摘 要

鉴于消费者对于水果的品质的要求越来越高，因此在水果进入市场流通之前，往往需要通过一定标准对水果进行分选，从而满足消费者的需求。本文针对现阶段市场存在的水果分选设备大部分是使用计算机作为主机，该种方式往往导致分选设备昂贵且难以广泛在市场推广的状况，研究了用单片机替换计算机作为主机来实现以重量为标准对水果进行分选的水果分选测控系统。本次设计中系统以52单片机为基础，通过传感器对重量进行测量，LCD和上位机对重量进行显示，同时将测量数据存储，方便后期对数据的查阅。通过单片机系统处理后将该重量与设定等级阈值进行对比，将水果分入相对应的重量等级，并驱动执行机构将水果推入对应的分选框中。本次设计的系统工作简单可靠，同时成本相对较低，可以满足大多数情况水果分选设备所需达到的要求。本设计完成的主要研究内容如下：

（1）对水果分选设备的发展现状进行了调查，以此选取合适的标准对于水果分选系统进行设计。

（2）对目前市场所存在的各类型压力传感器进行相关资料的查阅与研究，综合考虑量程、灵敏度、成本等多方面的因素后，最终选择电阻应变式压力传感器，该种压力传感器在电子秤领域有着广泛的应用。

（3）对目前在技术领域被广泛应用且在市场广泛被销售的各类A/D转换芯片进行了调查研究，通过查阅其在各个领域应用实例后，选择了HX711芯片作为本系统模数转换模块的核心。

（4）对目前被广泛应用的显示设备进行了调查以及相关资料的查阅，综合考虑本次设计需数字和字符同时显示，最终选择LCD1602作为显示设备。

（5）对各类控制算法进行了一定了解与研究，鉴于本系统为开环系统且最终执行机构输出与传送带转速成比例关系，选择加入比例控制来使得系统拥更高的稳态精度以及更快的响应速度。

（6）通过Labview软件实现了上下位机之间的数据通信，加强人机交互，更便于操作人员对系统的操作。

关键词：水果分选；重量；单片机；测控系统

Abstract

In view of the increasing demand of consumers for the quality of fruits, it is often necessary to sort fruits by certain criteria before they enter the market to meet the needs of consumers. This article is aimed at the problem,that the present stage of fruit sorting equipments in the market are often using computers as the host, and this approach often leads to sorting equipment is too expensive and difficult to widely promote the situation in the market, so then studied using single-chip computer to replace the host computer to achieve the fruit sorting system,which makes the weight of fruit as criteria. In this design, the system is based on 52 single-chip microcomputers, and the weight is measured by the sensor. The LCD and PC display the weight and store the data at the same time, which is convenient for later data reviewing. After being processed by the microprocessor system, the weight is compared with the level ,which has already been set from PC, then the fruit is divided into corresponding weight levels, and the actuator is driven to push the fruit into the corresponding sorting box. The system is designed to be simple and reliable, at the same time the cost is relatively low, and it can meet the requirements for fruit sorting equipment in most situations. The main tasks completed in this design are as follows:

1. Investigating the development situation of the fruit sorting equipment nowadays,and design a fruit sorting system by sorting a reliable criteria.
2. After reviewing and researching the relevant data of various types of pressure sensors ,which are already existing in the market, and then considering various factors such as range, sensitivity, cost, etc., the resistance strain type pressure sensor is finally used to detect the signal . Such pressure sensors are already widely used in electronic scales.
3. Researching various types of A/D conversion chips that are widely used in the field of technology and are widely sold in the market. After consulting their application examples in various fields, the HX711 chip is selected to be served as the analog-to-digital conversion module of the system.
4. After researching and reviewing the currently widely used display devices and its data, in consideration of the need for simultaneous display of numbers and characters for this design, LCD1602 was finally selected as the display device.
5. Various types of control algorithms are reviewed. Given that this system is an open-loop system and the final actuator output signal is proportional to the speed of the conveyor belt, proportional control is selected ,in order to make sure that the system can have a higher steady-state accuracy and faster response speed.
6. Using Labview software to achieve the data communication between the upper and lower units, to strengthen the human-computer interaction, and more convenient for the operator to operate the system.

Keywords: fruit sorting; weight; single chip microcomputer; measurement and control system

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究的意义 1

1.2国内外水果分选设备发展状况 2

1.3本文主要工作内容 2

第2章 系统组成与方案选择 4

2.1 系统组成 4

2.1.1 下位机系统 4

2.1.2 上位机系统 4

2.2方案选择 5

2.2.1单片机系统 5

2.2.2传感器 5

2.2.3 A/D转换模块 6

2.2.4 显示系统 6

2.2.5 控制模块 7

2.3 本章小结 8

第3章 硬件系统设计 9

3.1 单片机系统 9

3.1.1单片机最小系统 9

3.1.2 USB下载电路部分引脚 10

3.2压力传感器 10

3.3 A/D转换模块 12

3.4显示器件 14

3.5串口通信 14

3.6分选执行机构 15

3.6.1 传送带测速传感器 15

3.6.2 直流电机驱动模块 16

3.7本章小节 17

第4章 上位机软件系统设计 18

4.1 上位机设计 18

4.1.1上位机前面板设计 18

4.1.2上位机后面板设计 19

4.2上位机各节点设计 19

4.2.1 VISA串口配置 19

4.2.2 VISA 写入函数 20

4.2.3 VISA读取函数 20

4.2.4阈值设置 20

4.2.5称重显示以及等级显示 21

4.2.6系统时间显示 21

4.2.7数据存储 22

4.3本章小结 22

第5章 下位机软件系统设计 23

5.1软件选择 23

5.1.1编程软件选择 23

5.1.2烧录软件 23

5.2下位机软件总流程设计 23

5.3各模块程序设计 24

5.3.1称重模块 24

5.3.2数值显示以及重量分级模块 25

5.3.3分选模块 26

5.3.4串口通信模块 27

5.3.5控制模块 28

5.4 本章小结 29

第6章 实物仿真调试 30

6.1实物仿真过程 30

6.1.1实物仿真目的 30

6.1.2实物搭建 30

6.1.3仿真过程 31

6.1.4仿真结果分析 33

6.2 本章小结 33

第7章 结论 34

参考文献 35

附录 36

附录A 程序代码 36

附录B 电路原理图 44

附录C 元器件清单 45

致谢 46

第1章 绪论

1.1 研究的意义

根据调查研究，截至2015年底，我国水果总产量已达到了26142.2万吨,我国已然成为世界水果生产大国。根据中国农业科学院的估计，我国国民对于水果需求以及水果消费量将在未来十年内继续持续增长，预计截止到2024 年人均消费量将达到 93.9kg。除此之外，国外许多国家由于地区和气候问题，本国水果产量有限，对于我国本土生产的水果的需求量也一直在持续上升，我国水果产业出口贸易活动越来越活跃，出口贸易额在我国水果产业总额中占比也持续升高。经过科学家对往年数据进行分析与推算 ，预计2024 年我国水果市场规模将达到 3.24 万亿元。

而于此同时消费者对于水果其作为商品进行贸易时，对其标准随着时间的推移也发生了一定的改变。以前消费者更为注重水果的实质，比如水果的成熟度以及尤其注重水果的口味，如水果的水份、甜度等等。而现在人们生活水平也日益提高，水果甚至已经不再仅仅供人们家常食用了，甚至在一些人际交往或商业活动中作为办手礼而出现，因此人们对于水果的“品质”有了更高的要求。而这种“品质”则体现的是水果在外观这种形式上的特点，例如其大小、重量、色泽、形状等等。而水果产业最终服务的对象是消费者，故满足消费者对于水果的高标准需求是其首要任，如果水果产业连消费者的预期要求都无法满足，即便是在国内，该行业的发展也会受到限制，那么在国际市场中想要拥有更为广大的前景也只能是空谈了。而为了达到消费者所期望的需求，水果应该在进入市场流通前就经过分选，即按照一定标准对同类水果进行分选。可以说，分选是水果进行后续加工、包装、运输和进入市场的一个关键的环节了。

而目前我国水果产业则面临了一系列问题。在中国水果产量与其它国家相比是处于领先地位的，然而在中国水果产业的机械化进程仍然比较缓慢。尤其在水果采摘后，在很多地区水果的分选甚至是通过人工来进行分选。而这种分选存在着许多的弊端：首先，人工分选效率相对较低，水果具有一定保鲜期，若在分选阶段花费太多时间则会影响后期市场的销售情况；其次人工分选的标准尤其是关于色泽、齐整度等主要是凭借工人的经验进行的主观判断，标准可能参差不齐不利于后期的统一销售；最后由于水果产量大，人工分选需要大量工人进行大量作业，所需花费的成本也是巨大的。因此，在水果行业中使用水果分选设备以实现以统一标准在短时间内对水果进行自动分选是十分有必要的。水果分选设备在水果产业的应用也将进一步推动我国农业机械化的进程的步伐，使得该产业得到更好更快速的发展。

然而从国外引进水果分选设备往往昂贵，且设备后续的保养以及维护也是十分麻烦，因此研发中国自己的分选设备也是具有重大意义的。

1.2国内外水果分选设备发展状况

国内外早已经有许多学者发现了水果生产加工过程中人工分选的不便之处，因此开始对水果分选设备进行设计与研究。近年来在全世界范围内已经有很多公司和研究者在这个方向上有了一定的成果。根据水果检测指标的不同，水果分选机大致可分为大小分选机、重量分选机、外观品质分选机和内部品质分选机^[1]。

而其中重量分选设备是学者们最早开始考虑对其研发的分选设备，早期重量分选机一般是机械式重量分选机，这一种重量分选机对于水果只产生微小的损伤而且这种设备具有较为广泛的通用性，但是由于机械式机器零部件之间的摩擦等作用，有可能导致水果分选设备往往难以达到所预期的精度要求。

而现在随着科技的发展，传感器、计算机以及他们之间的通信技术发展的越来越快。现在许多研究人员已经研发出了基于电子称重传感器的电子称重式水果分选机。电子称重式分选机^[2]一般是用压力传感器直接感受被测物体即水果的重量，传感器输出微小的信号，经过信号调理电路的放大以及滤波等操作后，通过数模转换芯片实行模数转换，通过串行口通信将由芯片输出的数字信号传输给计算机，计算机经过计算处理后输出信号以控制后续的机械部分来实现分选。这种集成了自动化技术、硬件设计和软件设计的水果自动分选设备目前在世界范围内已经得到了广泛的应用，许多研究者也在对其进一步的发展做出努力。如以色列ESHET EILON公司、美国AUTOLINE公司^[3]生产的电子称重式分选机，该设备可以达到很高的精度以及具有极为广泛的适用范围。

然而目前分选设备往往采用的是以PC为主机的测控系统，该种设备操作复杂，同时由于其高成本也使其在国内的广泛推广应用难以实现。

1.3本文主要工作内容

本文主要是针对由于目前的分选设备由于以PC为主机，操作复杂以及高成本导致难以在国内广泛使用的问题，决定用单片机代替PC机为主机，完成一个基于单片机的水果分选台测控系统的设计。

目前在工业范围内广泛应用的是水果大小分选机，改种分选方式是依赖机械设备对水果进行纯机械式的水果分选，而本次课题要求设计一个测控系统，鉴于测量与控制两部分内容的结合，最终选定了以水果重量作为分选标准来设计了一个水果分选测控系统。

在确定了如何设计该系统的大体思路以后，在本篇文章中将详细地阐述系统各部分组成。其中主要围绕系统的硬件设计、软件设计共两部分展开。在系统硬件部分，本文介绍了所使用的传感器型号、A/D转换芯片、单片机最小系统以及LCD1602液晶屏的具体功能，其次也介绍了由推杆等构成的执行机构模块以及它具体完成的功能；在软件部分将介绍用于给单片机编程的Keil C软件以及其所主要完成的功能，同时将介绍用于编写上位机所使用labview软件的界面与程序设计。

本测控系统中的操作界面即上位机将保证操作人员操作方便，下位机硬件部分则做到成本低廉且具有广泛通用性；同时本篇论文将通过图片、公式、文字、流程图等多种方式对系统组成的各个部分进行详细介绍，使读者能够在短时间内对系统工作原理及流程有一定了解。

第2章 系统组成与方案选择

2.1 系统组成

该系统主要由下位机系统与上位机系统两个重要部分组成。上位机系统是基于labview制作的人工操作界面，下位机系统是指直接感受水果重量并进行对其分选操作的硬件系统部分。上位机系统通常由PC等设备组成，而下位机系统则通常由单片机等设备组成。

2.1.1 下位机系统

本次设计所采用的下位机系统为52单片机系统。其中数据采集部分由单片机系统外围电路中的压力传感器完成，将水果放置于压力传感器上，压力传感器感受其重量将有信号输出，而此时的信号为模拟信号，单片机无法直接对其处理，故在传感器输出端和单片机输入端间需要加入一块A/D转换芯片使模拟信号转换为数字信号。单片机对数字信号进行处理主要是通过公式转换为可以被使用者直接读出的重量参数，同时也会对其重量所处的等级进行比较分级，在该部分水果重量以及分级结果将显示在LCD液晶屏上。同时当水果经过对应等级红外开关时，通过红外开关通断控制执行机构（推杆）的运动将水果推入对应的分选框。

其工作流程图如图2-1所示：

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