)據(jù)誤差。鋼板與鑄鋁的縫隙不能過大, 以避免果杯劃過該段時(shí)產(chǎn)生震動(dòng), 這個(gè)震動(dòng)在傳感器的輸出信號(hào)上反映為幅度很大的振蕩電壓信號(hào), 它對果蔬的稱重測量影響很大。鑄鋁導(dǎo)軌面被加工成光潔度非常高的兩邊低中間高的拱形結(jié)構(gòu)。當(dāng)果杯被拖送到傳感段的時(shí)候, 隨著果杯向前移動(dòng), 鑄鋁斜坡越來越高, 果杯的稱重壓腳被光滑的鑄鋁表面鋼板托起, 果杯及果蔬的重力因此逐漸與鉸鏈脫離。當(dāng)果杯滑動(dòng)到重力傳感器部分時(shí), 果杯高度達(dá)到最高點(diǎn), 短時(shí)間內(nèi)果杯重力完全脫離鉸鏈, 果杯的四只稱重壓腳全部壓在兩邊的兩只重力傳感器的鋼板上。傳感器利用果杯重力脫離鉸鏈快速通過傳感器的短暫時(shí)間迅速采集數(shù)據(jù), 經(jīng)CPU 的計(jì)算, 得到果杯與果杯上所置果蔬的重量之和。

    2. 3　分果出口段

    流水線傳感段之后緊接著是分果出口段, 它是在傳送帶側(cè)面安排了若干個(gè)出果口和接果槽, 每個(gè)口設(shè)計(jì)一個(gè)控制出果的電磁閥。當(dāng)已經(jīng)在傳感器段被測出重量的果蔬通過相應(yīng)的出果口時(shí), CPU 會(huì)及時(shí)發(fā)出控制命令, 令該出果口的電磁閥動(dòng)作, 果蔬因此滾入接果槽。出果口越多, 則果蔬品級的分選可以越細(xì)。
    3　控制器原理

    3. 1　稱重傳感器的選擇

    重量分選機(jī)測量果蔬重量的效果決定于稱重傳感器的選擇與安裝。本設(shè)計(jì)選擇懸臂梁式稱重傳感器, 它是利__用電阻應(yīng)變原理設(shè)計(jì)的傳感器。當(dāng)重力以垂直方向作用于鋁質(zhì)懸臂梁的末端時(shí), 梁的上表面產(chǎn)生拉應(yīng)變, 下表面產(chǎn)生壓應(yīng)變, 上下表面的應(yīng)變大小相等符號(hào)相反。

    粘貼在上下表面的應(yīng)變片也隨之拉伸和縮短。得到正負(fù)相間的電阻值的變化, 將電阻值轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)的電路為惠斯登電橋 。由于四只電阻的溫度環(huán)境相同, 在環(huán)境溫度發(fā)生漂移時(shí), 漂移值相互抵消, 可以抑制溫度變化的影響[ 2] 。

    橋臂電阻由R 1 至R 4 四個(gè)應(yīng)變電阻組成, US L為激勵(lì)電壓。當(dāng)四個(gè)電阻平衡時(shí), USC 輸出為零, 當(dāng)懸臂梁受力變形造成應(yīng)變電阻失去平衡時(shí), USC輸出線性反映電阻變形的情況。測量這一電壓的變化, 就得到被測物體的重量[ 3] 。

    我們選擇的傳感器靈敏度( D) 為2±10%mV / V;建議激勵(lì)電壓: 5V ～15 V( DC/ A C)

    選激勵(lì)電壓為10V , 則由激勵(lì)電壓和靈敏度的關(guān)系可計(jì)算出該傳感器最大輸出電壓信號(hào)應(yīng)為:V OUT = VI N ×D= 10V×2mV/ V = 20mV

    這一信號(hào)幅度比較弱, 不能直接用來進(jìn)行A/ D 轉(zhuǎn)換, 因此在進(jìn)入A / D 轉(zhuǎn)換之前加信號(hào)放大器。該額定容量范圍比較寬泛, 可以滿足重量分選機(jī)分選不同種類果蔬的需求, 通常分選柚子、西瓜一類大體積果蔬的重量分選機(jī)可采用上限, 而一般分選橙子、蘋果之類的中等尺寸的果蔬重量分選機(jī)則選用5kg 容量即可。由于果蔬動(dòng)態(tài)傳感出來的信號(hào)是一個(gè)幅度較大的振蕩波,因此, 此項(xiàng)指標(biāo)的上限應(yīng)該選擇比所稱果蔬上限至少大一倍, 以防止測量出的波形發(fā)生截止失真。
    3. 2　控制器原理框圖

    控制器包括控制板和電磁閥驅(qū)動(dòng)板兩個(gè)部分?？刂瓢宓暮诵氖且黄珻8051F020 型CPU, 此外配有存儲(chǔ)器、A/ D 轉(zhuǎn)換器、信號(hào)放大電路和光電隔離電路等。驅(qū)動(dòng)板則是一片89C51 型CPU [ 4]、1 6 路信號(hào)功率放大電路和16 路抗電磁閥反沖電壓的尖峰吸收電路( 圖2) 。主CPU 使用內(nèi)部RAM 作為數(shù)據(jù)緩沖區(qū), 內(nèi)部FLASH 作為程序存儲(chǔ)區(qū), 由于測量和計(jì)算過程中有許多中間變量需要快速讀寫, 并且斷電后需要繼續(xù)保留, 因此另外加了一片32kB 的FM18L08 鐵電存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器的地址線A0-A14 與CPU 的P60-P67 和P50-P56 相連, 數(shù)據(jù)線D0-D7 占用CPU 的P70-P77。光計(jì)數(shù)傳感器輸出的數(shù)字信號(hào)通過一個(gè)光隔離電路接入CPU 的P40 號(hào)I/ O 口線。用于確定每個(gè)果杯進(jìn)入稱重段的準(zhǔn)確時(shí)機(jī)

    左右兩條軌道的稱重傳感器信號(hào)首先經(jīng)過一個(gè)平衡混合電路, 將左右兩軌的重量進(jìn)行加法合成, 同時(shí)將毫伏級的弱電壓信號(hào)放大至0V ～5V 。放大后的信號(hào)是一個(gè)振蕩幅度很大的近似阻尼振蕩信號(hào)。
    3. 3　信號(hào)的分析與處

    我們把這個(gè)信號(hào)看作一個(gè)帶包絡(luò)的周期性振蕩信號(hào), 根據(jù)信號(hào)的頻域分析原理可以知道, 這個(gè)信號(hào)中間包含振蕩載波頻率分量、包括頻率分量和直流分量。果杯和果蔬的重量實(shí)際上是這個(gè)信號(hào)的直流分量, 需要設(shè)法提取這個(gè)分量, 然后測出該分量的值。

    通常分析各頻率分量的方法是將數(shù)字化后的傳感信號(hào)送入DSP 對數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT 處理, 將處理后的計(jì)算結(jié)果送入CPU, 這樣可以避免因CPU 運(yùn)算速度不夠而降低分選速度。但是這樣的做法會(huì)提高控制器的硬件復(fù)雜性和成本, 并降低了系統(tǒng)的可靠性。如果依靠CPU 完成數(shù)據(jù)處理, 則難點(diǎn)在于計(jì)算速度問題, 因?yàn)橹亓糠诌x機(jī)在處理某一果蔬的同一時(shí)刻, 下一果蔬將在50ms 內(nèi)到達(dá), 并且同時(shí)要處理通信、計(jì)算每個(gè)果蔬位置和控制電磁閥等工作。

    本項(xiàng)設(shè)計(jì)采用模擬與數(shù)字處理相結(jié)合的辦法, 首先將含有振蕩載波、高頻信號(hào)分量、不確定振動(dòng)干擾等因素造成的交流成分用模擬二階低通濾波器濾除, 再把模擬信號(hào)數(shù)字化, 交給CPU 進(jìn)行數(shù)字化處理, 這種做法使送入CPU 的數(shù)據(jù)大為簡化, 從而大幅度減輕了CPU 的資源壓力。

    由于流水線機(jī)械上的每一個(gè)缺口或結(jié)合部都會(huì)產(chǎn)生一定程度的機(jī)械振動(dòng), 這些不同部位、不同材質(zhì)的振動(dòng)反映在稱重傳感器上是各種不同的載波體的疊加( 圖3) , 靠一般的濾波電路很難直接處理出直流分量?；诖? 將低通濾波后的信號(hào)送入A/ D 轉(zhuǎn)換器, 轉(zhuǎn)為16 位數(shù)字信號(hào)[ 5] , 送入CPU 的一個(gè)16 位數(shù)據(jù)總線。經(jīng)低通濾波后的信號(hào)被數(shù)字化并送入CPU 后, 首先進(jìn)行的就是對該離散信號(hào)進(jìn)行快速傅立葉變換( FFT ) , 在頻域中取出零頻率的幅值, 計(jì)算出果蔬的重量。由于經(jīng)過二階低通濾波器的信號(hào)頻譜成分簡單了很多, 因此在進(jìn)行FFT 時(shí)采集點(diǎn)可大大減少, 轉(zhuǎn)換的計(jì)算量小很多, 使采用這片CPU 進(jìn)行FFT 成為可能。3. 4　分果口控制

    由于電磁閥的驅(qū)動(dòng)涉及到大電流大功率信號(hào), 為防止由此產(chǎn)生的干擾, 因此將這部分電路與主控制器不共地, 采用光隔離將相互之間的電磁影響降到最低。驅(qū)動(dòng)電路在輸出端設(shè)計(jì)有針對反沖電壓的尖峰吸收電路。

    3. 5　與主控臺(tái)通信

    系統(tǒng)在完成稱重信號(hào)處理后, 實(shí)時(shí)將測量結(jié)果通過串行通信告知控制臺(tái), 控制臺(tái)PC 實(shí)時(shí)顯示生產(chǎn)線處理果蔬的進(jìn)度和狀態(tài)統(tǒng)計(jì)。CPU 的兩位串行通信線利用ADM202E 電平轉(zhuǎn)換芯片將T TL 邏輯信號(hào)轉(zhuǎn)換為±12V 的RS232 接口信號(hào), 串行通信口占用CPU 的P0. 0 和P0. 1。串行口實(shí)現(xiàn)主控板與控制臺(tái)系統(tǒng)機(jī)之間的通信。

    3. 6　系統(tǒng)工作流程

    設(shè)備啟動(dòng)后, 主CPU 經(jīng)上電復(fù)位開始工作, 流水線運(yùn)行。系統(tǒng)首先測量出第一次空杯循環(huán)果杯數(shù)量和每一個(gè)果杯的自重。在果蔬上載后, CPU 以最快的速度計(jì)算出重量, 再減去該果杯的自重, 得出果蔬的實(shí)際重量, 將重量的真值通過串行通信通道傳送到主控臺(tái)系統(tǒng)機(jī)上。同時(shí), CPU 利用主控臺(tái)的果蔬分級設(shè)定表查出這只果蔬的分果口編號(hào), 設(shè)定定時(shí)時(shí)間, 啟動(dòng)定時(shí)器, 在傳送帶到達(dá)定時(shí)時(shí)間后立即發(fā)出相應(yīng)電磁閥邏輯口的邏輯真信號(hào), 經(jīng)放大驅(qū)動(dòng)相對應(yīng)的電磁閥, 使果杯翻轉(zhuǎn), 果蔬在相應(yīng)的出果口落下。在同一時(shí)間段里,CPU 不僅僅在處理這一頭果蔬的稱重、分級計(jì)算和出果控制, 同時(shí)在處理多達(dá)16 頭果蔬的流程。這一實(shí)時(shí)要求造成了CPU 軟硬件方面的很大壓力。

    4　結(jié)束語

    根據(jù)上述原理設(shè)計(jì)的果蔬重量分選機(jī)控制器已經(jīng)成功地在果蔬分選行業(yè)中實(shí)現(xiàn)了果蔬的有效分選。分選橙子的速度可以達(dá)到20 頭/ s, 分選重量誤差小于±3g 。已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。

    果蔬重量分選機(jī)產(chǎn)品雖然多種多樣, 但在工程上提高分選速度、分選精度、降低成本以及增強(qiáng)多類果蔬分選兼容度仍是重量分選機(jī)設(shè)計(jì)的努力方向。隨著嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)、測量技術(shù)發(fā)展, 重量分選機(jī)也將會(huì)不斷產(chǎn)生性能更好的新產(chǎn)品。

     參考文獻(xiàn)

     [ 1] 李光梅. 水果重量分選機(jī)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展?fàn)顩r[ J] . 農(nóng)機(jī)化研究, 2007( 9) : 20-23.

     [ 2] 張啟祥, 張曉英. 懸臂梁的受迫振動(dòng)試驗(yàn)[ J] . 物理實(shí)驗(yàn), 1997( 2) : 92-97.

    [ 3] 郭書立, 曹立文, 李立軍. 懸臂梁在沖擊力作用下的自由振動(dòng)理論分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[ J] . 佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)( 自然科學(xué)版) , 2001( 2) : 196-199.

     [ 4] ATMEL. AT 89C51 Data Sheet [ EB/ OL ] . http: ∥w ww . atmel. com/ dy n/ r eso urces/ Pro d do cuments/doco265. pdf , 2008-05-05.

   
 

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