張恕遠(yuǎn)，陳廷成

(西華大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，成都 610039)

糧食(小麥、玉米、大豆、稻谷等)在生產(chǎn)、加工、運(yùn)輸過(guò)程中，不可避免地混入許多雜質(zhì)(包括泥土、沙石、瓦塊等無(wú)機(jī)雜質(zhì))和無(wú)食用價(jià)值的糧食顆粒。為了分清一批糧食中所含雜質(zhì)的含量，需進(jìn)行抽樣檢測(cè)，將雜質(zhì)同純糧食顆粒分離并進(jìn)行含量測(cè)試。目前糧食小樣雜質(zhì)檢測(cè)主要由人工來(lái)完成，既增加了檢測(cè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，也影響檢測(cè)的精度，同時(shí)檢測(cè)效率低。通過(guò)仔細(xì)的論證，筆者采用了近紅外識(shí)別技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了一種糧食小樣雜質(zhì)自動(dòng)分檢系統(tǒng)。該系統(tǒng)是利用近紅外識(shí)別和自動(dòng)檢測(cè)與處理技術(shù)將小樣中所含的雜質(zhì)自動(dòng)分離并自動(dòng)計(jì)量的一種設(shè)備。

1 近紅外光譜檢測(cè)的工作原理

近紅外光譜是指波長(zhǎng)為700～2 500 nm的光譜，作為一種分析手段，它可以測(cè)定有機(jī)物以及部分無(wú)機(jī)物。這些物質(zhì)分子中化學(xué)鍵結(jié)合的各種基團(tuán)的伸縮、振動(dòng)、彎曲等運(yùn)動(dòng)都有其固定的振動(dòng)頻率。當(dāng)分子受到近紅外線照射時(shí)，被激發(fā)產(chǎn)生共振，同時(shí)一部分光能被吸收，此時(shí)近紅外接收頭接收的信息發(fā)生變化，通過(guò)計(jì)算機(jī)的處理，可得到與發(fā)射的近紅外光不同的光譜，這種光譜表示了被測(cè)物質(zhì)的特征。不同物質(zhì)在近紅外區(qū)域有豐富的吸收光譜，每種成分都有特定的吸收特征，因此能把混在糧食中的雜質(zhì)識(shí)別出來(lái)，如果進(jìn)一步量化，就能確定糧食的成份，該原理即為檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

2 糧食小樣雜質(zhì)自動(dòng)分檢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的組成及工作原理

該系統(tǒng)主要由小樣分檢系統(tǒng)、近紅外檢測(cè)系統(tǒng)、稱重系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)及檢測(cè)系統(tǒng)組成，如圖1所示。

糧食小樣通過(guò)導(dǎo)向管流向分檢盤，在分檢盤的外圓周圍均勻分布著60個(gè)存粒穴，每個(gè)存粒穴通過(guò)配氣溝與真空泵相連，當(dāng)小樣顆粒注入存粒穴時(shí)，由于負(fù)壓作用使每個(gè)存粒穴中存入一粒小樣，從而將小樣顆粒分檢成單粒態(tài)，這樣可保證被測(cè)物能一個(gè)不漏地被檢測(cè)。在分檢盤的頂端A處安裝一近紅外光源發(fā)射頭和光源接收頭，分檢盤沿順時(shí)針?lè)较蛟诓竭M(jìn)電機(jī)帶動(dòng)下步進(jìn)回轉(zhuǎn)，當(dāng)小樣顆粒步進(jìn)到光源發(fā)射頭和光源接收頭之間的間隙A處時(shí)，單片機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)光源接收頭接收到的光譜信號(hào)進(jìn)行采樣和判別，如屬正常光譜，則小樣顆粒繼續(xù)在負(fù)壓下順時(shí)針轉(zhuǎn)到圖中C位，在C位分檢盤的存粒穴開(kāi)始與真空配氣閥脫離，粒料在脫粒刷的作用下自動(dòng)落入收料箱中;如果光譜為非正常光譜，則判定為雜質(zhì)，在分檢盤順時(shí)針旋轉(zhuǎn)至距離頂端42°的方向上設(shè)置一個(gè)高壓配氣閥，當(dāng)雜質(zhì)轉(zhuǎn)到42°時(shí)通過(guò)單片機(jī)控制系統(tǒng)打開(kāi)高壓配氣閥，此時(shí)壓縮空氣將雜質(zhì)射出，并由雜物回收箱收集。雜質(zhì)排出后，斷開(kāi)壓縮空氣，當(dāng)分檢盤在連續(xù)回轉(zhuǎn)中無(wú)雜質(zhì)時(shí)，正常顆粒也會(huì)通過(guò)42°無(wú)負(fù)壓區(qū)B，但粒料在42°處時(shí)由于重力原因不會(huì)自動(dòng)脫離穴位，粒料通過(guò)42°位后，進(jìn)入負(fù)壓區(qū)則不會(huì)掉落，只有當(dāng)進(jìn)入C區(qū)時(shí)才會(huì)脫落。

圖1 糧食雜質(zhì)自動(dòng)分檢系統(tǒng)原理圖

2.2 自動(dòng)分檢控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)以上工作原理設(shè)計(jì)出基于單片機(jī)的自動(dòng)分檢控制系統(tǒng)(如圖2所示)，該系統(tǒng)主要由單片機(jī)系統(tǒng)、近紅外光譜檢測(cè)系統(tǒng)、分檢盤步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電子秤稱重系統(tǒng)、壓縮空氣控制系統(tǒng)以及鍵盤、顯示器和打印機(jī)等部分組成。

設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)，在對(duì)目前通用和流行的單片機(jī)芯片進(jìn)行了大量的比較和論證的基礎(chǔ)上選擇Cygnal公司的C8051F020單片機(jī)，它具有和51系列單片機(jī)完全兼容的指令系統(tǒng)，同時(shí)它的體積小、功耗低、速度快且自身集成了64kFLASH，4kRAM，8CH12位 A/D 以及 Watchdog等，具有片內(nèi)JTAG測(cè)試電路，可進(jìn)行全速在線調(diào)試。

圖2 控制系統(tǒng)組成框圖

由單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)分檢盤順時(shí)針步進(jìn)回轉(zhuǎn)，使小樣顆粒按照光譜儀檢測(cè)要求有節(jié)奏地通過(guò)紅外光源發(fā)射頭與光源接收頭之間的間隙，近紅外光譜儀通過(guò)檢測(cè)顆粒的近紅外光譜的變化，并將檢測(cè)的光譜數(shù)據(jù)經(jīng)RS232串行接口傳遞到單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)分析、比較，從而分辯出當(dāng)前的小樣顆粒為糧食或雜質(zhì)。若為雜質(zhì)，單片機(jī)控制步進(jìn)機(jī)在分檢口B處作慢速步進(jìn)，并通過(guò)控制電磁鐵換向閥接通壓縮空氣將雜質(zhì)射入雜質(zhì)導(dǎo)向管;否則，步進(jìn)電機(jī)均勻運(yùn)動(dòng)使糧食顆粒在脫離穴位C處送入收料箱中，從而將顆粒中雜質(zhì)分檢開(kāi)來(lái)。

雜質(zhì)進(jìn)入雜質(zhì)收集箱，電子秤稱出雜質(zhì)質(zhì)量，并將量值通過(guò)RS232串口送入單片機(jī)系統(tǒng)分析處理，其結(jié)果通過(guò)LCD顯示并通過(guò)報(bào)表打印機(jī)打印，以提供給用戶。

同時(shí)，單片機(jī)系統(tǒng)能對(duì)空氣壓縮機(jī)、真空泵進(jìn)行啟?？刂疲⑼ㄟ^(guò)壓力傳感器檢測(cè)空氣壓縮機(jī)和真空泵壓力。

2.3 控制軟件設(shè)計(jì)

從計(jì)算機(jī)應(yīng)用角度出發(fā)，該控制系統(tǒng)為一數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)。輸入信號(hào)有:模擬信號(hào)輸入(如壓力傳感器)，數(shù)據(jù)量輸入(如光譜儀和電子秤的串行數(shù)據(jù)輸入);輸出信號(hào)有:數(shù)字量輸出DO(如步進(jìn)電機(jī)、壓縮機(jī)等)。為便于開(kāi)發(fā)調(diào)試，軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思路，對(duì)于不同硬件模塊，有相應(yīng)的軟件子程序與之對(duì)應(yīng)，主要包括:步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，近紅外光譜儀數(shù)據(jù)采集，電子秤數(shù)據(jù)采集，壓縮機(jī)及近紅外光源控制，數(shù)據(jù)分析和處理液晶顯示，鍵盤，打印等。

在軟件編制時(shí)應(yīng)注意:

1)近紅外技術(shù)是依據(jù)某一化學(xué)成分對(duì)近紅外區(qū)光譜的吸收特性而進(jìn)行的測(cè)定，所以該技術(shù)的關(guān)鍵是在糧食小樣和近紅外光譜之間建立一種關(guān)系。其基本流程包括:首先收集具有代表性的樣品(其組成及其變化范圍接近于要分析的樣品)，然后采集樣品的光學(xué)數(shù)據(jù)。由于小樣雜質(zhì)檢測(cè)只需要將雜質(zhì)從樣品中分離出來(lái)，不需要定量分析，因此，直接將樣品的光學(xué)數(shù)據(jù)作為檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)值，不需要對(duì)小樣成分作定量分析;在分析未知樣品時(shí)，先對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行掃描，根據(jù)掃描光譜值同標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行成分含量比較，從而可將小樣中的雜質(zhì)分離出來(lái)。由于定標(biāo)的好壞直接關(guān)系到雜質(zhì)識(shí)別的準(zhǔn)確性，因此，定標(biāo)軟件是檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的核心。

2)近紅外光譜儀對(duì)小樣顆粒的檢測(cè)時(shí)間約為100 ms，因此需使小樣顆粒慢速通過(guò)紅外光源發(fā)射頭與光源接收頭之間A處的間隙。但為了提高分檢效率，分檢盤的速度又不能太慢，所以，分檢盤應(yīng)實(shí)現(xiàn)變速回轉(zhuǎn)，即當(dāng)小樣顆粒通過(guò)紅外光源發(fā)射頭與光源接收頭之間A處的間隙時(shí)，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速變慢，降到大約1 r/min，其余時(shí)間轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為10 r/min。同時(shí)，也保證了當(dāng)小樣顆粒慢速通過(guò)頂端檢測(cè)位置A處時(shí)，剛好有一已檢顆粒慢速通過(guò)雜質(zhì)分檢位B，若該顆粒為雜質(zhì)，單片機(jī)控制系統(tǒng)有足夠的時(shí)間去控制換向閥換向，接通壓縮空氣將雜質(zhì)分檢出來(lái)。這樣回轉(zhuǎn)盤在回轉(zhuǎn)中速度是“快—慢”交替回轉(zhuǎn)，從而即滿足了雜質(zhì)檢測(cè)、分檢慢的要求，也滿足了高的檢測(cè)效率。

3 結(jié)語(yǔ)

由于糧食顆粒的產(chǎn)地與所含水份的不同，其近紅外光譜的波長(zhǎng)范圍也有一定的差別，為了提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性，在對(duì)同一批糧食顆粒檢測(cè)之前，需進(jìn)行少量糧食樣品的學(xué)習(xí)，存儲(chǔ)本批糧食的近紅外光譜的波長(zhǎng)范圍，并在檢測(cè)過(guò)程中不斷修正系統(tǒng)數(shù)據(jù)，為提高小樣檢測(cè)的準(zhǔn)確性打下基礎(chǔ)。

該檢測(cè)裝置檢測(cè)速度快，可靠性高，檢測(cè)誤差小，誤差范圍小于0.3%，本裝置適用于不同品種的稻谷、小麥、玉米、大豆4種原糧中雜質(zhì)的選取。

［1］徐廣通，袁洪褔，陸婉珍.現(xiàn)代近紅外光譜技術(shù)及應(yīng)用進(jìn)展［J］.光譜學(xué)與光譜分析，2002，20(2):134－142.

［2］舒慶堯，吳殿星，夏英武，等.用近紅外反射光譜測(cè)定小樣本糙米粉的品質(zhì)性狀［J］.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，1999，32(4):92－97.

［3］DELWICHE S R，BEAN M M，MILLER R E，et a1.Apparent am ylose content of milled rice by Near.Infrared Reflectance Speeym photometry［J］.Cereal Chemstry，1995(72):182 －187.

［4］劉愛(ài)秋，鄧曉建，王平榮，等.近紅外光譜分析技術(shù)及其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用［J］.西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2003，16(2):98－101.

［5］褚小立，袁洪福，陸婉珍.近年來(lái)我國(guó)近紅外光譜分析技術(shù)的研究與應(yīng)用進(jìn)展［J］.分析儀器，2006(2):1－3.

［6］周軍，張光烈.教學(xué)多功能小車的設(shè)計(jì)［J］.儀器儀表用戶，2006(2):109－110.