大豆水分測定儀的設(shè)計與試驗

摘 要： 為了實現(xiàn)大豆水分的便捷、快速和無損測量，基于近紅外法設(shè)計一種以STM32F103為控制器，激光二極管、探測器和積分球為光路系統(tǒng)，信號處理電路和光電轉(zhuǎn)換器為電路系統(tǒng)的大豆水分測定儀。以黃大豆為研究對象，通過試驗分析黃大豆含水率對吸收峰波長和參考波長光功率吸收的規(guī)律，建立黃大豆含水率與不同波長光吸收率的多元多次數(shù)學(xué)模型，并對模型的可靠性進(jìn)行了檢驗。實驗結(jié)果表明，所設(shè)計測定儀在黃大豆含水率在10.0%～20.0%范圍內(nèi)的絕對測量誤差為-0.9%～2.2%，響應(yīng)時間小于1.2 s。

關(guān)鍵詞： 大豆； 無損測量； 含水量測定儀； 光路設(shè)計

中圖分類號： TN98?34； TM93 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）20?0117?04

Abstract： In order to achieve convenient， fast and non?destructive detection of soybean moisture content， an soybean moisture content meter was designed， which takes STM32F103 as its controller， laser diode， detector and integrating sphere as its beam path system， and signal processing circuit and photoelectric converter as its circuit system. A multi?element mathematical model of yellow soybean moisture content and different wavelength light absorptivity was established by analyzing the luminous power absorption law of peak wavelength and the reference wavelength for yellow soybean moisture content. The reliability of the model was tested. The results show that the designed meter’s the absolute detection error in the range of 10.0%～20.0% of yellow soybean moisture content is -0.9%～2.2% and its response time is less than 1.2 s.

Keywords： soybean； non?destructive detection； moisture content meter； beam path design

大豆[1]包含了黃豆、黑豆和青豆。研究表明，大豆?fàn)I養(yǎng)全面，含量豐富，其中蛋白質(zhì)尤為突出。大豆蛋白質(zhì)[2]的氨基酸組成比較接近人體需要的比值，所以很容易被消化吸收，是人們?nèi)粘ｏ嬍持械鞍踪|(zhì)攝取的主要來源之一。由于大豆吸濕性強(qiáng)，吸濕返潮后使體積膨脹，極易生霉。因此，在大豆收購、運輸、貯藏等環(huán)節(jié)中必須嚴(yán)格控制其含水率。目前國內(nèi)大豆含水率測量主要分為傳統(tǒng)的烘干法[3?4]和電學(xué)特性法[5?6]。其中烘干法具有測量精度高、穩(wěn)定的優(yōu)點[7]，但測量時間長、過程比較復(fù)雜，且屬于有損測量；電學(xué)特性法是一種快速的無損檢測方法，但受環(huán)境溫度、激勵頻率等因素影響較多，對于建立數(shù)學(xué)模型較為困難，影響到測量的精確度。鑒于以上原因，本文基于近紅外法[8]，通過研究近紅外光譜與含水率的關(guān)系，設(shè)計一種能便攜、快速、無損測量的大豆含水率測定儀。

1 大豆水分測定儀設(shè)計

1.1 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計方案

測定儀的硬件系統(tǒng)主要由光路系統(tǒng)、激光發(fā)射器、激光接收器、檢測及控制電路和輸入輸出設(shè)備組成，如圖1所示。光路系統(tǒng)包括積分球[9]球體、樣品杯和光源進(jìn)出口，分別用于對光源漫反射、放置測量樣品和導(dǎo)入、導(dǎo)出測量光源；激光發(fā)射器和接收器主要是實現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換的過程；檢測及控制電路包括STM32F103微控制器、信號放大、信號濾波、A/D轉(zhuǎn)換電路，主要完成對檢測光信號的采集、處理和輸出；輸入輸出設(shè)備為觸摸顯示器和打印機(jī)，實現(xiàn)對各個功能的操作、顯示和打印測量結(jié)果。

1.2 大豆水分測定儀光路系統(tǒng)設(shè)計

測定儀的光路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，近紅外光源通過光源進(jìn)入口照射到積分球內(nèi)壁，經(jīng)樣品吸收散射后，在積分球內(nèi)部不斷反射，最終由接收器接收。

積分球是一個內(nèi)壁涂有白色漫反射材料硫酸鋇的空腔球體[10]。球壁上開有三個窗口，分別作為進(jìn)光口、接收口和放置樣品杯。為了使積分球光反射率達(dá)到96%以上，設(shè)計的積分球開口面積不可超過內(nèi)表面積的5%。積分球內(nèi)直徑設(shè)計為100 mm。球冠面積公式如下：

積分球內(nèi)表面積為31 415.93 mm2。放置樣品杯的開口直徑為24 mm，面積為452.39 mm2；進(jìn)光口和接收口直徑均為5 mm，總面積為160 mm2。開口面積只占積分球內(nèi)表面積的1.95%，符合系統(tǒng)設(shè)計要求。

根據(jù)HITRAN數(shù)據(jù)庫[11]，利用JavaHAWKS軟件，結(jié)合目前市場現(xiàn)有的近紅外激光二極管，選擇1 310 nm波長作為水分的吸收峰，1 390 nm和1 550 nm波長作為水分的參考波長。選用帶尾纖的激光器，通過波分復(fù)用器[12]，將三路激光光源耦合后，接入積分球進(jìn)光口。光電探測器采用帶尾纖的InGaAs光電二極管，將檢測光傳送至光電轉(zhuǎn)化電路。

1.3 大豆水分測定儀硬件電路設(shè)計

1.3.1 激光驅(qū)動電路

半導(dǎo)體激光二極管由激光二極管（LD）和背光探測器（PD）組成，可對激光輸出進(jìn)行控制和監(jiān)視。通過驅(qū)動電路，使激光二極管工作于恒光功率輸出。

激光驅(qū)動電路如圖3所示，IC1和1.2 V穩(wěn)壓管組成基準(zhǔn)電壓器，通過調(diào)節(jié)電位器RV產(chǎn)生激光二極管的閾值電流。將IC1產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓和外部調(diào)制電壓作用于IC2構(gòu)成的同相加法器，產(chǎn)生反饋控制的目標(biāo)值。IC3為誤差比較器，通過與R13的光功率采樣電壓比較，使輸出值等于目標(biāo)值。測定儀用到三個不同波長的激光二極管，因此需要三個圖3的驅(qū)動電路。

1.3.2 信號放大電路[13]

光電探測器將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，即光通量與電流成正比。為了能得到電壓信號，設(shè)計了電流?電壓轉(zhuǎn)換電路，并且將微弱的電壓信號放大至A/D轉(zhuǎn)換電路的線性范圍內(nèi)。如圖4所示，R1，R2和R3組成T型反饋網(wǎng)絡(luò)。

1.3.3 信號濾波電路

通過電流?電壓轉(zhuǎn)換電路的信號參雜有其他噪聲，需要通過濾波電路消除噪聲，提高測定儀的穩(wěn)定度。激光二極管的調(diào)制信號頻率為10 Hz，采用四階巴特沃斯低通濾波器[14]，截至頻率為100 Hz。該濾波器采用了雙運放結(jié)構(gòu)，在拐點頻率有非常強(qiáng)的控制能力，能使輸出信號在臨界點以更快的速率下降，改善濾波效果。如圖5所示，根據(jù)電路關(guān)系式可得：

1.3.4 控制芯片

控制芯片選用STM32F1系列的32位ARM微處理器STM32F103[15]，其內(nèi)核是Cortex?M3。片內(nèi)FLASH容量為256 KB，集成有2個I2C接口、3個USART接口、2個SPI接口、1個USB 2.0全速接口和2個12位的ADC，基本符合測定儀設(shè)計要求。其功能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和運算，并控制觸摸液晶實現(xiàn)人機(jī)交互。

1.3.5 輸入輸出設(shè)備

檢測儀的輸入輸出由ATK?4.3′TFTLCD電容觸摸屏和RD?A48熱敏打印機(jī)組成。輸入界面包括含水率測試開關(guān)、清除按鍵、打印按鍵、查詢歷史按鍵和設(shè)置按鍵；輸出包括含水率檢測結(jié)果、歷史曲線界面和打印機(jī)數(shù)據(jù)輸出等。

1.4 大豆水分測定儀軟件設(shè)計

系統(tǒng)主程序：主要完成接口、觸摸液晶屏、打印機(jī)、PWM驅(qū)動等模塊和系統(tǒng)的初始化；同時調(diào)用相關(guān)子程序。

觸摸液晶屏子程序：主要完成液晶屏主界面的功能和測定儀相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，并且根據(jù)觸摸按鍵值調(diào)用被按鍵功能子程序。

含水率測量處理子程序：該子程序是整個軟件設(shè)計的核心，是測定儀測定精度和速度的決定性因素之一。主要完成采集經(jīng)過光電轉(zhuǎn)化后的檢測光信號；對信號進(jìn)行數(shù)字濾波處理；根據(jù)標(biāo)定、實驗建模后的關(guān)系式求解含水率。

2 大豆水分測定儀模型的建立與檢驗

2.1 試驗材料

試驗材料為廣西地區(qū)春季黃大豆。選取無病變、大小均勻的黃大豆作為試驗樣品。

2.2 試驗方法

利用烘干法，將3份約20 g黃大豆樣品置于105 ℃鼓風(fēng)干燥箱中約8 h，直至質(zhì)量穩(wěn)定。根據(jù)前后質(zhì)量差，測得3份樣品含水率的平均值為10.4%作為黃大豆的初始含水率。利用FA2204電子分析天平（上海精密科學(xué)儀器有限公司）分別稱取10份約50 g初始含水率的黃大豆樣品，放置于密封性良好的玻璃器皿中，通過少量多次添加去離子水的方式配置濕基含水率在10%～20%的黃大豆樣品。為了保證樣品吸水均勻，在配置過程中，應(yīng)不停攪拌。將配置好的黃大豆樣品密封置于1 ℃冷藏箱2天，期間每天均搖樣品4～6次。試驗前，采用烘干法測量并記錄所配置樣品的濕基含水率。測量時，依次將配置樣品放置并填滿[13]樣品杯，啟動測定儀，測量出不同含水率樣品下各個波長的光功率。為了保證試驗的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，須保證樣品杯和積分球內(nèi)部干凈無雜物，并在同一含水率樣品下重復(fù)測量6次，去掉最大值和最小值，余下4個值取平均獲得有效測量值。

2.3 試驗結(jié)果與分析

2.3.1 數(shù)學(xué)模型的建立

對式（7）進(jìn)行方差分析。結(jié)果表明，用式（7）描述各個波長光功率值與含水率的關(guān)系時，模型在0.000 1水平上顯著，且三個波長檢測光信號的各次項在0.05都對模型有顯著的影響。

2.3.2 數(shù)學(xué)模型的檢驗

為了檢驗式（7）數(shù)學(xué)模型的可靠性，隨機(jī)配置了8份含水率在10%～20%的黃大豆樣品，通過第2.2節(jié)的方法測量出不同含水率樣品下各個波長的光功率，代入式（7）中計算出含水率。將測定儀測量計算得到的含水率與烘干法得到的標(biāo)準(zhǔn)含水率進(jìn)行比較，如圖6所示。

由圖6可得，計算得到的含水率和實測含水率之間的決定系數(shù)[r2=0.985 0]，說明式（7）能較準(zhǔn)確地描述各個波長光功率值與含水率之間的關(guān)系。

3 結(jié) 語

為了給大豆含水率的測定提供一種新設(shè)備，本文基于近紅外法設(shè)計了以STM32F103為微控制器，以積分球作為光路系統(tǒng)的核心，采用一個吸收峰波長和兩個參考波長的大豆含水率水分測定儀。以廣西地區(qū)春季黃大豆為對象，研究了黃大豆含水率（10%～20%）對各個波長光功率的影響。建立了描述含水率和光功率多元數(shù)學(xué)模型，驗證了數(shù)學(xué)模型的可靠性和精度。結(jié)果表明，在含水率10%～20%的黃大豆樣品下，設(shè)計的大豆水分測定儀絕對測量誤差為-0.9%～2.2%，靈敏度為0.3%，響應(yīng)時間小于1.2 s。該結(jié)果說明設(shè)計的大豆含水率測定儀已達(dá)到了國內(nèi)外同類產(chǎn)品較高的技術(shù)指標(biāo)[16]，可適用于大豆類的水分測量，具有廣闊的市場前景。后期將通過對方案的改進(jìn)和算法的優(yōu)化，來提高大豆測定儀的精度和穩(wěn)定度，并應(yīng)用于其他食品的水分測量。

參考文獻(xiàn)

[1] 唐傳核，彭志英.大豆功能性成分的開發(fā)現(xiàn)狀[J].中國油脂，2000，25（4）：44?48.

[2] 蔣濤，楊文鈺，劉衛(wèi)國，等.套作大豆貯藏蛋白、氨基酸組成分析及營養(yǎng)評價[J].食品科學(xué)，2012（21）：275?279.

[3] 蘇祎.對烘干法水分分析原理的研究[J].中國計量，2009（12）：67?70.

[4] 李長友.稻谷干燥含水率在線檢測裝置設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2008，39（3）：56?59.

[5] 鄭長征.電阻式糧食水分測定儀的設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32（19）：143?145.

[6] 李業(yè)德.基于介質(zhì)損耗因數(shù)的糧食水分測量方法[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2006，22（2）：14?17.

[7] 劉淑榮，于楓，蔣彬.模糊專家系統(tǒng)在糧食烘干控制過程中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2003，26（11）：64?66.

[8] 盧利軍，莊樹華，李愛軍，等.應(yīng)用近紅外技術(shù)測定黃豆粕中水分、蛋白質(zhì)和粗脂肪[J].分子科學(xué)學(xué)報，2001，17（2）：115?120.

[9] 陸耀東，史紅民，齊學(xué)，等.積分球技術(shù)在高能激光能量測量中的應(yīng)用[J].強(qiáng)激光與粒子束，2000，12（z1）：106?108.

[10] 胡子臣.積分球的涂層研究[J].紅外與激光工程，1985（4）：37?40.

[11] 高曉明，黃偉，鄧倫華，等.1.31 μm附近水汽分子的自加寬系數(shù)、氮氣加寬系數(shù)的測量[J].光學(xué)學(xué)報，2006，26（5）：641?646.

[12] 李葉芳，王曉旭，柳華.波分復(fù)用器在光纖通信中的應(yīng)用[J].物理與工程，2007，17（5）：26?28.

[13] 傅文淵，凌朝東.應(yīng)用于跨導(dǎo)放大器設(shè)計的線性度優(yōu)化方法[J].電子學(xué)報，2013，41（6）：1214?1218.

[14] 夏云生，張賀元.基于Proteus的雙二次型低通濾波器設(shè)計與仿真[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37（8）：22?24.

[15] 孫書鷹，陳志佳，寇超.新一代嵌入式微處理器STM32F103開發(fā)與應(yīng)用[J].網(wǎng)絡(luò)新媒體技術(shù)，2010，31（12）：59?63.

[16] 郭文川，劉馳，楊軍.小麥秸稈含水率測量儀的設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013（1）：33?40.