振动法鸡蛋新鲜度检测系统设计

石明吉， 崔新雨， 刘新裕， 王明利， 贾代园

(南阳理工学院数理学院 河南 南阳 473004)

0 引言

鸡蛋是一种营养丰富又易被人体消化吸收的食品，它与肉类、乳制品、蔬菜一样是人们日常生活中的重要营养食品之一。如果保存不当，鸡蛋会变质，食用了变质鸡蛋会引起中毒，导致腹泻、腹痛、恶心等症状，严重时还会导致死亡。鸡蛋的品质好坏不一，在收购、贮存、加工、销售和出口时，必须严格检验鸡蛋的新鲜度，剔除变质鸡蛋[1,2]。

国内外检测鸡蛋新鲜度的方法主要有：感官鉴别法、光照透视鉴别法、蛋的密度测定法、荧光检验法和哈夫单位鉴别法等[3,4]。近年来，一些新的方法和技术不断涌现，如蛋白PH值检测法、挥发性盐基氮(TVBN)含量检测法、可见/近红外光谱检测法、机器视觉检测法、拉曼光谱检测法、电子鼻检测法、介电特性检测法和低场核磁检测法等[5-8]。各种方法都具有自身的一些优点，但也都存在一些不足：感官鉴别法主要依凭经验，准确度不高，且检测费时费力；PH 值检测和TVBN检测需要将鸡蛋打开进行测试，使鸡蛋受损；由于光学特性和机器视觉检测技术受到鸡蛋表面洁净度、蛋壳的颜色、蛋壳厚度等因素影响很大，因而准确度也会有所降低。另外，上述新方法需要使用光源、色谱仪、摄像机、计算机等设备，设备庞大，方法复杂，成本高，不易推广使用[9]。因此，有必要设计一种智能、快速、无损的鸡蛋新鲜度的检测系统，以满足使用需求[10,11]。

1 振动法检测原理

振摇法是民间广泛使用的鸡蛋鉴别法，将鸡蛋拿在手中振摇，没有声响的是好蛋，有声响的是散黄蛋。振摇法的理论依据是新鲜的鸡蛋蛋清富含蛋白，像蜂蜜一样粘稠，而存放久的鸡蛋，蛋白蛋黄都会氧化分解，变成水样物质。当鸡蛋振动时，新鲜的鸡蛋有厚实感，不新鲜的鸡蛋会有水流动声。说明新鲜鸡蛋的蛋白和蛋黄呈胶体状，像是一个整体，参与振动时能量损耗慢；存放久的鸡蛋，参与振动时能量损耗快。

因此，可以设计一个装置让鸡蛋振动起来，依据振动衰减的快慢判断鸡蛋的新鲜度。为便于操作，搭建了复摆装置，复摆下端固定一个蛋筐，将鸡蛋放入蛋筐内，拉开一定的角度后释放，让鸡蛋振动起来，通过检测振动衰减快慢判断鸡蛋的新鲜度。

2 硬件设计

2.1 整体框图

系统框图如图1所示，由红外传感器模块1、红外传感器模块2、51单片机、显示模块、按键模块、继电器模块、电磁铁和电源等构成。

鸡蛋放入复摆上的蛋筐内，给单片机上电，单片机向继电器发信号，继电器动作给电磁铁供电，手动将复摆拉开一定角度，电磁铁吸住复摆上的铁片，将复摆保持在一定的摆角；按下按键，单片机给继电器发信号，继电器动作给电磁铁断电，释放摆动装置，摆动装置开始摆动，固定在摆动装置上方的挡光条跟随鸡蛋一起摆动，依次扫过红外传感器模块1和红外传感器模块2，单片机检测红外传感器模块1和红外传感器模块2的信号进行计数计时。根据计时的长短可以确定鸡蛋的新鲜度。

图1 系统框图

图2 两端安装轴承的复摆

2.2 轴承的使用

在实际的振动系统中，除粘性阻尼外，还有干阻尼(例如轴承内或零件接合处的摩擦作用)等其他能量损耗。复摆两端安装有两个轴承，如图2所示。安装时压进两支柱的凹口内，保证复摆摆动的时候非常灵活，轴承摩擦损耗的能量非常少，可以忽略不计。除空气阻力损耗外，主要的能量损耗是由鸡蛋内部造成，突显出鸡蛋的特征，便于检测鸡蛋的新鲜度。

2.3 红外传感器和挡光条的使用

利用两个红外传感器模块和挡光条测量复摆的振幅从初始值衰减到设定值所用时间，结构如图3所示。将复摆开始摆动时的振幅作为振幅初始值。红外传感器模块1(左侧)和红外传感器模块2(右侧)利用支架固定在复摆平衡位置一侧且靠近平衡位置，红外传感器模块1和红外传感器模块2之间的距离略大于挡光条宽度。红外传感器模块1所在位置对应的振幅即振幅设定值。当复摆开始摆动的时候，上面的挡光条依次扫过红外传感器模块1和红外传感器模块2，单片机对红外传感器模块1和红外传感器模块2的输出信号分别计数，计数之差为1或0，单片机同时计时。随着摆动振幅逐渐减小，当挡光条无法遮挡外侧的红外传感器模块，回扫到内侧的红外传感器模块时，计数值的差变为2，单片机停止计时并将摆动的时间通过显示模块进行显示，这个时间就是振幅从初始值衰减到设定值所用时间。

图3 红外传感器和挡光条结构

2.4 电磁铁的使用

利用电磁铁确保每次测量时振幅的初始值相同。电磁铁上电时可以吸引复摆上的铁片将复摆拉开一定的角度，断电时释放复摆，保证每次测量时振幅的初始值是相同的，这样检测不同鸡蛋时振幅从初始值衰减到设定值所用的时间才具有可比性。

3 软件设计

3.1 系统主程序设计

如图4所示，电路启动后，首先程序初始化，然后系统判断设置按键是否有动作，如果检测到设置键被按下，说明继电器断开，使电磁铁磁性消失。容器中的鸡蛋开始做单摆运动，紧贴鸡蛋容器后侧的塑料片也随之做相同的单摆运动，塑料片在摆动时经过两个红外传感器，信号采集模块开始计数，随着时间的增加，单摆幅度会随之减弱，当两个采集传感器的差值大于等于2时，单片机根据实际电路进行处理和计算，最后显示鸡蛋振幅衰减到设定值所用的时间。

图4 主程序流程图

3.2 按键程序设计

从图5可以看出，系统在通电后开始工作时，首先要初始化，然后系统判断设置按键是否有动作，程序默认的是低电平，如果检测到按键被按下，则输出高电平信号，继电器电路处于常开状态。

图5 按键程序流程图

图6 信号检测程序流程图

3.3 信号检测程序设计

如图6所示，系统通电复位后，单片机程序与端口进行初始化，传感器开始工作。首先判断传感器1是否检测到信号，若检测到信号，则计数器使k+1并进入到传感器2的判断；若传感器1未检测到信号，则也进入到传感器2的判断。若传感器2检测到信号，则计数器使s+1，并判断k与s的差值是否大于等于2；若传感器2没有检测到信号，则进入差值判断。当k与s的差值大于等于2时，输出信号，否则作为系统输入重新开始判断。

4 实验检验

从超市购买新鲜鸡蛋6枚作为新鲜鸡蛋的样本，另取6枚在室温下存放了3个月的鸡蛋作为变质鸡蛋样本，利用本系统依次进行测量。测量时，将鸡蛋放入蛋筐内，给单片机和电磁铁通电，手推摆的上端，让电磁铁吸住圆形铁片，系统稳定后，按下按键，电磁铁断电的同时单片机开始检测。摆动的时候，上面的挡光条依次扫过两个红外传感器模块，单片机对两个红外传感器模块的输出信号分别计数，计数之差为1或0，单片机同时计时。随着摆动振幅逐渐减小，最终挡光条无法遮挡外侧的红外传感器模块，回扫到内侧的红外传感器模块时，计数只差变为2，单片机停止计时并将摆动的时间通过显示模块进行显示，这个时间就是振幅从初始值4 cm衰减到设定值2 cm所用时间。

6枚新鲜鸡蛋测量得到的时间分别是38.23 s、30.38 s、31.83 s、33.73 s，34.74 s和31.84 s，平均值为33.54 s。测量6枚变质鸡蛋得到的时间分别是28.12 s、27.79 s、28.26 s、28.32 s、26.95 s和27.66 s，平均值为27.85 s，结果如图7所示。新鲜鸡蛋与变质鸡蛋的差别显著，说明本装置对鸡蛋的新鲜程度比较敏感，完全可以区分新鲜鸡蛋和变质鸡蛋。

图7 振幅衰减到设定值所用时间

5 结论

针对目前鸡蛋新鲜度检测不及时、误差大、有损和操作麻烦等问题，结合现代单片机技术、传感器检测技术和LCD显示技术，设计开发了基于单片机的鸡蛋新鲜度检测系统。

振动时鸡蛋的内部能耗与鸡蛋的新鲜程度有关，新鲜鸡蛋能耗小，振幅衰减慢；变质鸡蛋能耗大，振幅衰减快。通过测量鸡蛋振幅从初始值衰减到指定值所用时间可以实现对鸡蛋新鲜度的检测，检测数据较好。

本文设计的鸡蛋新鲜度检测装置可对振幅衰减快慢进行直接测量，结构简单，原理精巧，可推广到其他领域的振动研究中，具有一定的现实意义。