一种手持式水果坚实度及脆度自动检测仪器
阅读说明：本技术 一种手持式水果坚实度及脆度自动检测仪器 (Hand-held fruit firmness and brittleness automatic detection instrument ) 是由 崔笛 王大臣 冯喆 丁城桥 计淑钰 于 2020-12-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种手持式水果坚实度及脆度自动检测仪器。本发明的按键单元固定安装在上外壳,显示单元固定安装在上外壳显示数值,控制单元和执行机构固定安装在装置内部,执行机构的输出端与待测水果相连,按键单元与控制单元相连,控制单元与执行机构、显示单元相连；通过按键单元发送测量命令,控制单元接收测量命令后驱动执行机构向待测水果施加压力,执行机构的输出端测量待测水果的阻抗力及水果破裂过程中的声音,执行机构将阻抗力和声音信号传输给控制单元,控制单元处理为坚实度和脆度数据并保存,同时将坚实度和脆度数据传输给显示单元显示待测水果的坚实度和脆度。本发明无需建模,测量简单方便,对操作者要求低,减小因削皮造成的误差,可用于测量多种水果的坚实度及脆度。(The invention discloses a hand-held fruit firmness and brittleness automatic detection instrument. The key unit is fixedly arranged on the upper shell, the display unit is fixedly arranged on the upper shell to display numerical values, the control unit and the actuating mechanism are fixedly arranged in the device, the output end of the actuating mechanism is connected with fruits to be tested, the key unit is connected with the control unit, and the control unit is connected with the actuating mechanism and the display unit; the measuring command is sent through the key unit, the control unit drives the executing mechanism to apply pressure to the fruit to be measured after receiving the measuring command, the output end of the executing mechanism measures the impedance of the fruit to be measured and the sound of the fruit in the cracking process, the executing mechanism transmits the impedance and the sound signals to the control unit, the control unit processes the data into the firmness and brittleness data and stores the data, and meanwhile, the firmness and brittleness data are transmitted to the display unit to display the firmness and brittleness of the fruit to be measured. The invention has the advantages of no need of modeling, simple and convenient measurement, low requirement on operators, reduction of errors caused by peeling, and capability of being used for measuring the firmness and brittleness of various fruits.)
技术领域
本发明涉及了一种手持式水果坚实度及脆度自动检测仪器，适用于在水果供应链各个环节对水果坚实度及脆度进行现场快速检测。
背景技术
水果富含多种人体所必须的营养元素，随着人们对健康饮食的关注，对优质水果的需求日益增高。坚实度和脆度是水果重要的品质参数，极大程度上决定了水果的口感，是决定消费者是否回购的关键因素。此外，水果的硬度和脆度可用于指导水果采收，运输，贮藏，加工，分配和销售，从而减少水果在供应链中发生变质腐坏的几率，确保高品质的水果送达消费者的手中。手持式设备可在供应链的各个环节对水果坚实度及脆度进行现场检测，对减少水果损耗和保证水果品质有着极大的作用。目前，便携式水果脆度测量仪器较少，水果脆度多由感官评价来进行评估，即专家小组通过咀嚼水果对其脆度进行主观分析，水果在被咀嚼时产生的声音是水果脆度的重要指标。现有的便携式水果坚实度检测仪器如下：
手持穿刺计。操作者将特定形状的探头缓缓刺入到去皮水果果肉中一定深度，记录测量过程中水果对仪器的最大阻力作为水果坚实度。该类型仪器多为仪表式，成本低，在全世界范围内被广泛使用，但测量结果易受操作者穿刺速度和施力大小的影响，无法保证测量精度。
便携光谱仪。不同坚实度的水果在特定波段的反射、散射或吸收等光学特性也会存在差异，便携光谱仪通过测量水果光学特性并与标准坚实度值建立相关模型，来间接预测水果坚实度。预测模型的建立需要综合考虑水果品种，季节和环境等众多因素，以保证预测结果的准确性。
便携声学振动仪器。水果的声学振动特性与水果坚实度相关，便携声学振动仪器采用力锤或激振器激励水果，然后通过麦克风或加速度传感器测量水果的声学振动响应信号来测量水果坚实度。该类型仪器可对水果整体坚实度进行测量，但测量结果受水果的形状和质量的影响。
上述仪器存在操作繁琐，精度受限，数据处理复杂等问题，且无法同时检测水果坚实度及脆度，不利于向果农，经销商，消费者等潜在使用者推广。低成本，高精度，操作简便的手持式水果坚实度及脆度检测仪器近年来受到许多研究人员的关注，具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的是克服上述背景技术中的不足，提供一种可在供应链各个环节对水果坚实度及脆度进行现场检测的低成本手持式仪器。操作者通过单击测量按键即可实现果实坚实度的自动检测，长按测量按键可实现水果果肉坚实度及脆度的自动检测，测量无需削皮，具有操作简便，测量精度高等优点，可确保不同操作者测量结果的一致性，易于向技术经验不足的用户推广，且测试果实坚实度不使水果发生破裂变形，测试后水果仍可食用。
本发明采用的技术方案如下。
本发明包括上外壳、下外壳、控制单元、按键单元、执行机构和显示单元；按键单元固定安装在上外壳一端，显示单元固定安装在上外壳显示数值，控制单元固定安装在上外壳和下外壳内部，执行机构固定安装在下外壳上且在上外壳和下外壳内部，执行机构的输出端与待测水果相连，按键单元与控制单元相连，控制单元与执行机构、显示单元相连；通过按键单元发送测量命令，控制单元接收测量命令并驱动执行机构向待测水果施加压力，执行机构的输出端测量待测水果的阻抗力及水果破裂过程中的声音，执行机构将阻抗力传输和声音信号给控制单元，控制单元处理为坚实度和脆度数据并保存，控制单元将坚实度和脆度数据传输给显示单元，显示单元显示待测水果的坚实度和脆度。
所述执行机构包括直线电机、滑台、压力传感器、弹性组件、直线轴承、固定座、端盖、压盖、探头、导轨和麦克风；直线电机固定安装在下外壳的一端，直线电机的输出端与滑台固定连接，导轨固定安装在下外壳的中部，滑台的下端面与导轨的上端面滑动连接，滑台为上下二层台阶状，滑台的上台阶上设置有压力传感器，压力传感器的一端与滑台固定安装，弹性组件主要由两个弹簧座和安装在两个弹簧座之间的弹簧组成，压力传感器的另一端与弹性组件中的一个弹簧座固定连接，滑台的下台阶上固定安装有直线轴承，直线轴承开有第一中心通孔并且第一中心通孔中同轴活动安装有导杆，弹性组件的另一个弹簧座与导杆的一端固定连接，导杆的另一端穿过直线轴承后与探头的一端固定连接，探头活动安装在固定座，固定座固定安装在上外壳和下外壳之间，压力传感器、弹性组件、导杆固定座、探头的中心轴线和手持式水果坚实度及脆度自动检测仪器的中心轴线处于一条直线，端盖固定安装在上外壳和下外壳安装有探头一端面上，探头外周围和端盖之间活动嵌装有压盖，端盖作为执行机构的输出端与待测水果表面接触形成支撑结构并起到隔绝外部环境噪声的作用，通过探头来检测待测水果的阻抗力，下外壳、固定座和端盖上还开设有同轴的麦克风通孔，麦克风固定安装在麦克风通孔中，通过麦克风来感知水果破裂时产生的声音。
所述控制单元包括微控制单元、传感器信号调理电路、麦克风信号调理电路和电机驱动电路；微控制单元均与传感器信号调理电路、麦克风信号调理电路和电机驱动电路相连，传感器信号调理电路、麦克风信号调理电路和电机驱动电路与执行机构相连。
所述传感器信号调理电路与执行机构相连，对执行机构发出的传感器原始电压信号进行平滑和放大处理并将处理后的信号发送给控制单元；传感器信号调理电路的两个输入端分别输入压力传感器的正压力信号和负压力信号，正压力信号分别经电容接地，正压力信号输入到放大器U5A的同相输入端，放大器U5A的输出端经电阻R21连接到放大器U5A的反相输入端，放大器U5A的输出端还经电阻R18后分别连接到放大器U5D的同相输入端和经电阻R19接地，负压力信号经电容C25后接地，电阻R25一端接电源，电阻R25另一端依次经滑动变阻器Z1的电阻丝、电阻R29后接地，负压力信号还分别接到滑动变阻器Z1的滑片端和放大器U5B的同相输入端，放大器U5A的反相输入端依次经电阻R24和滑动变阻器G1的电阻丝后连接到放大器U5B的反相输入端，滑动变阻器G1的滑片端连接到放大器U5B的反相输入端上，放大器U5B的输出端经电阻R27后接到放大器U5B的反相输入端上，放大器U5B的输出端经电阻R28后接到放大器U5D的反相输入端上，放大器U5D的输出端分别经R22和电容C23连接到放大器U5D的反相输入端，放大器U5D的输出端还连接到放大器U5C的同相输入端，放大器U5C的输出端分别经R23和电容C24连接到放大器U5C的反相输入端后再经电阻R26后接地，放大器U5C的输出端依次经电阻R20、电容C22后接地，放大器U5C的输出端经电阻R20后输出调理后的信号。
所述按键单元包括测量按键、电源开关和数据传输按键；电源开关与电源相连，电源开关控制电源的开断，测量按键和数据传输按键与控制单元相连。
所述电源为上外壳中安装的电池，电池为手持式水果坚实度及脆度自动检测仪器提供电源。
所述待测水果为桃、杏、李子、芒果、柑橘、苹果、梨、猕猴桃、香蕉、西红柿、草莓等水果。
所述探头根据不同的水果需要进行更换。
本发明的有益效果是：
1.本发明通过测量水果弹性形变范围内的阻抗力直接感知果实坚实度，无需建模，可更换多种探头以测量不同水果的坚实度；
2.本发明通过测量水果发生破裂时的阻抗力直接感知果肉坚实度，并由麦克风记录水果破裂过程中产生的声音，通过分析声音信号的最大幅值和波峰数来测量水果脆度；
3.本发明操作简便，单击或长按测量按键后仪器可自动完成测量，对操作者无技术性要求；
4.相比手持穿刺计，操作精度更高，可保证不同操作者测量结果的一致性和准确性；
5.本发明体积小，易于携带，适用于在供应链各个环节对水果坚实度及脆度进行现场测量。
6.本发明测量无需削皮，可实现对果实坚实度的无损测量，测试后的水果仍可食用，可同时实现果肉坚实度和脆度的测量。
附图说明
图1是本发明整体结构的立体图；
图2是本发明测量果实坚实度不同工作状态的示意图；
图3是本发明测量果肉坚实度及脆度工作状态的示意图；
图4是本发明内部结构示意图；
图5是本发明工作原理的示意图；
图6是本发明控制单元电路图；
图7是本发明显示单元电路图；
图8是本发明传感器信号调理电路；
图9是本发明电机驱动电路；
图中，1-下外壳，2-直线电机，3-上外壳，4-电池，5-测量按键，6-电源开关，7-显示单元，8-数据传输按键，9-滑台，10-压力传感器，11-弹性组件，12-控制单元，13-直线轴承，14-固定座，15-端盖，16-压盖，17-探头，18-导轨，19-麦克风。
具体实施方式
本发明提供的手持式水果坚实度及脆度自动检测仪器，易于携带，操作简单，基于感知水果形变时的阻抗力和破裂过程中的声音信号，对水果坚实度及脆度进行现场精准检测，不受场地限制。
以下结合说明书附图，对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
如图1、图2和图5所示，本发明包括上外壳3、下外壳1、控制单元、按键单元、执行机构和显示单元；按键单元固定安装在上外壳3一端的侧面且伸出上外壳3，显示单元固定安装在上外壳3一端的正面且显示数值，控制单元固定安装在上外壳3另一端且在上外壳3和下外壳1内部，执行机构固定安装在下外壳1上且在上外壳3和下外壳1内部，执行机构的输出端与待测水果相连，按键单元与控制单元相连，控制单元与执行机构、显示单元相连；通过按键单元发送测量命令，控制单元接收测量命令并驱动执行机构向待测水果施加压力，执行机构的输出端测量待测水果的阻抗力及水果破裂过程中的声音，执行机构将阻抗力和声音信号传输给控制单元，控制单元处理为坚实度和脆度数据并保存，控制单元将坚实度和脆度数据传输给显示单元，显示单元显示待测水果的坚实度和脆度，按键单元发送显示命令后，控制单元将坚实度和脆度数据发送给指定的终端。待测水果为桃、杏、李子、芒果、柑橘、苹果、梨、猕猴桃、香蕉、西红柿、草莓等水果。探头17根据不同的水果需要进行更换。
执行机构包括直线电机2、滑台9、压力传感器10、弹性组件11、直线轴承13、固定座14、端盖15、压盖16、探头17、导轨18和麦克风19；直线电机2固定安装在下外壳1的一端，直线电机2的输出端与滑台9固定连接，导轨18固定安装在下外壳1的中部，滑台9的下端面与导轨18的上端面滑动连接，滑台9为上下二层台阶状，滑台9的上台阶上设置有压力传感器10，压力传感器10的一端与滑台9固定安装，弹性组件11主要由两个弹簧座和安装在两个弹簧座之间的弹簧组成，压力传感器10的另一端与弹性组件11中的一个弹簧座固定连接，滑台9的下台阶上固定安装有直线轴承13，直线轴承13开有第一中心通孔并且第一中心通孔中同轴活动安装有导杆，弹性组件11的另一个弹簧座与导杆的一端固定连接，导杆的另一端穿过直线轴承13后与探头17的一端固定连接，探头17活动安装在固定座14，固定座14固定安装在上外壳3和下外壳1之间，压力传感器10、弹性组件11、导杆固定座14、探头17的中心轴线和手持式水果坚实度自动检测仪器的中心轴线处于一条直线，端盖15固定安装在上外壳3和下外壳1安装有探头17一端面上，探头17外周围和端盖15之间活动嵌装有压盖16，端盖15作为执行机构的输出端与待测水果表面接触形成支撑结构并起到隔绝外部环境噪声的作用，通过探头17来检测待测水果的阻抗力，下外壳1、固定座14和端盖15上还开设有同轴的麦克风通孔，麦克风19固定安装在麦克风通孔中，麦克风19设置在待测水果样品附近并且不接触待测水果，来记录待测水果的果皮破裂过程中产生的声音。
控制单元12包括微控制单元MCU、传感器信号调理电路、麦克风信号调理电路和电机驱动电路；微控制单元MCU均与传感器信号调理电路和电机驱动电路相连，传感器信号调理电路、麦克风信号调理电路和电机驱动电路分别与执行机构的压力传感器10、麦克风19和直线电机2相连。
按键单元包括测量按键5、电源开关6和数据传输按键8；电源开关6与电源相连，电源开关6控制电源的开断，测量按键5和数据传输按键8与控制单元相连。
电源为上外壳3中安装的电池4，电池4为手持式水果坚实度及脆度自动检测仪器提供电源。
如图5所示，控制单元包括蓝牙传输单元、微控制单元MCU及其外设电路、稳压电路、升压电路、显示单元、传感器信号调理电路、麦克风信号调理电路和电机驱动电路。微控制单元MCU是整个控制单元的核心，在检测到测量按键被按下后，通过电机驱动电路控制直线电机的运转，同时MCU读取传感器调理电路输出的传感器电压信号并运算转换为坚实度数据传输到显示单元显示，当直线电机2达到所需的距离后，微控制单元MCU将最终坚实度和脆度数据进行显示和存储，并控制直线电机回到原始位置。当微控制单元MCU检测到数据传输按键8被按下时，即通过蓝牙传输单元将存储的坚实度和脆度数据传送到上位机。稳压电路将电池的供电电压稳定至3.3V给MCU和显示单元供电。升压电路将供电电压升至8V后供给传感器，电压反转电路给传感器调理电路提供-8V电压，信号调理电路完成传感器原始电压信号的平滑和放大。电机驱动电路在MCU的控制下完成电机的正向和反向运动。
如图6和图7所示，微控制单元(MCU)主要由单片机U3和晶振电路组成，晶振电路连接到单片机U3的引脚OS C_IN和引脚OS C_OUT上，显示电路包括显示屏P5、电阻R11和电阻R12，电阻R11一端接电源，电阻R11的接到显示屏P5的引脚3，电阻R12一端接电源，电阻R12的接到显示屏P5的引脚4，显示屏P5的引脚3和引脚4分别接到单片机U3的引脚PB6和引脚PB7。
如图8所示，传感器信号调理电路与执行机构中的压力传感器10相连，对执行机构中的压力传感器10发出的传感器原始电压信号进行平滑和放大处理并将处理后的信号发送给控制单元12；传感器信号调理电路的两个输入端分别输入压力传感器10的正压力信号和负压力信号，正压力信号分别经电容接地，正压力信号输入到放大器U5A的同相输入端，放大器U5A的输出端经电阻R21连接到放大器U5A的反相输入端，放大器U5A的输出端还经电阻R18后分别连接到放大器U5D的同相输入端和经电阻R19接地，负压力信号经电容C25后接地，电阻R25一端接电源，电阻R25另一端依次经滑动变阻器Z1的电阻丝、电阻R29后接地，负压力信号还分别接到滑动变阻器Z1的滑片端和放大器U5B的同相输入端，放大器U5A的反相输入端依次经电阻R24和滑动变阻器G1的电阻丝后连接到放大器U5B的反相输入端，滑动变阻器G1的滑片端连接到放大器U5B的反相输入端上，放大器U5B的输出端经电阻R27后接到放大器U5B的反相输入端上，放大器U5B的输出端经电阻R28后接到放大器U5D的反相输入端上，放大器U5D的输出端分别经R22和电容C23连接到放大器U5D的反相输入端，放大器U5D的输出端还连接到放大器U5C的同相输入端，放大器U5C的输出端分别经R23和电容C24连接到放大器U5C的反相输入端后再经电阻R26后接地，放大器U5C的输出端依次经电阻R20、电容C22后接地，放大器U5C的输出端经电阻R20后输出调理后的信号。
如图9所示，电机驱动电路包括电源电压放大模块和电机驱动模块电路，电源电压放大模块将3.7V的电源转换为12V的电源，电源电压放大模块包括电感L3、升压器U9、场效应管Q2，电感L3的一端经电容C30接地，电感L3的一端连接到升压器U9的引脚VIN上，电感L3的一端还经电阻R39后连接到升压器U9的引脚EN上，电感L3的另一端连接到升压器U9的引脚SW上，单片机U3的引脚PB12作为MCTR端口，MCTR端口作为电源电压放大模块的控制端，控制端经电阻R42后连接到场效应管Q2的栅极，控制端经电阻R42后再经电阻R43接地，场效应管Q2的源极接地，场效应管Q2的漏极接到升压器U9的引脚EN上，升压器U9的引脚SW连接到二极管D5的阳极，二极管D5的阴极分别经电阻R40和电容C31后再连接到电阻R41后接地，升压器U9的引脚FB连接到电阻R40和电阻R41之间，二极管D5的阴极还接到电容C32后再接地。
电机驱动模块电路包括电机驱动模块U8，电机驱动模块U8的引脚CP1和引脚CP2之间经电容C14后相连，电机驱动模块U8的引脚VCP连接到电容C15的一端和电阻R32的一端，电机驱动模块U8的引脚VMA连接到电容C15的另一端和电阻R32的另一端并且还接到电源上，电容C15的另一端和电阻R32的另一端经电容C27后接地，电机驱动模块U8的引脚ISENA经电阻R33后接地，电机驱动模块U8的引脚ISENB经电阻R34后接地，滑动变阻器R37的滑片端和滑动变阻器R37电阻丝的一端连接到电源，滑动变阻器R37电阻丝的另一端经电阻R38后接地，电机驱动模块U8的引脚VMB经电容E4后接地，电机驱动模块U8的引脚AVREF和引脚BVREF均经电阻R38后接地，电机驱动模块U8的引脚nHOME经电阻R13后接到电源上，电机驱动模块U8的引脚nFAULT经电阻R35后接到电源上，电机驱动模块U8的引脚nSLEEP和引脚nRESET之间经电阻R36后相连，电机驱动模块U8的引脚接到电源上，电机驱动模块U8的引脚还接到电容C29后接地。
本发明的具体工作原理
测量时，首先打开按键单元中的电源开关6，将端盖15垂直压在待测水果表面，当测量果实坚实度时，单击按键单元中的测量按键5，控制单元接收到测量按键5发送的信号后使得电机驱动电路工作，电机驱动电路驱动直线电机2往探头17方向运动在水果弹性形变范围内的指定距离，指定距离为预先设置的固定距离，直线电机2带动滑台9运动，压力传感器10、弹性组件11、直线轴承13、和探头17均向探头17方向运动，使得探头17对待测水果表面进行压迫，待测水果表面发生弹性形变，探头17则会受到待测水果的阻抗力而往直线电机的方向运动，使得弹性组件中的弹簧产生压缩，压力传感器10测量弹性组件中的弹簧的弹簧力，控制单元中的传感器信号调理电路接收到弹簧力后将处理后得到的传感器电压信号发送给微控制单元，微控制单元将传感器电压信号转化为待测水果的果实坚实度，最终显示在显示单元中；直线电机2运动到所需距离后，待测水果形变为极限，整个执行机构与待测水果处于平衡状态，显示单元显示待测水果坚实度的数值处于稳定状态。测试完成后，直线电机2在控制单元的控制下回到原始位置。如图2所示，距离A和距离B均为在平衡状态下，探头17压入待测水果中的距离，其中，距离A为待测水果的果实坚实度较高时的状态，对应的弹性组件中的弹簧压缩量越大，压力传感器所感知到的待测水果阻抗力越大，距离B为待测水果的果实坚实度较低时的状态，对应的弹性组件中的弹簧压缩量越小，压力传感器所感知到的待测水果阻抗力越小，满足B>A。
当测量果肉坚实度及脆度时，长按按键单元中的测量按键5，控制单元接收到测量按键5发送的信号后使得电机驱动电路工作，电机驱动电路驱动直线电机2往探头17方向运动到足够使水果产生破裂的距离。图3为测量水果果肉坚实度及脆度工作状态的示意图，当水果发生破裂后，果皮张力消失，水果阻抗力下降，此时探头感知到的阻抗力仅为水果果肉的阻抗力，在此过程中麦克风19同时记录水果破裂过程中产生的声音。微控制单元将压力传感器10记录到的水果破裂后的平均电压信号转化为待测水果的果肉坚实度，将麦克风记录的声音信号的最大幅值和波峰数转化为待测水果的脆度，显示单元显示待测水果果肉坚实度和脆度的数值。测试完成后，直线电机2在控制单元的控制下回到原始位置。
对比实施例
为测量本发明的性能，将本发明与国内外广泛使用的手持式穿刺计FT-02进行了对比测试。选取10个水蜜桃，以桃子腹缝线为起始线将桃子分为均匀的三部分，在每部分的中心处首先使用本发明进行果实坚实度测量，然后在临近位置使用手持式穿刺计进行测量，手持式穿刺计测量前需用配备的削皮刀削去果皮，然后将仪器探头缓慢刺入果肉内，当探头刺入果肉深度达到探头上的刻度线处时，停止下压，此时表盘上的力值即为水果坚实度，测量完成后按回零旋钮使仪器指针回零。因两种仪器的计量单位不同，故计算两种仪器测量每个桃子的三次结果的相对标准偏差来比较仪器的精度。如表1所示，手持式穿刺计测量每个水果所得三次坚实度值的相对标准偏差均大于本发明。由于操作者在使用手持式穿刺计时穿刺速度和施力大小存在差异，无法保证每次测量的一致性，且削皮的薄厚也会对测量结果产生影响，从而导致了测量结果有较大偏差。
表1本发明与手持式穿刺计FT-02对比测试结果
由此上述对比实施例可知，本发明相对广泛使用的手持式穿刺计，操作简单，只需按动开关即可自动完成测量；自动测量可保证每次测试过程的一致性和准确性，解决操作者使用手持式穿刺计难以保证匀速恒力下压的问题；无需建模，可根据水果品种选用不同规格探头，适用于多种水果坚实度的测量；本发明测试无需削皮，避免无法保证每次削皮薄厚均匀的问题；使用本发明测量果实坚实度后水果仍可食用，有效避免水果浪费；除无损测量果实坚实度外，本发明可测量果肉坚实度并同时测量测量水果脆度。