振動法雞蛋新鮮度檢測系統(tǒng)設(shè)計

石明吉， 崔新雨， 劉新裕， 王明利， 賈代園

(南陽理工學(xué)院數(shù)理學(xué)院 河南 南陽 473004)

0 引言

雞蛋是一種營養(yǎng)豐富又易被人體消化吸收的食品，它與肉類、乳制品、蔬菜一樣是人們?nèi)粘Ｉ钪械闹匾獱I養(yǎng)食品之一。如果保存不當(dāng)，雞蛋會變質(zhì)，食用了變質(zhì)雞蛋會引起中毒，導(dǎo)致腹瀉、腹痛、惡心等癥狀，嚴(yán)重時還會導(dǎo)致死亡。雞蛋的品質(zhì)好壞不一，在收購、貯存、加工、銷售和出口時，必須嚴(yán)格檢驗雞蛋的新鮮度，剔除變質(zhì)雞蛋[1,2]。

國內(nèi)外檢測雞蛋新鮮度的方法主要有：感官鑒別法、光照透視鑒別法、蛋的密度測定法、熒光檢驗法和哈夫單位鑒別法等[3,4]。近年來，一些新的方法和技術(shù)不斷涌現(xiàn)，如蛋白PH值檢測法、揮發(fā)性鹽基氮(TVBN)含量檢測法、可見/近紅外光譜檢測法、機器視覺檢測法、拉曼光譜檢測法、電子鼻檢測法、介電特性檢測法和低場核磁檢測法等[5-8]。各種方法都具有自身的一些優(yōu)點，但也都存在一些不足：感官鑒別法主要依憑經(jīng)驗，準(zhǔn)確度不高，且檢測費時費力；PH 值檢測和TVBN檢測需要將雞蛋打開進(jìn)行測試，使雞蛋受損；由于光學(xué)特性和機器視覺檢測技術(shù)受到雞蛋表面潔凈度、蛋殼的顏色、蛋殼厚度等因素影響很大，因而準(zhǔn)確度也會有所降低。另外，上述新方法需要使用光源、色譜儀、攝像機、計算機等設(shè)備，設(shè)備龐大，方法復(fù)雜，成本高，不易推廣使用[9]。因此，有必要設(shè)計一種智能、快速、無損的雞蛋新鮮度的檢測系統(tǒng)，以滿足使用需求[10,11]。

1 振動法檢測原理

振搖法是民間廣泛使用的雞蛋鑒別法，將雞蛋拿在手中振搖，沒有聲響的是好蛋，有聲響的是散黃蛋。振搖法的理論依據(jù)是新鮮的雞蛋蛋清富含蛋白，像蜂蜜一樣粘稠，而存放久的雞蛋，蛋白蛋黃都會氧化分解，變成水樣物質(zhì)。當(dāng)雞蛋振動時，新鮮的雞蛋有厚實感，不新鮮的雞蛋會有水流動聲。說明新鮮雞蛋的蛋白和蛋黃呈膠體狀，像是一個整體，參與振動時能量損耗慢；存放久的雞蛋，參與振動時能量損耗快。

因此，可以設(shè)計一個裝置讓雞蛋振動起來，依據(jù)振動衰減的快慢判斷雞蛋的新鮮度。為便于操作，搭建了復(fù)擺裝置，復(fù)擺下端固定一個蛋筐，將雞蛋放入蛋筐內(nèi)，拉開一定的角度后釋放，讓雞蛋振動起來，通過檢測振動衰減快慢判斷雞蛋的新鮮度。

2 硬件設(shè)計

2.1 整體框圖

系統(tǒng)框圖如圖1所示，由紅外傳感器模塊1、紅外傳感器模塊2、51單片機、顯示模塊、按鍵模塊、繼電器模塊、電磁鐵和電源等構(gòu)成。

雞蛋放入復(fù)擺上的蛋筐內(nèi)，給單片機上電，單片機向繼電器發(fā)信號，繼電器動作給電磁鐵供電，手動將復(fù)擺拉開一定角度，電磁鐵吸住復(fù)擺上的鐵片，將復(fù)擺保持在一定的擺角；按下按鍵，單片機給繼電器發(fā)信號，繼電器動作給電磁鐵斷電，釋放擺動裝置，擺動裝置開始擺動，固定在擺動裝置上方的擋光條跟隨雞蛋一起擺動，依次掃過紅外傳感器模塊1和紅外傳感器模塊2，單片機檢測紅外傳感器模塊1和紅外傳感器模塊2的信號進(jìn)行計數(shù)計時。根據(jù)計時的長短可以確定雞蛋的新鮮度。

圖1 系統(tǒng)框圖

圖2 兩端安裝軸承的復(fù)擺

2.2 軸承的使用

在實際的振動系統(tǒng)中，除粘性阻尼外，還有干阻尼(例如軸承內(nèi)或零件接合處的摩擦作用)等其他能量損耗。復(fù)擺兩端安裝有兩個軸承，如圖2所示。安裝時壓進(jìn)兩支柱的凹口內(nèi)，保證復(fù)擺擺動的時候非常靈活，軸承摩擦損耗的能量非常少，可以忽略不計。除空氣阻力損耗外，主要的能量損耗是由雞蛋內(nèi)部造成，突顯出雞蛋的特征，便于檢測雞蛋的新鮮度。

2.3 紅外傳感器和擋光條的使用

利用兩個紅外傳感器模塊和擋光條測量復(fù)擺的振幅從初始值衰減到設(shè)定值所用時間，結(jié)構(gòu)如圖3所示。將復(fù)擺開始擺動時的振幅作為振幅初始值。紅外傳感器模塊1(左側(cè))和紅外傳感器模塊2(右側(cè))利用支架固定在復(fù)擺平衡位置一側(cè)且靠近平衡位置，紅外傳感器模塊1和紅外傳感器模塊2之間的距離略大于擋光條寬度。紅外傳感器模塊1所在位置對應(yīng)的振幅即振幅設(shè)定值。當(dāng)復(fù)擺開始擺動的時候，上面的擋光條依次掃過紅外傳感器模塊1和紅外傳感器模塊2，單片機對紅外傳感器模塊1和紅外傳感器模塊2的輸出信號分別計數(shù)，計數(shù)之差為1或0，單片機同時計時。隨著擺動振幅逐漸減小，當(dāng)擋光條無法遮擋外側(cè)的紅外傳感器模塊，回掃到內(nèi)側(cè)的紅外傳感器模塊時，計數(shù)值的差變?yōu)?，單片機停止計時并將擺動的時間通過顯示模塊進(jìn)行顯示，這個時間就是振幅從初始值衰減到設(shè)定值所用時間。

圖3 紅外傳感器和擋光條結(jié)構(gòu)

2.4 電磁鐵的使用

利用電磁鐵確保每次測量時振幅的初始值相同。電磁鐵上電時可以吸引復(fù)擺上的鐵片將復(fù)擺拉開一定的角度，斷電時釋放復(fù)擺，保證每次測量時振幅的初始值是相同的，這樣檢測不同雞蛋時振幅從初始值衰減到設(shè)定值所用的時間才具有可比性。

3 軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計

如圖4所示，電路啟動后，首先程序初始化，然后系統(tǒng)判斷設(shè)置按鍵是否有動作，如果檢測到設(shè)置鍵被按下，說明繼電器斷開，使電磁鐵磁性消失。容器中的雞蛋開始做單擺運動，緊貼雞蛋容器后側(cè)的塑料片也隨之做相同的單擺運動，塑料片在擺動時經(jīng)過兩個紅外傳感器，信號采集模塊開始計數(shù)，隨著時間的增加，單擺幅度會隨之減弱，當(dāng)兩個采集傳感器的差值大于等于2時，單片機根據(jù)實際電路進(jìn)行處理和計算，最后顯示雞蛋振幅衰減到設(shè)定值所用的時間。

圖4 主程序流程圖

3.2 按鍵程序設(shè)計

從圖5可以看出，系統(tǒng)在通電后開始工作時，首先要初始化，然后系統(tǒng)判斷設(shè)置按鍵是否有動作，程序默認(rèn)的是低電平，如果檢測到按鍵被按下，則輸出高電平信號，繼電器電路處于常開狀態(tài)。

圖5 按鍵程序流程圖

圖6 信號檢測程序流程圖

3.3 信號檢測程序設(shè)計

如圖6所示，系統(tǒng)通電復(fù)位后，單片機程序與端口進(jìn)行初始化，傳感器開始工作。首先判斷傳感器1是否檢測到信號，若檢測到信號，則計數(shù)器使k+1并進(jìn)入到傳感器2的判斷；若傳感器1未檢測到信號，則也進(jìn)入到傳感器2的判斷。若傳感器2檢測到信號，則計數(shù)器使s+1，并判斷k與s的差值是否大于等于2；若傳感器2沒有檢測到信號，則進(jìn)入差值判斷。當(dāng)k與s的差值大于等于2時，輸出信號，否則作為系統(tǒng)輸入重新開始判斷。

4 實驗檢驗

從超市購買新鮮雞蛋6枚作為新鮮雞蛋的樣本，另取6枚在室溫下存放了3個月的雞蛋作為變質(zhì)雞蛋樣本，利用本系統(tǒng)依次進(jìn)行測量。測量時，將雞蛋放入蛋筐內(nèi)，給單片機和電磁鐵通電，手推擺的上端，讓電磁鐵吸住圓形鐵片，系統(tǒng)穩(wěn)定后，按下按鍵，電磁鐵斷電的同時單片機開始檢測。擺動的時候，上面的擋光條依次掃過兩個紅外傳感器模塊，單片機對兩個紅外傳感器模塊的輸出信號分別計數(shù)，計數(shù)之差為1或0，單片機同時計時。隨著擺動振幅逐漸減小，最終擋光條無法遮擋外側(cè)的紅外傳感器模塊，回掃到內(nèi)側(cè)的紅外傳感器模塊時，計數(shù)只差變?yōu)?，單片機停止計時并將擺動的時間通過顯示模塊進(jìn)行顯示，這個時間就是振幅從初始值4 cm衰減到設(shè)定值2 cm所用時間。

6枚新鮮雞蛋測量得到的時間分別是38.23 s、30.38 s、31.83 s、33.73 s，34.74 s和31.84 s，平均值為33.54 s。測量6枚變質(zhì)雞蛋得到的時間分別是28.12 s、27.79 s、28.26 s、28.32 s、26.95 s和27.66 s，平均值為27.85 s，結(jié)果如圖7所示。新鮮雞蛋與變質(zhì)雞蛋的差別顯著，說明本裝置對雞蛋的新鮮程度比較敏感，完全可以區(qū)分新鮮雞蛋和變質(zhì)雞蛋。

圖7 振幅衰減到設(shè)定值所用時間

5 結(jié)論

針對目前雞蛋新鮮度檢測不及時、誤差大、有損和操作麻煩等問題，結(jié)合現(xiàn)代單片機技術(shù)、傳感器檢測技術(shù)和LCD顯示技術(shù)，設(shè)計開發(fā)了基于單片機的雞蛋新鮮度檢測系統(tǒng)。

振動時雞蛋的內(nèi)部能耗與雞蛋的新鮮程度有關(guān)，新鮮雞蛋能耗小，振幅衰減慢；變質(zhì)雞蛋能耗大，振幅衰減快。通過測量雞蛋振幅從初始值衰減到指定值所用時間可以實現(xiàn)對雞蛋新鮮度的檢測，檢測數(shù)據(jù)較好。

本文設(shè)計的雞蛋新鮮度檢測裝置可對振幅衰減快慢進(jìn)行直接測量，結(jié)構(gòu)簡單，原理精巧，可推廣到其他領(lǐng)域的振動研究中，具有一定的現(xiàn)實意義。