何国荣

摘要：设计基于AT89S52单片机的猕猴桃（Actinidia chinensis）果实分级控制器。该控制器由按键模块、显示模块、称重模块、语音输出模块组成，可以根据猕猴桃果实重量对果品分级。

关键词：猕猴桃（Actinidia chinensis）;果实;分级;单片机

中图分类号：S776.24+9         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）18-0137-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.18.033           开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Design on controller for kiwi fruit grading by weight based on MCU

HE Guo-rong

（School of Mechanical and Electrical Engineering，Yangling Vocational & Technical College，Yangling 712100，Shaanxi，China）

Abstract： The fruit grading controller of Actinidia chinensis based on AT89S52 MCU was designed. The controller contained keyboard modules， display modules， grating modules， sounds output modules， and could improve efficiency.

Key words： kiwi fruit（Actinidia chinensis）; fruit; grade; MCU

猕猴桃（Actinidia chinensis）是一种在中国种植广泛、经济价值较高的水果。在果实成熟采摘后，需要对果实进行分级，按质论价，提高猕猴桃的经济价值。果实分级方法有很多种，主要是按照果实大小分级、重量分级、外观品质分级和内部品质分级等方法[1]。

果实分级可以使用人工分拣和机械分级，人工分级劳动量大、生产率低而且分选精度容易受主观因素影响，难以实现快速、准确的要求，机械分级与人工分级相比成本要大大降低，精准率大大提高，同时节约时间、降低果农的劳动强度[2]。以色列ESHET EILON公司、美国AUTOLINE 公司生产的电子称重式分选机，在分选检测技术上已经很成熟，工作效率高，并具有较高的分选精度。但是由于该设备操作较为复杂，而且设备成本较高，难以在中国推广使用[3]。中国陕西关中地区出产的猕猴桃品质较高，猕猴桃按照分级定价，可有效提高果农的种植收益。但是果农将果实采摘后，并没有进行分级出售，分级设备使用成本高是主要阻碍。此外，高品质的猕猴桃果实目前大都对其果形、外观、重量采用人工分拣以保证其质量。如何通过果实分级提高果农收益，是目前在果农增收方面面临的一个问题。

针对该问题，设计了一个能够实现猕猴桃果实按重量分级、可满足普通农户需要的低成本猕猴桃果实分级控制器，可以有效降低果实分级成本，有助于提高果农种植收益。

1  猕猴桃果实称重分级控制器的设计要求

中国猕猴桃的栽培品种较多，有海沃德、徐香、秦美、哑特、翠香、瑞玉、华优、金艳、红阳、脐红等10个品种。因猕猴桃没有全国性的分级标准，因此根据陕西省周至县2015年颁发的《猕猴桃鲜果等级标准》（DB610124/T 02—2015）[4]，以此标准为依据设计猕猴桃分级控制器。该标准将猕猴桃按照果实单果重将不同品种的猕猴桃果实分为4个等级，分级标准如表1所示。

猕猴桃果实称重分级控制器的设计目标是设计一个低成本、便于果农使用的按照重量分级的控制器，只要将果实放在分级控制器上，即可显示该果实重量和分级等级，并且可实现语音播报果实分级结果，精度达到0.1 g，可满足普通农户对于低成本猕猴桃果实分级设备的需要[5-7]。

2  猕猴桃称重分级控制器的整体设计方案

猕猴桃称重分级控制器以低成本的AT89S52单片机为控制核心，以电阻应变式压力传感器N430和24位高精度的A/D转换器芯片HX711作为称重模块、以1602LCD为液晶显示模块、以YS-M3为语音输出模块、以5个普通按键组成按键模块。在使用时，用户首先在称重分级控制器的按键模块上根据要分级的果实品种按下对应的按键，选择待分级的果实品种，如按下按键KA（选择海沃德、秦美、哑特），按下按键KB（选择徐香、翠香、华优、金艳），按下按键KC（选择瑞玉），按下按键KD（选择红阳、脐红），然后将果实放在分级控制器上进行称重分级，分级结果将通过LCD屏幕显示出来，同时也通过语音播放出来，如“一级果”“二级果”等，用户可以方便地得到分级结果。

2.1  硬件设计

基于单片机的猕猴桃称重分级控制器的称重部分结构如图1所示，由3部分组成：托盘、压力传感器、支撑底板。托盘为塑料材质，用于放置猕猴桃果实，托盘被螺丝固定在托盘下方的电阻应变式压力传感器上，压力传感器一端悬空，另一端用螺丝固定在支撑底板上。

基于单片机的猕猴桃称重分级控制器的硬件結构如图2所示。该系统结构相对简单，以AT89S52单片机为控制核心，由按键模块、显示模块、称重模块、语音输出模块等4个模块组成。按键模块和称重模块作为分级控制器系统的输入部分，显示模块和语音输出模块为输出部分。

2.1.1  称重模块  称重模块使用量程为1 kg，分辨率为0.1 g的电阻应变式压力传感器N430对猕猴桃果实进行称重，采集重量信号，再通过24位高精度的A/D转换器芯片HX711将重量信息输出给单片机的I/O端口P2.3和P2.4。如图3所示，压力传感器中的5个电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6阻值都是1 000 Ω，压力传感器N430的输出有4根线，电源（+）、电源（-）、输出（+）、输出（-），分别连接A/D转换器芯片HX711的E+、E-、A+、A- 4个端口。A/D转换之后的数据信号和时钟信号分别通过DT端口和SCK端口传输给AT89S52单片机的P2.3端口和P2.4端口，由单片机对称重模块的输出进行处理和运算。

2.1.2  按键模块和显示模块  用户在果实称重前，首先按下要进行称重分级的猕猴桃果实种类按键，选择果实品种。按键模块设计有4个按键KA、KB、KC、KD分别对应4种果实：按下按键KA（选择海沃德、秦美、哑特），按下按键KB（选择徐香、翠香、华优、金艳），按下按键KC（选择瑞玉），按下按键KD（选择红阳、脐红）。

显示模块使用1602LCD，用于显示猕猴桃果实品种选择信息、猕猴桃果实重量信息、果实分级信息。如表2所示是单片机端子功能分配表，使用了单片机的P0、P1、P2端口。

2.1.3  语音输出模块  使用语音输出模块YS-M3进行音频输出，在使用前首先录制好“一级果”“二级果”“三级果”“次品果”的音频文件，将音频文件放入TF卡，TF卡插入语音模块的卡槽中，语音输出模块通过单片机的P1.4、P1.5、P1.6、P1.7这4个端口来给出音频触发信号，这4个端口分别对应“一级果”“二级果”“三级果”“次品果”的音频文件。

图4所示是基于单片机的猕猴桃称重分级控制器的硬件结构， YS-M3是语音输出模块，输出的语音通过3 W的扬声器即可播放出来。具体工作方式是4个端口分别与单片机的P1.4、P1.5、P1.6、P1.7相连，工作方式为低电平触发，当P1.4端口输出低电平时，则播放“一级果”的音频;当P1.5端口输出低电平时，则播放“二级果”的音频;当P1.6端口输出低电平时，则播放“三级果”的音频;当P1.7端口输出低电平时，则播放“次品果”的音频。

2.2  软件设计

基于单片机的果实称重分级控制器的软件流程如图5所示。首先，用户按下按键KQ去皮，保证果实称重的精度;其次，用户根据种通过4个按键KA、KB、KC、KD选择待分级的猕猴桃果实品种。最后，按照表1的分级标准，将果实放在托盘上进行称重，如果果实重量大于一级果的上限，则LCD显示“三级果”和果实重量，并且语音播报“三级果”;如果果实重量小于一级果的上限且大于一级果的下限，则LCD显示“一级果”和果实重量，并且语音播报“一级果”;如果果实重量小于一级果的下限且大于二级果的下限，则LCD显示“二级果”和果实重量，并且语音播报“二级果”;如果果实重量小于二级果的下限且大于三级果的下限，则LCD显示“三级果”和果实重量，并且语音播报“三级果”;如果果实重量小于三级果的下限，则LCD显示“次品果”和果实重量，并且语音播报“次品果”。

3  性能测试结果分析

为了验证该分级控制器的称重精度和分级精度，从杨凌猕猴桃种植园采集了海沃德、徐香、红阳3个品种各20枚猕猴桃果实，并使用市场上比较常见的厨房秤（精度为0.01 g）对该分级控制器进行性能对比测试，测试数据如表3所示。以厨房秤的果实称重为对比标准，以厨房秤的称重精度为100%作为参照，对分级控制器的称重精度求取了平均相对误差，误差分别达到了0.98%、1.21%、1.34%，相对误差较小。对3个品种的猕猴桃果实分级精度测试，参照人工分级结果，分级平均相对误差为0%，该控制器的整体性能符合设计要求，可以较好地实现果实的分级功能。

4  结论

针对大型果实称重分选机分选猕猴桃果实成本较高，人工分选虽然成本较低，但效率较低的问题，设计了一个基于单片机的猕猴桃果实称重分级控制器，该控制器能够实现猕猴桃果实分级、价格便宜、可提高果实分级效率。经过试验验证，该控制器称重精度和分级精度较好，可以有效降低果实分级成本，有助于提高果农收益。

参考文献：

[1] 齐康康.输送带式猕猴桃分级平台的设计[D].陕西杨凌：西北农林科技大学，2015.

[2] 毛鹏军，杜东亮，符丽君，等.我国农产品分级的现状、问题及对策[J].农业机械，2006（10）：110-111.

[3] 李光梅，魏新華，李陆星，等.水果分选机的研究现状与发展状况[J].农机化研究，2007（9）：20-23.

[4] DB610124/T02—2015，猕猴桃鲜果等级标准[S].

[5] 洪海丽，王明俊.果蔬重量分选机控制器的设计[J].电脑开发与应用，2009（7）：37-39.

[6] 逯久鑫，张  燕，廖宇兰，等.基于PLC的芒果采摘机控制系统研究[J].农机化研究，2012（8）：181-183.

[7] 葛纪帅，赵春江，黄文倩，等.基于智能称重的水果分级生产线设计[J].农机化研究，2012（1）：126-130.