雞蛋破損自動檢測系統(tǒng)

1、 畢業(yè)設計（論文）題 目 雞蛋破損自動檢測系統(tǒng) 英文題目 research for automatic detection of detection of eggshell crack 學生姓名 班 級 指導教師 專 業(yè) 自動化 二零零六年六月摘 要在雞蛋加工過程中,剔除損殼蛋是保證加工質(zhì)量及節(jié)約成本的一道重要工序。目前常用的方法是人工檢測法，這種方法不僅操作工作條件差，勞動強度大，而且檢測效果不高，因此，探尋科學實用的雞蛋破損檢測技術是一項非常有意義的工作。本文首先探索雞蛋破損的聲音檢測法。好殼蛋和損殼蛋在被其他物體碰撞時，蛋殼會發(fā)出不同的聲音，好殼蛋蛋殼發(fā)出的聲音清脆，而損殼蛋蛋殼發(fā)出的聲

2、音沙啞，沉悶。利用這一特點，構(gòu)建了拾音器聲卡計算機檢測系統(tǒng)，試驗研究采集敲擊雞蛋的聲音信號，再將敲擊雞蛋的模擬信號轉(zhuǎn)換成能被計算機處理的數(shù)字信號，然后對敲擊雞蛋的聲音信號進行頻譜分析找出區(qū)分損殼蛋與好殼蛋的顯著性因子，依據(jù)這些影響因子，運用bayes判別原理，分別建立好殼蛋與損殼蛋的判別模型，并依據(jù)判別模型判斷雞蛋蛋殼是否破損。運用這種檢測方法能夠判別雞蛋蛋殼是否破損。其次，在軟件設計方面，本文運用matlab編制檢測試驗程序采集數(shù)據(jù)，從而設計出雞蛋破損檢測判別模型。依據(jù)此研究方法和模型，運用matlab編制出基于windows系統(tǒng)的雞蛋破損聲音檢測程序，該程序可以對敲擊雞蛋彈殼發(fā)出的聲音信號

3、進行采集、分析處理并判別出雞蛋蛋殼是否破損；可以實現(xiàn)在分級機構(gòu)上將損殼蛋剔除的功能；還可以記錄生產(chǎn)情況、實時顯示敲擊雞蛋的聲音的波形圖；對于判別模型程序還可以根據(jù)實際情況修改其設置等。最后，在硬件設計方面，本研究包括兩個方面的工作，一是自動敲擊裝置的設計，它是由555芯片和一些電子元件構(gòu)成的多諧振蕩電路部分以及與其配套的機械裝置部分構(gòu)成，它能夠?qū)﹄u蛋自動連續(xù)地敲擊，并且能夠靈活改變敲擊的頻率和力度.關鍵詞：破損檢測； gui； 自動敲擊裝置；abstract getting rid of cracked eggshells is an important procedure for guara

4、nteeing quality of processing duck eggs and saving cost . detecting duck eggs by hand not only is badness for its working conditions and laboring intension, but also the efficiency is very low . so finding a scientific, applicable and fast detecting method for removing cracked eggshells is very urge

5、nt . in this paper, first, we should explore an acoustic impulse method to detect duck eggshells.the sound is different between normal duck eggshells and cracked duck eggshells when being knocked by stiffer materials; the sound of normal eggshells is very silvery and sonorous, while the sound of cra

6、cked eggshells is very toneless and tedious . in the established microphone-sound blast-computer detecting sysytem,we carried out experiments, first collected the sound signals of duck eggshells by the microphone, then converted analog signals into digital signals, and then we could make frequency c

7、hart for the sound signal by the computer, after this we could find out remarkable factors that are affected to distinguish cracked eggshells and normal eggshells, then we made use of “bayes” discriminance according to these influence genes, we could establish the distinguishing functions of normal

8、eggshells and cracked eggshells respectively . we can judge whether the eggshells is cracked according to the distinguish functions . second, in this paper, we should program . we programmed the testing procedure by using matlab, so we could acquire some testing data, and then we established disting

9、uishing models . according to this research method and the model, we use matlab programming the procedure of detecting crack eggshells basing on the windows system . the procedure of detecting crack eggshells bading on the windows system . the procedure was programmed to collect sound signals and an

10、alyze signals and judge if the eggshell is cracked, to get rid of cracked eggshells form the grader and to log the production and display wave figure of sound, in addition to amend the parameters of model according to different conditions . at last, in this paper, we have done two jobs to deal with

11、in hardware designing . one is the designing of automatically knocking equipment, it consists the circuit with the 555-chip、some electronic components and the corresponding mechanic equipment . it could knock at duck eggshells qutomatically and continuously and it can alter the frquency and force of

12、 knocking neatly when it worked . the other is the designing of the grader, plc programming is the key during this . keywords: crack detection ; gui ; equipment automatically ; 目 錄摘要 、關鍵字abstract、keyword1. 緒論4 1.1課題研究意義41.2國內(nèi)外研究情況51.3課題研究目標82. 本系統(tǒng)工作原理9 2.1 材料與方法9 2.2 結(jié)果分析103. 破損檢測系統(tǒng)設計12 3.1系統(tǒng)的軟件設計12

13、 3.1.1軟件流程13 3.1.2軟件界面14 3.2系統(tǒng)的硬件設計24 3.2.1自動敲擊電路的原理24 3.2.2敲擊裝置結(jié)構(gòu)及工作過程284. 總結(jié)295. 致謝306參考文獻317. 附錄 32 緒 論 雞蛋含有人體所需要的各種營養(yǎng)成分，其中蛋白質(zhì)含量在12%以上，脂肪含量在11%以上，且其組成比例非常適合人體需要，這些營養(yǎng)成分在人體內(nèi)利用率非常高，同時雞蛋經(jīng)過加工，可以制成各種深受消費者喜愛的傳統(tǒng)風味蛋制品如松花蛋、咸蛋等。雞蛋由蛋殼、蛋清、蛋黃三部分組成。蛋殼的作用是保護蛋清和蛋黃，蛋殼由角質(zhì)層、蛋殼組織和蛋殼膜三部分組成。新鮮蛋的蛋殼表面覆蓋著一層黏液，這種無定形結(jié)構(gòu)、透明、可

14、溶性的膠質(zhì)黏液干燥而形成的薄膜即角質(zhì)層，完整的薄膜能透水、透氣，但可抑制有害生物侵入蛋內(nèi)。蛋殼組織是包裹在新鮮雞蛋內(nèi)容物外面的一層硬殼，它使蛋具有固定形狀并起著保護蛋清、蛋黃的作用，但其質(zhì)脆不耐碰撞和擠壓，蛋殼組織上有許多肉眼看不見的微小氣孔，這些氣孔是鮮蛋進行代謝的通道，同時它們對蛋品加工有一定的作用。蛋殼膜分內(nèi)、外兩層，兩層膜在結(jié)構(gòu)上大致相同，都是角質(zhì)蛋白纖維交織成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，所不同的是外殼膜纖維紋理較緊密細致，細菌不容易通過，這兩層膜的透過性比蛋殼小，對微生物均有阻止通過的作用，具有保護蛋內(nèi)容物不受微生物侵蝕的作用同時這兩層薄膜還能防止蛋內(nèi)水分大量揮發(fā)。蛋殼一旦破損，外界微生物就會很快進

15、入蛋內(nèi)，蛋就不能夠再被食用；在蛋產(chǎn)品的加工過程中，若蛋殼破損，蛋內(nèi)容物就會流入加工所用的液中，污染整個料液，從而導致加工質(zhì)量難以保證。因此剔除損殼蛋是蛋產(chǎn)品加工過料程中一道極其重要的工序。當前，在國內(nèi)的雞蛋加工廠中，剔除損蛋殼主要是依靠人工檢測法，即通過操作工的感官來測定蛋殼破損。人工檢測損殼蛋的方法勞動強度大，且其檢測精度依據(jù)操作工的工作經(jīng)驗而異，此外，檢測精度也因操作工的疲勞、情緒等受到影響，因此精度要求不能得到保證。因此，探尋科學的、實用的檢測雞蛋破損的自動化技術是迫切需要的。 1 課題研究 1.1 禽蛋品質(zhì)檢測的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及其展望 禽蛋的質(zhì)量指標直接關系到商品等級，市場競爭力和經(jīng)濟

16、效益，已引起國內(nèi)外重視。我國的蛋產(chǎn)量與產(chǎn)生的經(jīng)濟效益不成比例，如何檢測品質(zhì)，減少雞蛋破損，提高經(jīng)濟效益，已經(jīng)成為我國當前及未來亟待解決的問題。蛋的內(nèi)部品質(zhì)的好壞直接影響食用品質(zhì)，甚至每個食用者的身體健康。近年來國內(nèi)外有不少學者和研究者在雞蛋品質(zhì)檢測和提高商品價值方面進行著積極探索和刻苦研究。因此，對雞蛋品質(zhì)檢測的研究.具體方法有以下幾種: 1.1.1 無損檢測方法 （1）利用聲學沖擊特性檢測雞蛋品質(zhì) 利用聲學特性對雞蛋品質(zhì)的檢測是一種無損檢測的方法，其原理是根據(jù)敲擊雞蛋所產(chǎn)生的聲脈沖振動，做頻譜分析來研究雞蛋的品質(zhì)特性。sinha(1992)通過對雞蛋敲擊所產(chǎn)生的聲學共振特性來分析雞蛋的蛋黃小

17、孔和裂紋。公茂法等(1995)采用機械敲擊法所產(chǎn)生的不同聲音的大小與不同聲音頻率的原理實現(xiàn)了簡單的自動檢測蛋殼裂紋的方法。cho(1997)對雞蛋聲學特性的因數(shù)做了研究，得到了檢測雞蛋的優(yōu)化參數(shù)。ketelaere等(2000)利用聲學脈沖共振特征頻率特性來檢測蛋殼的裂紋，通過對整蛋的時間信號和頻率信號分析與功率譜密度的分析，得出了利用振動雞蛋的球形動態(tài)特性測量方法是有效檢測雞蛋裂紋的方法，檢測裂紋精度達到了小于0.5。cho等(2000)采用聲波沖擊頻率特性來探測蛋殼的裂紋。其原理是利用系統(tǒng)聲脈沖，測量蛋殼反應信號，并分析信號的頻率范圍。文有先等(2002)通過研究鴨蛋損殼蛋和未損殼蛋的聲學

18、特性差異，設計的鴨蛋破損檢測系統(tǒng)，在濾波通帶500-6500hz，好殼蛋頻率為4005-5500hz的條件下，其好殼蛋檢測準確率為85，損殼蛋檢測準確率為90。 （2） 利用光學特性檢測雞蛋品質(zhì) 光學特性在雞蛋品質(zhì)中的檢測，國內(nèi)外的研究不少；主要是利用光的透射、折射、反射的原理與雞蛋的內(nèi)部品質(zhì)建立一種關系，通過數(shù)學模型建立其檢測雞蛋品質(zhì)的方法。利用禽蛋的光譜特性分析其品質(zhì)的方法，最初是由美國的norris等在1953年開始進行這方面的研究工作。確定了血液在可見光415、541、575nm處的三個吸收波長，并在1957年利用雞蛋的透射光譜特性探測到血斑大于3.2mm的雞蛋。從20世紀60年代開始

19、利用可見光譜進行農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)分析的方法迅速得到推廣。吳守一等(1989)分析光密度和透射串與雞蛋內(nèi)部品質(zhì)之間的相關關系，通過新鮮度追蹤試驗，找出了雞蛋透射率值與一般新鮮度指標(哈夫單位、蛋黃指數(shù)、揮發(fā)性鹽基氮)之間的對應關系，建立了雞蛋的新鮮度因子，并得出了相應的等級分界值，為雞蛋無損檢測標準和設計雞蛋新鮮度分級裝置提供了參考。goodrum等(1992)利用視覺與圖像處理來檢測蛋殼裂紋。檢測正確率高達94，并可以與手工檢測相媲美。方如明等(1993)為了提高雞蛋內(nèi)部品質(zhì)光特性無損檢測的精度，建立了雞蛋的光學模型，找出了整蛋、內(nèi)容物、蛋殼三者透射特性之間的關系。日本農(nóng)林水產(chǎn)省家畜衛(wèi)生試驗場的安藤

20、義路(1995)發(fā)現(xiàn)了一旦對雞蛋照射紫外線，雞蛋本身就會發(fā)出熒光，而且越是新鮮的雞蛋，其發(fā)光越強烈。陳斌(1996)研究雞蛋主要成分的光譜透射特性，分析它們的光譜透射曲線和存放時間之間的變化趨勢。對雞蛋做了大量的跟蹤試驗，探索通過測量雞蛋的光譜透射特性評價雞蛋品質(zhì)的新方法，為進一步設計全自動雞蛋品質(zhì)檢測設備提供了有價值的參考數(shù)據(jù)。陳佳娟等(2000)將計算機視覺系統(tǒng)與遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡相結(jié)合，建立了一個能夠?qū)Ψ趸u蛋可成活性進行在線自動檢測的系統(tǒng)。jenshinn lin等(2001)研究并開發(fā)了蛋殼全自動檢測系統(tǒng)，檢測裝置在被檢蛋的蛋殼施加一定壓力，再通過攝像頭采集受壓蛋殼圖像送入計算機進行分析，

21、判斷是否是損殼蛋并進行分級，好殼蛋檢測準確率達86，損殼蛋的檢測準確率達到80。劉燕德等(2002)為了更好地無損檢測雞蛋的新鮮度，分析了雞蛋內(nèi)部品質(zhì)與透射特性的相關關系，從而對雞蛋的新鮮度作出估量，研究了波長在200-600nm范圍內(nèi)雞蛋新鮮度的光特性。 （3）利用動力學特性檢測雞蛋品質(zhì) 雞蛋的破損大多數(shù)是由于動載所造成的，所以對于雞蛋動力學特性的研究顯得尤為有意義。所謂雞蛋的動力學特性是利用對雞蛋的沖擊或振動特性與雞蛋的品質(zhì)建立起兩者之間的相關性。李其才(1992)研制了傳感器裝置及信號變換電路，利用動力學原理確定了禽蛋質(zhì)量自動檢測方法，建立了數(shù)學模型，提。出了模型參數(shù)最優(yōu)化的估算方法。劉

22、信芳等(1992)進行了不同材料上的鮮蛋的跌落試驗和沖擊試驗，提出了動載作用下蛋的破損用能量加以描述，并為鮮蛋的貯運、檢測、加工裝備的設計提供了一定的依據(jù)。coucke(1998)通過分析雞蛋的振動特性來檢測雞蛋的物理特性，為今后的進一步研究作了一定的理論基礎。coucke(1999)研究介紹了以無破壞性沖擊雞蛋的振動頻率來設定蛋殼特性，描繪了在最低響應頻率時的三維振動模型(未損壞)，并分析了蛋殼指標(厚度、寬度、形狀指數(shù)等)與動態(tài)硬度值之間的相關性。 （4）利用電學、機械學特性檢測雞蛋品質(zhì) 雞蛋的電學特性是利用對雞蛋的電導率的差異，建立相關的模型來檢測雞蛋的品質(zhì)。雞蛋的機械學特性是根據(jù)雞蛋的

23、硬度、彈性、強度等機械學和力學特性來對雞蛋的品質(zhì)做進一步的分析。劉熙等(1991)對不同鮮度的雞蛋進行了ph值、tvbn和電導率值的檢測，通過對其結(jié)果的分析得出：隨著雞蛋新鮮度的降低，雞蛋的電導率呈下降趨勢；反之電導率升高。因此提出用電導率檢測雞蛋的電導率值作為判定雞蛋的新鮮度，具有操作簡便、快速、準確等優(yōu)點。 1.1.2化學檢測法 目前，為了滿足人們對現(xiàn)代食品的營養(yǎng)、衛(wèi)生、安全的要求，對蛋品質(zhì)的安全檢測顯得尤為重要，同時此項檢測也是關系到產(chǎn)品對外貿(mào)易，成為農(nóng)產(chǎn)品出口的瓶頸，如對藥物殘留的檢測，對重金屬殘留的檢測，對微生物引起的腐敗的檢測等。對于蛋品內(nèi)部品質(zhì)檢測的化學方法以精確、快速、靈敏、簡

24、便、低成本為目的，在傳統(tǒng)的國標基礎上，又建立許多快速的方法。檢測方法主要包括：色譜法、分光光度法、熒光法、生物檢測法以及試紙法等等。 （1） 高效液相色譜法(hplc) 其原理是以經(jīng)典液相色譜法為基礎，引入了氣相色譜的理論與實踐方法，流動相改為高壓輸送，采用高效固定相及在線檢測手段，發(fā)展而成為的分離分析方法。該法具有分離效能高、分析速度快及儀器化等特點，但此法檢出精度不高，是目前常采用的一種分析方法。在蛋品檢測上主要用于檢測各種藥物殘留。國內(nèi)外許多學者研究了高效液相色譜法測定雞蛋中二甲硝咪唑殘留水平的方法。劉媛等(2004)采用高效液相色譜同時測定雞蛋中4種氟喹諾酮類藥物(環(huán)丙沙星、恩諾沙星、

25、沙拉沙星、達諾沙星)殘留，前三者的最低檢出限為10g/kg，后者檢出限為2g/kg。kiosegade(1999)將hplc應用在對汞的測定上，研制出hplc偶聯(lián)汞特異性的檢測儀器，即所謂雜交偶聯(lián)技術。 （2）原子吸收光譜法(aas) 原子吸收法，也稱為原子吸收分光光度法，其原理是：原子中電子在每一種運動狀態(tài)都具有一定的能量，屬于一個能級，當原子蒸氣吸收了紫外-可見區(qū)中一定的能量時，其最外層電子就能從能量較低的基態(tài)躍遷到能量較高的激發(fā)態(tài)。aas就是利用這一性質(zhì)測量自由原子對輻射能的吸收程度來測定樣品中元素的濃度。包括火焰原子吸收法和石墨爐原子吸收法。主要用于測定蛋品中的金屬殘留。朱加葉等(20

26、01)采用微波消化-石墨爐原子吸收分光光度法檢測了進口西洋參中的鉛含量，其檢出限為2.8g/l，標準偏差為92，此方法較常規(guī)方法靈敏度高，耗量少。黃燕(2002)運用鉑絲富集-火焰原子吸收方法測定皮蛋中鉛含量，它是通過用apdc-聚苯乙烯的化學方法修飾鉑絲基質(zhì)，使鉛在其中富集來實現(xiàn)的，檢測的極限是0.65ng/ml。此方法用于多種金屬，如鎘、鉻、鋅、鐵等的測定。 （3）熒光法 此方法主要用于能發(fā)熒光的物質(zhì)，如一些生化物質(zhì)、藥物及致癌物質(zhì)等。其原理：由于物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)不同，所吸收的波長和發(fā)射的熒光波長也不同，不同的濃度所發(fā)射熒光的強度不同，利用這一性質(zhì)進行定量測定。其最主要的優(yōu)點是測定靈敏度高，一

27、般可測到10-4g/ml甚至10-6g/ml。對蛋品中汞的測定國標是冷原子吸收方法，但易勇(2001)用原子熒光光度法檢測了化妝品中汞的含量，最低檢出限是0.04ng/ml，精密度為2.21，此操作方法方便、快捷。此外，蛋品中的一些指標的測定方法是借鑒其它生物制品的測定。袁伯華等(2003)利用微波消解-原子熒光法快速聯(lián)合檢測尿中砷、汞含量，此法元素損失少，測定準確，速度快，減少了污染。 （4） 生物檢測法 此方法通常用于微生物侵入導致腐敗的檢測以及獸藥殘留的檢測。王春奕(1997)采用微生物法用對抗菌素敏感的特定試驗菌(金黃色葡萄球菌26003，枯草芽胞桿菌63501，藤黃八疊球菌28001

28、)分別檢測雞蛋中青霉素、鏈霉素及四環(huán)素類抗菌素的殘留，雞蛋中四環(huán)素類殘留檢出率分別為33.3和60，鏈霉素檢出率為20。龔萍等(2001)采用逆轉(zhuǎn)錄pcr方法，初步研究了不同濃度及不同時間的甲基汞處理對調(diào)鈣質(zhì)mrna水平的影響，發(fā)現(xiàn)甲基汞處理使調(diào)鈣質(zhì)基因的表達顯著減少，從而進一步探討了鈣離子和調(diào)鈣質(zhì)基因表達之間的相互關系，并為環(huán)境中甲基汞的檢測提供了一個新的分子生物學方法。王蘇華(2003)以表皮葡萄球菌26069型(staphylococcus epidermidis，atcc 12228)為測試菌，用瓊脂擴散法測定新霉素在雞蛋中的殘留，此方法的最低檢測限為0.075g/ml，雞蛋中的最低檢

29、出限為0.25g/g，可靠檢出限0.5g/g。 （5）復合檢測方法 在檢測過程中，由于單一的檢測方法各有不足，因此目前檢測通常是兩種或兩種以上方法結(jié)合使用，取長補短，使結(jié)果更精確，操作更方便。胡勁梅等(1998)為了同時測定鉛和鎘含量，建立了以電荷耦合器件(ccd)作為陣列光信號探測器，小型多色儀和專用微機組成的分光光度裝置，此法較普通的分光光度法快速敏捷及同時測定多組分的優(yōu)點。在測定不同金屬離子時通常采用高效液相色譜法和原子熒光法聯(lián)用。目前國外關注于采用一種方法進行多種藥物殘留的測定，采用直接進樣-氣相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜聯(lián)用的方法同時可以檢測出25種農(nóng)藥殘留。 縱觀世界各國養(yǎng)禽業(yè)和蛋品加工業(yè)，發(fā)

30、展速度快，生產(chǎn)水平不斷提高，向?qū)I(yè)化、集約化、機械化、自動化發(fā)展。雞蛋的品質(zhì)，在商業(yè)流通當中又直接決定其商品價值。當雞場生產(chǎn)出雞蛋后，如何能快速、準確地檢測、分選、包裝，對我們來說也是一項極富挑戰(zhàn)性的工作。雞蛋品質(zhì)檢測的完善與成熟將成為我們21世紀禽蛋業(yè)的一項革命。 1.2 課題的研究目標本課題是在前人研究的基礎上進行的。前人研究中取得了一定的成果，我們在前人研究的基礎上探索出能夠利用好蛋殼與損蛋殼被敲擊時發(fā)出的聲音的差異，將損殼蛋與好殼蛋加以區(qū)分。我覺得主要存在的主要問題有二個： 第一、采用聲檢法進行雞蛋破損檢測，必須要有能實現(xiàn)自動敲擊雞蛋蛋殼的敲擊裝置。自動敲擊裝置有其存在的必要性：一方面

31、，使用自動控制的敲擊裝置敲擊時能克服人為的不均勻；另一方面，使用自動敲擊裝置是實現(xiàn)自動化檢測的必然要求。在本研究中，需探索出自動敲擊裝置的方案。第二、檢測技術的研究，前人采用的是由單片機系統(tǒng)設計的控制器來控制a/d轉(zhuǎn)換和自動檢測動作，試驗的效果達不到系統(tǒng)要求，需探索新的控制方法來替代以前的控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)直接是基于pc機的控制系統(tǒng)。本課題制定如下目標：（1）通過一系列試驗研究，探索雞蛋破損檢測的方法，建立雞蛋破損檢測的最優(yōu)化模型。（2）完成系統(tǒng)的輸入輸出設計。輸入部分是利用matlab軟件設計出控制界面，再編輯相應子程序。利用采集程序?qū)⑶脫舻暗穆曇粜盘柌杉絻?nèi)存，并對其分析處理，然后做出判別,

32、剔除損殼蛋。（3）硬件設計部分，探索出雞蛋破損檢測自動敲擊裝置的方案，設計出雞蛋破損自動檢測的敲擊電路及其機械裝置。 2 雞蛋破損檢測原理 本系統(tǒng)主要是利用matlab編制程序來實現(xiàn)對聲音信號的采集和處理工作。我們事先收集一些好殼蛋和損殼蛋在被敲擊時發(fā)出的聲音信號在數(shù)據(jù)庫中，用于后期與被檢測雞蛋的比較。在本次設計中我們通過用敲擊裝置來敲擊被檢測的雞蛋，使其發(fā)出聲音，然后利用麥克風傳送信號到計算機的聲卡進行a/d轉(zhuǎn)換，再利用matlab編制的程序來對被采集到的信號進行一系列的處理，再與以前收集到的數(shù)據(jù)庫中信號比較，從而判別出被檢測的雞蛋是好殼蛋還是損殼蛋。本系統(tǒng)檢測裝置主框架圖如下：判別模型輸出

33、裝置計算機控制部分pcma/d數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)聲音傳感受檢雞蛋激勵裝置聲音頻譜參數(shù)聲音信號頻譜分析 圖2-1檢測系統(tǒng)框圖 2.1 材料與方法試驗裝置由敲擊裝置、聲音采集和處理系統(tǒng)組成。敲擊裝置由尼龍塑料棒和橡膠圈組成,橡膠圈的材料和輸送帶的材料類似,被檢測的鴨蛋放在橡膠圈上,用塑料棒敲擊。聲音采集和處理系統(tǒng)的核心是一臺pc機,機內(nèi)裝有creative vibra 128 pci 型聲卡,聲卡上連有一型話筒用來拾取聲音信號。為方便分析處理,采用matlab 語言編制聲音采集和處理的程序。matlab 是一個用于信號處理和控制系統(tǒng)建模的軟件包,以它作為平臺,可以利用函數(shù)庫編寫和運行matlab 文件程

34、序。用它作信號處理和分析工具,方便實用。在編制的試驗軟件中,用analoginput () 函數(shù)采集模擬聲音信號,采樣頻率為22050 hz ,采樣點數(shù)為512 ,數(shù)據(jù)采集后,先進行濾波處理,再進行功率譜分析,最后進行檢測參數(shù)的確定,從而判別出被檢測的雞蛋是好殼蛋還是損殼蛋。 2.2 檢測參數(shù)的確定本課題對前期的研究加以參考分析，將其中具有的顯著特征的變量保留，再加以其它一些顯著因子，從而探索新的檢測方法。在雞蛋破損聲檢法研究中，被認為具有顯著特性的變量主要有共振峰頻率、功率譜大小以及共振峰的數(shù)量，在研究功率譜時，從得到的功率譜分析中發(fā)現(xiàn)具有顯著特征的變量還有功率譜的質(zhì)心。為了探索新的顯著因子

35、，首先從每個蛋的一次敲擊中提取四個特征變量，他們是：1. 功率譜面積（area）（2-1） 其中 pi是每一個頻率對應的功率譜幅值 k是采樣的樣本個數(shù)（2-2）2. 共振峰頻率（fres）其中 pi是每一個頻率譜幅值對應的功率值3. 功率譜面積在x軸方向上的質(zhì)心(cx) （2-3）4. 功率譜面積在y軸方向上的質(zhì)心(cy) （2-4） 將每敲擊一次雞蛋得到的采樣值，進行功率譜分析得到上述四個變量值，再對每一個蛋敲擊多次后得到上述四個變量的平均值，取極差（最大值與最小值之差），作為判別好蛋與損蛋的特征變量，處理之后共有8個變量，它們分別是： （2-5）1.功率譜面積的平均值（x1） 其中 n -

36、敲擊次數(shù)（以下同） i=（0，1，.n-1）2.最大功率譜面積與最小功率譜面積的差值即極差（x2） （2-6）3.x坐標方向上質(zhì)心的平均值（x3） （2-7）4.x坐標方向上質(zhì)心最大值和最小值之間的差值（x4） （2-8）5.y坐標上質(zhì)心平均值（x5） （2-9）6.y坐標方向上質(zhì)心最大值和最小值之間的差值（x6） （2-10）7.共振峰的頻率的最大值的平均值（x7） （2-11）8.共振峰頻率的最大值與最小值之間的差值（x8） （2-12）下面我們可以根據(jù)參考文獻11來討論一下上面8個特征變量：第一、功率譜面積的平均值（x1），研究表明好蛋的功率譜面積平均值集中在800以下，只有少數(shù)的幾個大

37、于800，而損蛋的功率譜面積的平均值一般在800以上，因此可以利用它作為區(qū)別好蛋與損蛋的標準之一。第二、功率譜面積的極差(x2)研究表明極差不能夠用來區(qū)別好蛋與損蛋，因為好蛋與損蛋的功率譜面積的極差幾乎是混在一起的。因此不能作為判別雞蛋是否破損的標準。第三、x坐標方向上質(zhì)心的平均值（x3）研究表明好蛋與損蛋在x坐標方向上質(zhì)心的平均值的差異不是很大因此也不能作為判別雞蛋是否破損的標準。第四、x坐標方向上質(zhì)心最大值和最小值之間的差值（x4）研究表明在好蛋與損蛋這個特性參數(shù)也不具有顯著的差別，所以我們可以將其排除在檢測標準之外。第五、y坐標上質(zhì)心平均值（x5）研究表明好蛋和損蛋的y坐標上質(zhì)心平均值有

38、很少一部分是混在一起的，但是損蛋在y坐標上質(zhì)心平均值總體比好蛋要大，所以我們可以把它作為區(qū)別好蛋與損蛋的一個標準。第六、y坐標方向上質(zhì)心最大值和最小值之間的差值（x6）好蛋與損蛋在y坐標方向上質(zhì)心最大值和最小值之間的差值也只有很少一部分混合在一起，因此我們也可以將其作為判別被檢測雞蛋是否破裂的標準之一。第七、共振峰的頻率的最大值的平均值（x7）好殼蛋與破損蛋的共振峰的頻率的最大值的平均值之間存在很大的差異。好殼蛋的聲音清脆而破損蛋的聲音沙啞，所以好殼蛋的共振峰的頻率的最大值的平均值一般要比損殼蛋的大，二者的區(qū)別十分明顯，因此可以考慮把它作為判別好殼蛋與損殼蛋的一個標準。第八、共振峰頻率的最大值

39、與最小值之間的差值（x8）好殼蛋與破損蛋的共振峰頻率的最大值與最小值之間的差值有很少一部分混合在一起，但好殼蛋的極差值分布相對集中，大部分都小于2000，損殼蛋的極差值分布相對分散，分布在2000到5500之間。所以我們可以將其作為判別好蛋還是損蛋的標準之一。 綜上所述，我們可以選出區(qū)分好殼蛋還是損殼蛋的5個特征變量，分別是功率譜面積的平均值（x1）、y坐標上質(zhì)心平均值（x5）、y坐標方向上質(zhì)心最大值和最小值之間的差值（x6）、共振峰的頻率的最大值的平均值（x7）、共振峰頻率的最大值與最小值之間的差值（x8）。根據(jù)參考文獻11中提出的，損殼蛋的判別函數(shù)g0=-0.33664x1+36.7941

40、3x5+4.86638x6+0.00161x7+0.00327x8-184.97771 （2-13）好殼蛋的判別函數(shù)g2=-0.29493x1+32.37701x5+4.65582x6+0.00315x7+0.00268x8-152.38791 （2-14）我們可以通過好殼蛋與損殼蛋之間以上參數(shù)的比較來區(qū)分被測蛋是好殼蛋還是損殼蛋。下面探討一下在采集樣本過程中應該注意的一些問題: 為了減少誤差,我們盡量采用多的樣本數(shù),把采集過來的參數(shù)取其平均值,然后在采集聲音信號過程中不能只敲擊一下就用那個信號,因為有可能被敲擊的地方發(fā)出的聲音信號沒有很大的區(qū)別,所以結(jié)合實際情況為了提高采樣的精確度,我們可以

41、對被測雞蛋敲3次,位置分別是赤道和兩極.這樣就可以保證好蛋和損蛋采集過來的信號有明顯的差別,從而作出判斷.然后敲擊速度也要有一個確定的值,這樣要即要保證不把雞蛋敲破,又要保證能夠得到很好的聲音信號,這個可以通過調(diào)節(jié)輸出脈沖的占空比來調(diào)節(jié)敲擊速度,通過實驗可以得到一個理想的速度. 3 雞蛋破損檢測系統(tǒng)設計 整個系統(tǒng)設計主要由軟件和硬件兩個部分組成，軟件部分主要是基于matlab的圖形用戶界面（gui）的m文件的設計，硬件部分主要是包括一個方波發(fā)生電路和一個自動敲擊裝置。下面先簡單介紹一下軟件部分。 3.1軟件的設計 3.1.1系統(tǒng)軟件總體設計 下圖是本系統(tǒng)的總體軟件流程圖：初始化模塊聲音采集模塊

42、參數(shù)修改輸出模塊聲音處理模塊圖3-1整體框架流程本系統(tǒng)利用聲卡和麥克風實現(xiàn)對聲音信號的采集。采集模塊的功能主要是將一定數(shù)量的聲音信號數(shù)據(jù)放入事先預定好的緩沖區(qū)中，為以后的聲音信號的處理做準備。我們對采集得到的聲音信號進行2步處理：（1）對采集到的聲音進行用我們設計的濾波器進行過濾。過濾掉一些不要的噪聲信號。把有用的信號提取出來。（2）對提取的聲音信號進行分析處理，通過比較來剔除損殼蛋。 為了不使有效信號丟失，采集模塊設計成連續(xù)采集聲音信號，因此所采集的信號中即包括敲擊雞蛋的聲音信號，也包括了非敲擊的噪聲信號。為避免把噪聲信號當成是敲擊蛋的聲音信號和把敲擊蛋的聲音信號當成是噪聲信號而刪除掉，我們

43、在處理聲音信號時必須對采集聲音信號設置條件，從中提取出敲擊雞蛋的聲音信號，它的算法流程如下圖3-2所示聲音信號是否大于 設 定 的 值？ 否 是短時過零率是否在設定的范圍內(nèi)？ 采 集 聲 音 信 號 數(shù) 據(jù) 否 是 判斷其是敲擊蛋的聲音 結(jié) 束 圖3-2 判斷是敲擊蛋殼的聲音流程 上面的這個算法流程圖主要是利用matlab的濾波器來實現(xiàn)的，有關濾波器的介紹和設計在本章的后半部分有介紹到。在進行完對采集的信號進行篩選后我們就要對其進行功率譜分析，功率譜分析就是對采集到的聲音數(shù)字信號進行離散傅立葉變換dft（discrete fourie transform）。然后再從得到的功率譜中提取出相應的特

44、征值，通過特征值的比較來判斷被檢雞蛋是否破損。 3.1.2檢測系統(tǒng)的軟件控制界面總體控制界面主要由一下四大部分組成：它們分別是波形圖顯示部分、聲音信號參數(shù)采集設置部分、系統(tǒng)測試部分、測試結(jié)果顯示部分。圖3-3是本系統(tǒng)的軟件控制界面： 圖3-3軟件控制界面 本系統(tǒng)軟件采用matlab進行編程，因為matlab是一種功能強大、效率高、交互性好的數(shù)值計算和可視化計算機高級語言，它將數(shù)據(jù)分析、信號處理和圖形顯示有機的融合為一體，形成了一個極其方便、用戶界面友好的操作環(huán)境。matlab的不斷發(fā)展，其功能越來越強大，使其廣泛應用與數(shù)字信號處理、仿真、自動控制、小波分析和神經(jīng)網(wǎng)絡等領域。本系統(tǒng)實現(xiàn)對雞蛋破損

45、的檢測是通過使用敲擊裝置對雞蛋進行敲擊，使其發(fā)出聲音，然后通過麥克風傳輸聲音信號，再通過matlab編制的程序來實現(xiàn)對信號的采集和處理。在本系統(tǒng)中我們用matlab的圖形用戶界面（gui）做一個友好人機界面，下面我們簡單介紹一下gui： 圖形用戶界面（gui）是用戶與計算機程序之間的交互方式，是用戶與計算機進行信息交流的方式。計算機在屏幕顯示圖形和文本，若有揚聲器還可產(chǎn)生聲音。用戶通過輸入設備，如：鍵盤、鼠標、跟蹤球、繪制板或麥克風，與計算機通訊。用戶界面設定了如何觀看和如何感知計算機、操作系統(tǒng)或應用程序。通常，多是根據(jù)悅目的結(jié)構(gòu)和用戶界面功能的有效性來選擇計算機或程序。圖形用戶界面或gui是

46、包含圖形對象，如：窗口、圖標、菜單和文本的用戶界面。以某種方式選擇或激活這些對象，通常引起動作或發(fā)生變化。最常見的激活方法是用鼠標或其它點擊設備去控制屏幕上的鼠標指針的運動。按下鼠標按鈕，標志著對象的選擇或其它動作。 開始系統(tǒng)設計時，首先建立一個空白的gui如圖3-4，圖3-4 通過添加一些必要的控件（控件區(qū)在左邊，可以直接用鼠標拖拽出來）來實現(xiàn)用鼠標進行操作，從圖3-3中我們可以看到本界面添加了2個坐標軸分別來顯示被采集到的信號通過分析得出的時域圖和頻域圖，添加了5個按鈕分別來控制開始采集、結(jié)束采集、檢測、提取時域數(shù)據(jù)、提取頻域數(shù)據(jù)，添加了6個下拉菜單的控件來選擇采樣頻率、采樣個數(shù)、觸發(fā)方式

47、、延遲時間、采樣通道和提前采樣個數(shù)。在設計完這個圖形用戶界面后可以運行其使它直接生成m文件，然后在m文件中添加子程序作為各控件的回調(diào)函數(shù)，使通過用鼠標點控件就可以實現(xiàn)相應的操作。下面用表格形式來表示一下雞蛋破損自動檢測系統(tǒng)的控件設置：屬性名稱callbackstringstyletag控 件控 件時域圖texttext2頻域圖text text4aaa1.m坐標1axes1scopeaaa2.m坐標2axes2 scope1caiji.m開始采集pushbutton daqstartjieshu.m結(jié)束采集pushbutton daqstop jiance.m檢測pushbutton daqc

48、heckshi.m提取時域數(shù)據(jù)pushbutton daqtimepin.m提取頻域數(shù)據(jù)pushbutton daqdata采樣頻率popupmenu cypinlv采樣個數(shù)popupmenucygeshu觸發(fā)方式popupmenu fangshi延遲時間popupmenu shijian采樣通道popupmenutongdao提前采樣個數(shù)popupmenutqcaiyangsundan.m損蛋個數(shù)累計edit geshudaodan.m好蛋個數(shù)累計edit haodan檢測結(jié)果paneljieguomban系統(tǒng)測試paneluipanel3參數(shù)設置panel caiji 表3-1 控件設置情況在把所需控件全部拖出后就必須對控件的屬性進行編輯，屬性編輯界面如圖3-5圖3-5在控件屬性中我們設置了每個控件的名稱、標簽和回凋函數(shù)，在表1-1中都有詳細的介紹。在編輯完控件后要對該控制界面設計出一些菜單項目，在matlab的gui中設置菜單非常方便，可以直接點擊菜單編輯按鈕就可以彈出菜單編輯框如圖3-6，我們就可以直接在編輯框中編輯菜單項了。在準備完所以的設置后，就可以運行gui文件，matla