激光散斑技术的便携式苹果内部品质检测分级仪设计(附件)
本研究利用已经建立的基于激光散斑技术预测苹果内部品质的支持向量机模型设计了一款便携式苹果内部品质检测分级仪。本文介绍了在树莓派B+微处理器和嵌入式Linux操作系统环境下仪器的硬件选型、软件开发和交互界面的操作流程。验证结果表明，“弘前”富士和“大沙河”富士可溶性固形物含量的仪器分级准确率分别为92.2%和92.9%，硬度的仪器分级准确率分别为95.7%和96.3%，该仪器满足对苹果内部品质的分级要求。该仪器体积小、成本低、操作简单、检测速度快，对提高苹果采后分级处理能力、国际市场竞争力，推动我国苹果乃至整个水果产业发展具有一定意义。
目录
摘要1
关键词1
Abstract1
Key words1
引言1
1 仪器设计的可行性分析2
1.1 便携式检测仪器在水果无损检测方面的应用现状2
1.2 激光散斑技术和模型建立研究现状2
2 仪器设计与开发3
2.1 系统整体设计3
2.2 硬件选型4
2.2.1 嵌入式开发板4
2.2.2 显示屏5
2.2.3 半导体激光发射器6
2.2.4 工业相机7
2.2.5 其他8
2.3 软件开发8
2.3.1 嵌入式操作系统的选择8
2.3.2 软件模块开发8
2.4 交互界面操作流程9
3 仪器效果验证 10
3.1 材料与方法10
3.1.1 试验材料10
3.1.2 试验仪器10
3.1.3 试验方法11
3.2 结果与分析11
4 结论与展望12
致谢13
参考文献14
附录A 便携式苹果内部品质检测分级仪外观三维建模图15
附录B 便携式苹果内部品质检测分级仪内部结构三维建模图16
附录C 便携式苹果内部品质检测分级仪内部结构三视图（真实）17
附录D 便携式苹果内部品质检测分级仪内部结构三视图（隐藏） *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
18
图21 便携式苹果内部品质检测分级仪外观图4
图22 便携式苹果内部品质检测分级仪内部结构图4
图23 便携式苹果内部品质检测分级仪工作流程图4
图24 树莓派B+微处理器实物图5
图25 显示屏实物图6
图26 半导体激光发射器实物图7
图27 工业相机实物图7
图28 开始界面9
图29 参数设置界面9
图210 拍摄条件界面10
图211 图像采集界面10
表21 嵌入式开发板技术参数5
表22 显示屏技术参数6
表23 半导体激光发射器技术参数7
表24 工业相机技术参数8
表31 品质指标分级11
表32 苹果样品品质指标11
表33 SSC分级准确率统计表12
表33 硬度分级准确率统计表12
基于激光散斑技术的便携式苹果内部品质检测分级仪设计
引言
我国是世界上最大的水果种植及生产加工国，其中，苹果是产量最高、出口量最大的果品[1]。2016年我国苹果出口量突破130万吨，较2015年增长59%；出口额达到14.5亿美元，较2015年增长14%，第一次成为世界最大的苹果出口国。2016年苹果出口平均单价为6.8元/kg，较2015年降低0.6元/kg，而进口平均单价高达11元/kg[2]。虽然我国苹果出口量呈增加趋势，但是出口平均单价低，只能占据邻近国家低端消费市场。主要原因在于我国苹果优质果率低。国家质量监督检验检疫总局调查数据显示，我国苹果优质果率为35%左右，达到出口要求的苹果所占比例不足5%；反观美国、日本等发达国家，优质果率高于70%，可供出口的苹果达50%[3]。采后苹果质量的提升依赖于采后商品化的处理，尤其是对规范苹果市场、促进出口有重要作用的采后分级处理。目前，我国苹果分级处理主要依据形状、大小、颜色等外部品质。可溶性固形物含量（Soluble solids content, SSC）、硬度等内部品质检测一般采用化学方法，抽样检查，破坏性强，耗时耗力，在实际分级操作中难以执行。发展苹果内部品质的无损检测技术是提高苹果采后分级处理能力的重要措施。便携式检测仪器是一种具有良好移动性的以手部操作为主的工业仪器[4]。随着各种低功耗电子元器件的开发使用以及嵌入式系统的深入研究，各个行业都在进行便携式检测仪器的应用推广[5]。开发便携式苹果内部品质检测分级仪有助于便捷、快速、高效、无损地进行苹果采后分级处理，对提高我国苹果采后分级处理能力、国际市场竞争力，推动我国苹果乃至整个水果产业的发展具有重要意义。
1 仪器设计的可行性分析
1.1 便携式检测仪器在水果无损检测方面的应用现状
农产品无损检测技术是利用自身的力学、光学、电学及声学等物理性质对其品质进行非破坏性检测，并按照一定标准对其进行分级分选的新兴技术[6]。目前，光谱技术和机器视觉技术因其无损、快捷、高效等特点，被广泛应用于水果检测中，相关便携式检测仪器的开发也从理论研究走向生产应用。美国Ocean Optics公司的ACCUNIR2200型便携式水果品质分析仪、日本Kubota公司的KBA100R型水果品质检测仪、日本Towa公司的TD2000C型水果内部品质分析仪、意大利Unitec公司的JC10QS300无损伤检测设备以及中国聚光科技公司的Sup NIR1000系列便携式水果无损检测仪是已经投入生产销售的部分基于近红外光谱技术的便携式水果内部品质检测仪，可用于检测部分水果的SSC、硬度和酸度等[7]。樊书祥[1]等设计了一种高效获取苹果光谱信息的环形光纤探头，结合微型光谱仪及WinCE嵌入式操作系统，开发了便携式苹果可溶性固形物含量光谱检测仪。经验证，该仪器基本满足苹果SSC的便携、快速、无损检测，但检测装置的稳定性和预测精度有待进一步提高。翟建龙[8]等开发了一种基于微型光谱仪MircroNIR1700和Android平板的便携式水果无损检测装置，实现对脐橙SSC、pH和皮厚的检测。康志亮[9]等设计了一款基于嵌入式微处理器的便携式水果损伤检测装置，装置采用可见光/近红外光漫反射原理，实现了对遭受机械损伤的苹果与无损伤苹果的判别，正确率达到90%以上。
目录
摘要1
关键词1
Abstract1
Key words1
引言1
1 仪器设计的可行性分析2
1.1 便携式检测仪器在水果无损检测方面的应用现状2
1.2 激光散斑技术和模型建立研究现状2
2 仪器设计与开发3
2.1 系统整体设计3
2.2 硬件选型4
2.2.1 嵌入式开发板4
2.2.2 显示屏5
2.2.3 半导体激光发射器6
2.2.4 工业相机7
2.2.5 其他8
2.3 软件开发8
2.3.1 嵌入式操作系统的选择8
2.3.2 软件模块开发8
2.4 交互界面操作流程9
3 仪器效果验证 10
3.1 材料与方法10
3.1.1 试验材料10
3.1.2 试验仪器10
3.1.3 试验方法11
3.2 结果与分析11
4 结论与展望12
致谢13
参考文献14
附录A 便携式苹果内部品质检测分级仪外观三维建模图15
附录B 便携式苹果内部品质检测分级仪内部结构三维建模图16
附录C 便携式苹果内部品质检测分级仪内部结构三视图（真实）17
附录D 便携式苹果内部品质检测分级仪内部结构三视图（隐藏） *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
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图21 便携式苹果内部品质检测分级仪外观图4
图22 便携式苹果内部品质检测分级仪内部结构图4
图23 便携式苹果内部品质检测分级仪工作流程图4
图24 树莓派B+微处理器实物图5
图25 显示屏实物图6
图26 半导体激光发射器实物图7
图27 工业相机实物图7
图28 开始界面9
图29 参数设置界面9
图210 拍摄条件界面10
图211 图像采集界面10
表21 嵌入式开发板技术参数5
表22 显示屏技术参数6
表23 半导体激光发射器技术参数7
表24 工业相机技术参数8
表31 品质指标分级11
表32 苹果样品品质指标11
表33 SSC分级准确率统计表12
表33 硬度分级准确率统计表12
基于激光散斑技术的便携式苹果内部品质检测分级仪设计
引言
我国是世界上最大的水果种植及生产加工国，其中，苹果是产量最高、出口量最大的果品[1]。2016年我国苹果出口量突破130万吨，较2015年增长59%；出口额达到14.5亿美元，较2015年增长14%，第一次成为世界最大的苹果出口国。2016年苹果出口平均单价为6.8元/kg，较2015年降低0.6元/kg，而进口平均单价高达11元/kg[2]。虽然我国苹果出口量呈增加趋势，但是出口平均单价低，只能占据邻近国家低端消费市场。主要原因在于我国苹果优质果率低。国家质量监督检验检疫总局调查数据显示，我国苹果优质果率为35%左右，达到出口要求的苹果所占比例不足5%；反观美国、日本等发达国家，优质果率高于70%，可供出口的苹果达50%[3]。采后苹果质量的提升依赖于采后商品化的处理，尤其是对规范苹果市场、促进出口有重要作用的采后分级处理。目前，我国苹果分级处理主要依据形状、大小、颜色等外部品质。可溶性固形物含量（Soluble solids content, SSC）、硬度等内部品质检测一般采用化学方法，抽样检查，破坏性强，耗时耗力，在实际分级操作中难以执行。发展苹果内部品质的无损检测技术是提高苹果采后分级处理能力的重要措施。便携式检测仪器是一种具有良好移动性的以手部操作为主的工业仪器[4]。随着各种低功耗电子元器件的开发使用以及嵌入式系统的深入研究，各个行业都在进行便携式检测仪器的应用推广[5]。开发便携式苹果内部品质检测分级仪有助于便捷、快速、高效、无损地进行苹果采后分级处理，对提高我国苹果采后分级处理能力、国际市场竞争力，推动我国苹果乃至整个水果产业的发展具有重要意义。
1 仪器设计的可行性分析
1.1 便携式检测仪器在水果无损检测方面的应用现状
农产品无损检测技术是利用自身的力学、光学、电学及声学等物理性质对其品质进行非破坏性检测，并按照一定标准对其进行分级分选的新兴技术[6]。目前，光谱技术和机器视觉技术因其无损、快捷、高效等特点，被广泛应用于水果检测中，相关便携式检测仪器的开发也从理论研究走向生产应用。美国Ocean Optics公司的ACCUNIR2200型便携式水果品质分析仪、日本Kubota公司的KBA100R型水果品质检测仪、日本Towa公司的TD2000C型水果内部品质分析仪、意大利Unitec公司的JC10QS300无损伤检测设备以及中国聚光科技公司的Sup NIR1000系列便携式水果无损检测仪是已经投入生产销售的部分基于近红外光谱技术的便携式水果内部品质检测仪，可用于检测部分水果的SSC、硬度和酸度等[7]。樊书祥[1]等设计了一种高效获取苹果光谱信息的环形光纤探头，结合微型光谱仪及WinCE嵌入式操作系统，开发了便携式苹果可溶性固形物含量光谱检测仪。经验证，该仪器基本满足苹果SSC的便携、快速、无损检测，但检测装置的稳定性和预测精度有待进一步提高。翟建龙[8]等开发了一种基于微型光谱仪MircroNIR1700和Android平板的便携式水果无损检测装置，实现对脐橙SSC、pH和皮厚的检测。康志亮[9]等设计了一款基于嵌入式微处理器的便携式水果损伤检测装置，装置采用可见光/近红外光漫反射原理，实现了对遭受机械损伤的苹果与无损伤苹果的判别，正确率达到90%以上。
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