基于LabVIEW的雌雄蠶繭自動分檢機(jī)測控系統(tǒng)

方根根，張世慶，蔡健榮，楊 明，楊 川

（1．江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013;2．江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

0 引言

中國是世界上最大的蠶絲生產(chǎn)國和供應(yīng)國，蠶絲的產(chǎn)量和生絲出口量分別占世界的70%和90%，中國絲綢貿(mào)易量占世界蠶絲貿(mào)易總量的80%以上［1］。同一蠶品種的雄蠶絲與雌蠶絲相比，雄蠶絲具有繭絲纖度細(xì)、凈度優(yōu)、耐磨擦、生絲等級高、彈性好等優(yōu)點(diǎn)。目前，在蠶絲的生產(chǎn)過程中，采用雌雄繭混合干燥，繅絲的方法。這種混合繅絲的方法不能生產(chǎn)6A級高品位生絲［2］。因此，為了得到高品位的生絲，必須對雌雄蠶繭進(jìn)行分檢。

一些學(xué)者采用了無損檢測的方法對雌雄蠶繭的分檢進(jìn)行了研究。蘇州大學(xué)的虞曉華教授研究了一種熒光法判斷蠶繭的雌雄，把蠶繭放置在熒光燈下，雄蠶繭將發(fā)出黃光，雌蠶繭將發(fā)出紫光［3］。但是，這種方法針對的是特定品種的蠶繭，一般的在熒光燈下不會發(fā)出黃光或者紫光。因此，這種方法僅局限于檢測特定品種的蠶繭。上?？萍即髮W(xué)的劉聰?shù)热搜芯苛耸褂煤舜殴舱?（MIR）的方法識別雌雄蠶繭［4］。MRI是一種新的無損檢測雌雄蠶繭的方法。但這種方法實(shí)用的MRI設(shè)備非常昂貴，限制了這種方法的推廣。江蘇大學(xué)的李玉品等人研究了利用近紅外光譜分析的方法識蠶繭的雌雄［5］。但這種方法要把蠶繭剝開，識別后的蠶繭不能用于蠶絲生產(chǎn)。雌蠶繭的質(zhì)量要比雄蠶繭重，雌蠶繭和雄蠶繭的質(zhì)量都是遵從正態(tài)分布，大部分雌蠶繭和雄蠶繭分布在不同的質(zhì)量區(qū)間，因此，可以利用檢測質(zhì)量的方法來分檢雌雄蠶繭。

1 預(yù)實(shí)驗(yàn)

用鎮(zhèn)江蠶業(yè)研究所633個蠶繭做了預(yù)實(shí)驗(yàn)。使用電子天平檢測這些蠶繭的質(zhì)量并記錄下來，然后剝開蠶繭，根據(jù)蠶繭的生理差異來判斷蠶繭的性別。實(shí)驗(yàn)做完以后使用Matlab分別做出了雌蠶繭和雄蠶繭的質(zhì)量分布直方圖如圖1所示。從圖中可以看到，雌蠶繭和雄蠶繭的質(zhì)量分布均遵從正態(tài)分布。82．3%的雄蠶繭的質(zhì)量主要分布于1．1～1．4 g，78．7%的雌蠶繭的質(zhì)量主要分布于 1．5～1．9 g。因此，通過檢測質(zhì)量的方法來分檢雌雄蠶繭是可行的。如果可以快速地檢測出蠶繭的質(zhì)量，那么就可以知道蠶繭的性別。為此，依據(jù)快速動態(tài)稱重的方法，基于LabVIEW開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)了一種雌雄蠶繭自動分檢裝置。

圖1 雌蠶繭和雄蠶繭的質(zhì)量分布直方圖Fig 1 Histogram of the male and female cocoons’mass

2 雌雄蠶繭自動分檢機(jī)的工作原理

雌雄蠶繭自動分檢機(jī)是依據(jù)蠶繭的不同質(zhì)量進(jìn)行雌雄分檢。工作時，蠶繭經(jīng)過上料裝置以后從一定的高度落到稱重平臺上，在稱重平臺上放置有緩沖墊，保證蠶繭可以很快地靜止在稱重平臺上。在蠶繭沖擊稱重平臺的瞬間，稱重傳感器的輸出電壓會突然變大，依據(jù)這個變化信號就可以判斷是否有蠶繭落到稱重平臺上。當(dāng)檢測到有蠶繭落到稱重平臺上之后，就可以經(jīng)過短暫的延時，檢測蠶繭靜止在稱重平臺時的信號，得到蠶繭的質(zhì)量，然后依據(jù)雌雄蠶繭分布在不同的質(zhì)量區(qū)間，就可以知道的性別，驅(qū)動相應(yīng)的電磁閥工作把蠶繭吹離稱重平臺就可以實(shí)現(xiàn)分檢。

3 測控系統(tǒng)的硬件組成

該系統(tǒng)使用個人電腦加數(shù)據(jù)采集控制卡的硬件結(jié)構(gòu)，以LabVIEW為軟件平臺，由稱重傳感器和稱重平臺、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集控制卡、電磁閥驅(qū)動電路組成。

稱重傳感器的精度和穩(wěn)定性對系統(tǒng)的檢測結(jié)果有很大的影響，在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時候選用了高精度電阻應(yīng)變式稱重傳感器。該傳感器的測量區(qū)間是0．05～100 g，靈敏度是0．65 mV/V。傳感器輸出的信號比較微弱，因此，需要使用信號調(diào)理電路對傳感輸出的信號進(jìn)行放大和濾波。信號調(diào)理電路包括一個二級放大電路和一個低通濾波電路。第一級放大電路選用了INA114儀用放大器。INA114具有低成本，高精度的特點(diǎn)，內(nèi)部集成了一個三運(yùn)放高共模抑制比放大電路，適用于處理稱重信號。二級放大電路使用了OP07運(yùn)算放大器，OP07具有輸入電壓偏移低，高開環(huán)增益的特點(diǎn)適用于二級放大電路。信號放大電路如圖2所示。在設(shè)計(jì)中使用了一個低通濾波器來減少外界信號的干擾和噪音。

數(shù)據(jù)采集控制卡選用的美國Measurement Computing公司的1208FS。該數(shù)據(jù)采集卡是USB接口的數(shù)據(jù)采集卡，集成了A/D轉(zhuǎn)換，D/A轉(zhuǎn)換，數(shù)字量輸入和輸出的功能。模擬兩輸入通道可以進(jìn)行4路差分模擬信號輸入或者8路單端模擬信號輸入。配置為差分信號輸入時，每一個通道具有12位的精度;單端信號輸入時，每一個通道具有11位的精度，可以滿足快速采樣的要求。同時該采集卡具有數(shù)字IO輸出功能可以在蠶繭分檢的過程中，發(fā)出控制電磁發(fā)的開閉，完成分檢動作。

圖2 信號放大電路Fig 2 Circuit for signal amplification

在系統(tǒng)中，使用2個電磁閥來分檢蠶繭。當(dāng)檢測到蠶繭質(zhì)量，判斷出蠶繭的雌雄之后。對應(yīng)的電磁閥執(zhí)行動作，完成蠶繭的分檢。由于數(shù)據(jù)采集控制卡1208FS發(fā)出的控制信號比較微弱，因此，設(shè)計(jì)了電磁閥驅(qū)動電路。

4 測控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集控制控制卡1208FS提供了數(shù)據(jù)采集相關(guān)的用戶子模塊（VI）。在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制的時候主要用到的子模塊如表1所示。

表1 LabVIEW程序中主要用到的子模塊Tab 1 Sub-module used in LabVIEW program

軟件主要包括參數(shù)配置模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)觸發(fā)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊，信號輸出模塊和數(shù)據(jù)保存模塊。

參數(shù)配置模塊用來設(shè)置采集卡板號、使用的通道、采樣點(diǎn)數(shù)、采樣速率、采樣模式。數(shù)據(jù)采集模塊主要包括GetSatus．vi和ToEng．vi，把幕后運(yùn)行的狀態(tài)轉(zhuǎn)換為以電壓為單位的測量數(shù)據(jù)數(shù)組。數(shù)據(jù)觸發(fā)模塊設(shè)定當(dāng)電壓上升達(dá)到一定的閾值之后，返回測量結(jié)果，當(dāng)采集的電壓達(dá)不到設(shè)定的閾值時，不返回結(jié)果。在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置的時候，蠶繭從一定的高度落到稱重平臺上，這個過程中采集到的電壓數(shù)據(jù)會有比較大的變化。信號超過設(shè)定的閾值，表明有蠶繭落到稱重平臺上，因此，觸發(fā)之后采集到的信號可以反映蠶繭的質(zhì)量。

數(shù)據(jù)處理模塊的作用就是對采集到的觸發(fā)以后的信號進(jìn)行分析處理得到可以蠶繭的質(zhì)量。通過大量的預(yù)實(shí)驗(yàn)，采集的觸發(fā)之后200 ms內(nèi)的稱重信號的平均值，可以比較準(zhǔn)確地反映出蠶繭的質(zhì)量。根據(jù)之前的預(yù)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)蠶繭的質(zhì)量大于1．5 g時，認(rèn)為該蠶繭是雌蠶繭;蠶繭的質(zhì)量小于1．5 g時，認(rèn)為該蠶繭是雄蠶繭。在判斷蠶繭的雌雄之后，LabVIEW向數(shù)據(jù)采集控制卡的IO引腳發(fā)出電壓信號，控制相應(yīng)的電磁閥執(zhí)行動作，完成分檢。

數(shù)據(jù)保存模塊使用Write To Spreadsheet File．vi（寫入電子表格）把數(shù)據(jù)保存到Excel文件中，方便進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)查詢等工作。

信號檢測圖表可以監(jiān)測稱重傳感的電壓變化，進(jìn)而知道系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。蠶繭的質(zhì)量和性別信息也直觀的顯示出來，人機(jī)界面友好。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

使用開發(fā)的實(shí)驗(yàn)裝置對實(shí)際的新鮮蠶繭進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，首先使用電子天平稱量蠶繭的質(zhì)量，然后使用設(shè)計(jì)的系統(tǒng)稱量蠶繭的質(zhì)量，記錄實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)如表2所示。通過該表格可以看出:該系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)誤差不超過3．5%，實(shí)現(xiàn)了對蠶繭質(zhì)量的精確稱量，可以滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果列表Tab 2 List of experimental results

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的基于LabVIEW的雌雄蠶繭自動分檢機(jī)測控系統(tǒng)，利用動態(tài)稱重的方法來分檢雌雄蠶繭，通過對軟硬件的設(shè)計(jì)和完善達(dá)到了比較好的檢測精度，對實(shí)現(xiàn)雌雄蠶繭的無損分檢具有重要的意義。

［1］ 孟智啟．雄蠶產(chǎn)業(yè)化的戰(zhàn)略思考［J］．蠶桑通報(bào)，2001，32（2）:1－6．

［2］ 虞曉華，劉毅飛．雌雄蠶繭繭質(zhì)和絲質(zhì)的差異性分析［J］．紡織學(xué)報(bào)，2005，26（4）:36 －38．

［3］ 虞曉華．家蠶熒光色的遺傳研究［J］．蠶業(yè)科學(xué)，1997，23（3）:147－151．

［4］ Liu Cong，Ren Zhaohui，Wang Hongzhi，et al．Analysis on gender of silkworms by MRI technology［C］∥Proc of IEEE Symp on Biomedical Engineering and Informatics，BMEI 2008，2008:8 －12．

［5］ 李玉品，陳 斌，顏 輝，等．近紅外光譜法在蠶繭性別鑒定上的應(yīng)用［J］．江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009（1）:237 －239．