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海南师范大学本科生毕业论文题目:水果无损伤成熟度检测仪的设计姓名：谢骞学号：200706302134专业：电子信息科学与技术年级：2007级学院：物理与电子工程完成日期：2011年5月指导教师：盖志武（教授）本科生毕业论文（设计）独创性声明本人声明所呈交的毕业论文（设计）是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本论文中没有抄袭他人研究成果和伪造数据等行为。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。论文（设计）作者签名：日期：本科生毕业论文（设计）使用授权声明海南师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交毕业论文（设计）的复印件和磁盘，允许毕业论文（设计）被查阅和借阅。本人授权海南师范大学可以将本毕业论文（设计）的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复印手段保存、汇编毕业论文（设计）。论文（设计）作者签名：日期：指导教师签名：日期：目录1.引言..........................................52.国内外有关本课题研究的动态....................52.1、德国研究所使用气敏传感器检测水果气味.........52.2、日本水果的现代分级检测技术...................52.3、美国的一种探测乙烯气体的标签.................53.理论依据......................................63.1、水果的宏观电特性............................63.2、系统原理....................................64.方案总体介绍..................................74.1、系统整体方案................................74.2、方案论证与比较..............................84.2.1、采用近红外光谱分析法......................84.2.2、X射线分析法..............................84.2.3、检测水果的介电特性........................85.硬件设计......................................85.1、方案总体框图................................85.2、正弦信号发生电路............................95.3、信号采集模块...............................105.4、同增益放大电路.............................115.5、A/D转换电路................................115.6、单片机最小系统.............................125.7、液晶显示模块...............................135.8、键盘模块...................................136.软件设计.....................................146.1、软件设计流程图.............................146.2、A/D数模转换................................146.3、上位机调试.................................166.4、按键扫描...................................176.5、液晶显示...................................186.6、主控单元...................................197.结果分析.....................................198.总结.........................................21参考文献:.......................................21水果无损伤成熟度检测仪的设计作者：谢骞指导教师：盖志武教授（海南师范大学物理与电子工程学院，海口，571158)摘要：无损检测又称非破坏检测，即在不破坏样品的情况下对其进行内部品质评价的方法，主要运用力学、光学、声学等物理学方法进行检测。方案基于适当频率的交变电场的作用下，水果的阻抗特性参数会随频率按一定规律变化，成熟度不同则水果阻频曲线不同，曲线与水的阻抗频率曲线的交点反映水果的阻抗频率特性，交点越往左移其成熟度越好。利用阻抗频率特性衡量水果的成熟度的方法是可行的，并且该装置具有检测速度快、结构简单、可靠性高等优点。关键词：水果、成熟度、交变电场、阻抗FruitnodamagematuritydetectordesignAuthor:XieQianTutor:professorGaiZhiWu(PhysicsandElectronicsEngineeringInstitute,HainanNormalUniversity，Haikou,571158)Abstract:nondestructivetestingalsocallednon-destructivetesting,namelyinthecasewithoutdestroyingsamplesofitsinternalqualityevaluationmethod,mainlyutilizesthemechanics,optical,acoustictestingsuchphysicalmethods.Schemebasedonproperfrequencyalternatingelectricfield,fruitundertheactionoftheimpedancecharacteristicsparameterswillonfrequencybyacertainrulechanges,maturitydifferentfrequencycurveisfruitresistanceofdifferent,curveandwaterimpedancefrequencycurveintersectionoftheimpedancefrequencycharacteristicreflectsfruit,themovelefttheintersectionmaturity,thebetter.Usingtheimpedancefrequencycharacteristicsofthefruitripenessmeasuremethodisfeasible,andthedevicehasthedetectionspeed,simplestructureandhighreliabilityetc.Keywords:fruit,maturity,alternatingelectricfield,impedance1.引言随着科学技术的发展，人们的生活水平的不断提高，水果富含人体所需的各种物质，吃水果如今已成为一种时尚，因而水果供应商对水果质量分级和内部品质的要求也越来越显得重要。水果的成熟度是水果分级与保鲜的一项重要指标。水果成熟度的测试方法多种多样，从测量方法上来说大致分为破坏性和非破坏性两类，目前的研究大多集中于高频、破坏性测试方面，测试量也多是阻抗。而利用水果的介电特性检测方法进行果蔬分级，检测设备结构简单，价格便宜且系统数据信号采集和处理方便，还能保持果蔬内部品质不受影响。试验采用介电特性法对果蔬品质无损检测测量原理，构建了一种果蔬无损检测系统。并对不同新鲜度的苹果在低频段进行了试验检测。结果表明，在50Hz～500kHz测试频率范围内，随着水果新鲜度的下降，其等效阻值趋于增大，且按一定规律变化，表明该系统的设计构造是简易可行的。2.国内外有关本课题研究的动态2.1、德国研究所使用气敏传感器检测水果气味德国一家研究所与该国其他一些科研单位合作研制了一种特殊的检测水果成熟度的仪器，其核心技术是用金属氧化物气敏传感器去检测水果释放出的特殊气味，最后分析判断出水果的成熟度。具体工作过程是：先用高分子分离柱将待测水果的气味提纯，再让带有这一气味的气体通过温度达300至400摄氏度的传感器，传感器内的金属氧化物可与气味进行反应，最后仪器根据反应状态自动分析出水果的成熟度。初步试验显示，这种仪器与食品实验室中专用测量仪的检测效果一样精确。2.2、日本水果的现代分级检测技术日本最新研制的图像处理式分级系统采用无损伤检测技术、计算机处理，可使大小分级和等级分级一次性完成，机械设备主要起了传输作用，得到了大大简化。同时，还可根据生产能力随时进行组合，对分级场地无特殊要求。只要对计算机程序或设备略加修改，即可用于不同水果，应变性强。计算机、电气设备的大量应用使得制造成本有所提高，但机械设备的简化，又使成本大为降低，以至最终成本变化不大。2.3、美国的一种探测乙烯气体的标签美国亚利桑那州立大学的副教授马克·莱利发明了一种特殊标签，市民可使用这种标签检验水果和蔬菜是熟了还是熟透，进而帮助消费者判断水果是否值得买。据预测，农产品种植者可以在明年开始使用这种标签。而大规模推广到超市中使用，则还要再等两三年的时间。莱利认为，农场主和商贩每年都会扔掉数以千计的水果，因为这些水果是在熟透后才被摘下，没有更多时间在市场上出售。莱利发明的标签的工作原理，是通过探测一种乙烯气体的化学成分判断水果是否成熟。3.理论依据3.1、水果的宏观电特性水果属于电介质,电介质中电子受原子核强烈束缚，不能自由移动，电介质的特征是以正、负电荷重心不重合的电极化方式传递、存贮或记录电的作用和影响，其中起主要作用的是束缚电荷。水果一般由果皮、果肉、果核组成，其果肉占绝大部分。水果果实的主要化学成分是可溶性糖、有机酸、淀粉、纤维素、果胶、维生素和酶，并且在成熟时果肉中含有大量水分。在果肉的成熟过程中，其内部水分量及水分的空间分布变化很大，果肉的水分可以通过电特性宏观反映。微观实质是果实分子内部存在电场，且在分子限度范围内改变位置，场强变化剧烈。但微观场难以测量，因此，可以研究微观场的平均值，即转化为宏观电特性，复阻抗和复介电常数，其中复介电常数是水果内部物质特性的反映，复阻抗是水果的物理常数。3.2、系统原理系统通过检测和分析水果在交变电场中的电特性的变化，来检测水果的成熟度。物质电特性包括导电特性和介电特性，介电特性是指生物分子中的束缚电荷对外加电场的响应特性，介电常数是表征电介质电特性的宏观参数。水果的的生理结构特征可由其电介质特性参数来表征，而介电特性参数可通过测量系统测量得知。它的主要参数有相对介电常数ε′r、相对介质损耗因数tanδ、介质损耗角正切值和介质等效阻抗|Z|。①介电常数ε′r是电介质固有的一种物理属性，表示电介质存储电场能量的能力。反映该电介质提高电容器电容量的能力；②损耗因数ε″r反映电介质在交流电场中损耗的能量；③介质损耗角正切tanδ是反映能量的损耗,介质损耗角δ是交流电的总电流I(或总电压U)与电容电流IC(或电容电压UC)之间的夹角。果蔬的介电特性可用复阻抗Z或导纳Y及复介电常数εr表示,这里Z或Y是果蔬的物理常数，与果蔬的个体尺寸有关；而εr是果蔬内部物质特性的反映，与果蔬的个体尺寸无关。在给定频率ω下，果蔬可用理想电容和电阻组成的并联或串联电路来表示，若将被检测果蔬置于平行电极之间作为电容器的内部介质。就可建立交变电场中果蔬电特性的模型。4.方案总体介绍4.1、系统整体方案该作品是基于水果阻抗特性而设计出来的无损检测装置，其总体方案图示如下：图1系统方案框图如图1所示，该设计作品由