基于單片機的獼猴桃果實稱重分級控制器設計

何國榮

摘要：設計基于AT89S52單片機的獼猴桃（Actinidia chinensis）果實分級控制器。該控制器由按鍵模塊、顯示模塊、稱重模塊、語音輸出模塊組成，可以根據(jù)獼猴桃果實重量對果品分級。

關(guān)鍵詞：獼猴桃（Actinidia chinensis）;果實;分級;單片機

中圖分類號：S776.24+9 ? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）18-0137-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.18.033 ? ? ? ? ? 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Design on controller for kiwi fruit grading by weight based on MCU

HE Guo-rong

（School of Mechanical and Electrical Engineering，Yangling Vocational & Technical College，Yangling 712100，Shaanxi，China）

Abstract： The fruit grading controller of Actinidia chinensis based on AT89S52 MCU was designed. The controller contained keyboard modules， display modules， grating modules， sounds output modules， and could improve efficiency.

Key words： kiwi fruit（Actinidia chinensis）; fruit; grade; MCU

獼猴桃（Actinidia chinensis）是一種在中國種植廣泛、經(jīng)濟價值較高的水果。在果實成熟采摘后，需要對果實進行分級，按質(zhì)論價，提高獼猴桃的經(jīng)濟價值。果實分級方法有很多種，主要是按照果實大小分級、重量分級、外觀品質(zhì)分級和內(nèi)部品質(zhì)分級等方法[1]。

果實分級可以使用人工分揀和機械分級，人工分級勞動量大、生產(chǎn)率低而且分選精度容易受主觀因素影響，難以實現(xiàn)快速、準確的要求，機械分級與人工分級相比成本要大大降低，精準率大大提高，同時節(jié)約時間、降低果農(nóng)的勞動強度[2]。以色列ESHET EILON公司、美國AUTOLINE 公司生產(chǎn)的電子稱重式分選機，在分選檢測技術(shù)上已經(jīng)很成熟，工作效率高，并具有較高的分選精度。但是由于該設備操作較為復雜，而且設備成本較高，難以在中國推廣使用[3]。中國陜西關(guān)中地區(qū)出產(chǎn)的獼猴桃品質(zhì)較高，獼猴桃按照分級定價，可有效提高果農(nóng)的種植收益。但是果農(nóng)將果實采摘后，并沒有進行分級出售，分級設備使用成本高是主要阻礙。此外，高品質(zhì)的獼猴桃果實目前大都對其果形、外觀、重量采用人工分揀以保證其質(zhì)量。如何通過果實分級提高果農(nóng)收益，是目前在果農(nóng)增收方面面臨的一個問題。

針對該問題，設計了一個能夠?qū)崿F(xiàn)獼猴桃果實按重量分級、可滿足普通農(nóng)戶需要的低成本獼猴桃果實分級控制器，可以有效降低果實分級成本，有助于提高果農(nóng)種植收益。

1 ?獼猴桃果實稱重分級控制器的設計要求

中國獼猴桃的栽培品種較多，有海沃德、徐香、秦美、啞特、翠香、瑞玉、華優(yōu)、金艷、紅陽、臍紅等10個品種。因獼猴桃沒有全國性的分級標準，因此根據(jù)陜西省周至縣2015年頒發(fā)的《獼猴桃鮮果等級標準》（DB610124/T 02—2015）[4]，以此標準為依據(jù)設計獼猴桃分級控制器。該標準將獼猴桃按照果實單果重將不同品種的獼猴桃果實分為4個等級，分級標準如表1所示。

獼猴桃果實稱重分級控制器的設計目標是設計一個低成本、便于果農(nóng)使用的按照重量分級的控制器，只要將果實放在分級控制器上，即可顯示該果實重量和分級等級，并且可實現(xiàn)語音播報果實分級結(jié)果，精度達到0.1 g，可滿足普通農(nóng)戶對于低成本獼猴桃果實分級設備的需要[5-7]。

2 ?獼猴桃稱重分級控制器的整體設計方案

獼猴桃稱重分級控制器以低成本的AT89S52單片機為控制核心，以電阻應變式壓力傳感器N430和24位高精度的A/D轉(zhuǎn)換器芯片HX711作為稱重模塊、以1602LCD為液晶顯示模塊、以YS-M3為語音輸出模塊、以5個普通按鍵組成按鍵模塊。在使用時，用戶首先在稱重分級控制器的按鍵模塊上根據(jù)要分級的果實品種按下對應的按鍵，選擇待分級的果實品種，如按下按鍵KA（選擇海沃德、秦美、啞特），按下按鍵KB（選擇徐香、翠香、華優(yōu)、金艷），按下按鍵KC（選擇瑞玉），按下按鍵KD（選擇紅陽、臍紅），然后將果實放在分級控制器上進行稱重分級，分級結(jié)果將通過LCD屏幕顯示出來，同時也通過語音播放出來，如“一級果”“二級果”等，用戶可以方便地得到分級結(jié)果。

2.1 ?硬件設計

基于單片機的獼猴桃稱重分級控制器的稱重部分結(jié)構(gòu)如圖1所示，由3部分組成：托盤、壓力傳感器、支撐底板。托盤為塑料材質(zhì)，用于放置獼猴桃果實，托盤被螺絲固定在托盤下方的電阻應變式壓力傳感器上，壓力傳感器一端懸空，另一端用螺絲固定在支撐底板上。

基于單片機的獼猴桃稱重分級控制器的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，以AT89S52單片機為控制核心，由按鍵模塊、顯示模塊、稱重模塊、語音輸出模塊等4個模塊組成。按鍵模塊和稱重模塊作為分級控制器系統(tǒng)的輸入部分，顯示模塊和語音輸出模塊為輸出部分。

2.1.1 ?稱重模塊 ?稱重模塊使用量程為1 kg，分辨率為0.1 g的電阻應變式壓力傳感器N430對獼猴桃果實進行稱重，采集重量信號，再通過24位高精度的A/D轉(zhuǎn)換器芯片HX711將重量信息輸出給單片機的I/O端口P2.3和P2.4。如圖3所示，壓力傳感器中的5個電阻R1、R2、R3、R4、R5、R6阻值都是1 000 Ω，壓力傳感器N430的輸出有4根線，電源（+）、電源（-）、輸出（+）、輸出（-），分別連接A/D轉(zhuǎn)換器芯片HX711的E+、E-、A+、A- 4個端口。A/D轉(zhuǎn)換之后的數(shù)據(jù)信號和時鐘信號分別通過DT端口和SCK端口傳輸給AT89S52單片機的P2.3端口和P2.4端口，由單片機對稱重模塊的輸出進行處理和運算。

2.1.2 ?按鍵模塊和顯示模塊 ?用戶在果實稱重前，首先按下要進行稱重分級的獼猴桃果實種類按鍵，選擇果實品種。按鍵模塊設計有4個按鍵KA、KB、KC、KD分別對應4種果實：按下按鍵KA（選擇海沃德、秦美、啞特），按下按鍵KB（選擇徐香、翠香、華優(yōu)、金艷），按下按鍵KC（選擇瑞玉），按下按鍵KD（選擇紅陽、臍紅）。

顯示模塊使用1602LCD，用于顯示獼猴桃果實品種選擇信息、獼猴桃果實重量信息、果實分級信息。如表2所示是單片機端子功能分配表，使用了單片機的P0、P1、P2端口。

2.1.3 ?語音輸出模塊 ?使用語音輸出模塊YS-M3進行音頻輸出，在使用前首先錄制好“一級果”“二級果”“三級果”“次品果”的音頻文件，將音頻文件放入TF卡，TF卡插入語音模塊的卡槽中，語音輸出模塊通過單片機的P1.4、P1.5、P1.6、P1.7這4個端口來給出音頻觸發(fā)信號，這4個端口分別對應“一級果”“二級果”“三級果”“次品果”的音頻文件。

圖4所示是基于單片機的獼猴桃稱重分級控制器的硬件結(jié)構(gòu)， YS-M3是語音輸出模塊，輸出的語音通過3 W的揚聲器即可播放出來。具體工作方式是4個端口分別與單片機的P1.4、P1.5、P1.6、P1.7相連，工作方式為低電平觸發(fā)，當P1.4端口輸出低電平時，則播放“一級果”的音頻;當P1.5端口輸出低電平時，則播放“二級果”的音頻;當P1.6端口輸出低電平時，則播放“三級果”的音頻;當P1.7端口輸出低電平時，則播放“次品果”的音頻。

2.2 ?軟件設計

基于單片機的果實稱重分級控制器的軟件流程如圖5所示。首先，用戶按下按鍵KQ去皮，保證果實稱重的精度;其次，用戶根據(jù)種通過4個按鍵KA、KB、KC、KD選擇待分級的獼猴桃果實品種。最后，按照表1的分級標準，將果實放在托盤上進行稱重，如果果實重量大于一級果的上限，則LCD顯示“三級果”和果實重量，并且語音播報“三級果”;如果果實重量小于一級果的上限且大于一級果的下限，則LCD顯示“一級果”和果實重量，并且語音播報“一級果”;如果果實重量小于一級果的下限且大于二級果的下限，則LCD顯示“二級果”和果實重量，并且語音播報“二級果”;如果果實重量小于二級果的下限且大于三級果的下限，則LCD顯示“三級果”和果實重量，并且語音播報“三級果”;如果果實重量小于三級果的下限，則LCD顯示“次品果”和果實重量，并且語音播報“次品果”。

3 ?性能測試結(jié)果分析

為了驗證該分級控制器的稱重精度和分級精度，從楊凌獼猴桃種植園采集了海沃德、徐香、紅陽3個品種各20枚獼猴桃果實，并使用市場上比較常見的廚房秤（精度為0.01 g）對該分級控制器進行性能對比測試，測試數(shù)據(jù)如表3所示。以廚房秤的果實稱重為對比標準，以廚房秤的稱重精度為100%作為參照，對分級控制器的稱重精度求取了平均相對誤差，誤差分別達到了0.98%、1.21%、1.34%，相對誤差較小。對3個品種的獼猴桃果實分級精度測試，參照人工分級結(jié)果，分級平均相對誤差為0%，該控制器的整體性能符合設計要求，可以較好地實現(xiàn)果實的分級功能。

4 ?結(jié)論

針對大型果實稱重分選機分選獼猴桃果實成本較高，人工分選雖然成本較低，但效率較低的問題，設計了一個基于單片機的獼猴桃果實稱重分級控制器，該控制器能夠?qū)崿F(xiàn)獼猴桃果實分級、價格便宜、可提高果實分級效率。經(jīng)過試驗驗證，該控制器稱重精度和分級精度較好，可以有效降低果實分級成本，有助于提高果農(nóng)收益。

參考文獻：

[1] 齊康康.輸送帶式獼猴桃分級平臺的設計[D].陜西楊凌：西北農(nóng)林科技大學，2015.

[2] 毛鵬軍，杜東亮，符麗君，等.我國農(nóng)產(chǎn)品分級的現(xiàn)狀、問題及對策[J].農(nóng)業(yè)機械，2006（10）：110-111.

[3] 李光梅，魏新華，李陸星，等.水果分選機的研究現(xiàn)狀與發(fā)展狀況[J].農(nóng)機化研究，2007（9）：20-23.

[4] DB610124/T02—2015，獼猴桃鮮果等級標準[S].

[5] 洪海麗，王明俊.果蔬重量分選機控制器的設計[J].電腦開發(fā)與應用，2009（7）：37-39.

[6] 逯久鑫，張 ?燕，廖宇蘭，等.基于PLC的芒果采摘機控制系統(tǒng)研究[J].農(nóng)機化研究，2012（8）：181-183.

[7] 葛紀帥，趙春江，黃文倩，等.基于智能稱重的水果分級生產(chǎn)線設計[J].農(nóng)機化研究，2012（1）：126-130.