石明吉， 崔新雨， 劉新裕， 王明利， 賈代園

(南陽理工學院數(shù)理學院 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，雞蛋會變質(zhì)，食用了變質(zhì)雞蛋會引起中毒，導致腹瀉、腹痛、惡心等癥狀，嚴重時還會導致死亡。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行測試，使雞蛋受損；由于光學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，搭建了復擺裝置，復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，手動將復擺拉開一定角度，電磁鐵吸住復擺上的鐵片，將復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。復擺兩端安裝有兩個軸承，如圖2所示。安裝時壓進兩支柱的凹口內(nèi)，保證復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。當復擺開始擺動的時候，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擺上的鐵片將復擺拉開一定的角度，斷電時釋放復擺，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)通電復位后，單片機程序與端口進行初始化，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并進入到傳感器2的判斷；若傳感器1未檢測到信號，則也進入到傳感器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，則進入差值判斷。當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。