鸡蛋破损自动检测系统

1、毕业设计（论文） 摘要 院毕业设计（论文）题 目 鸡蛋破损自动检测系统 英文题目 research for automatic detection of detection of eggshell crack 学生姓名 班 级 指导教师 专 业 自动化 二零零六年六月4摘要在鸡蛋加工过程中,剔除损壳蛋是保证加工质量及节约成本的一道重要工序。目前常用的方法是人工检测法，这种方法不仅操作工作条件差，劳动强度大，而且检测效果不高，因此，探寻科学实用的鸡蛋破损检测技术是一项非常有意义的工作。本文首先探索鸡蛋破损的声音检测法。好壳蛋和损壳蛋在被其他物体碰撞时，蛋壳会发出不同的声音，好壳蛋蛋壳发出的声音清

2、脆，而损壳蛋蛋壳发出的声音沙哑，沉闷。利用这一特点，构建了拾音器声卡计算机检测系统，试验研究采集敲击鸡蛋的声音信号，再将敲击鸡蛋的模拟信号转换成能被计算机处理的数字信号，然后对敲击鸡蛋的声音信号进行频谱分析找出区分损壳蛋与好壳蛋的显著性因子，依据这些影响因子，运用bayes判别原理，分别建立好壳蛋与损壳蛋的判别模型，并依据判别模型判断鸡蛋蛋壳是否破损。运用这种检测方法能够判别鸡蛋蛋壳是否破损。其次，在软件设计方面，本文运用visual c+编制检测试验程序采集数据，从而设计出鸡蛋破损检测判别模型。依据此研究方法和模型，运用visual c+编制出基于windows系统的鸡蛋破损声音检测程序，该

3、程序可以对敲击鸡蛋蛋壳发出的声音信号进行采集、分析处理并判别出鸡蛋蛋壳是否破损。 最后，在硬件设计方面，本研究包括两个方面的工作，一是自动敲击装置的设计，它是由555芯片和一些电子元件构成的多谐振荡电路部分以及与其配套的机械装置部分构成，它能够对鸡蛋自动连续地敲击，并且能够灵活改变敲击的频率和力度。 关键词破损检测； 自动敲击装置； 声音采集毕业设计（论文） abstract abstractgetting rid of cracked eggshells is an important procedure for guaranteeing quality of processing chic

4、ken eggs and saving cost . detecting chicken eggs by hand not only is badness for its working conditions and laboring intension, but also the efficiency is very low . so finding a scientific, applicable and fast detecting method for removing cracked eggshells is very urgent in this paper, first, we

5、should explore an acoustic impulse method to detect chicken eggshells.the sound is different between normal chicken eggshells and cracked chicken eggshells when being knocked by stiffer materials; the sound of normal eggshells is very silvery and sonorous, while the sound of cracked eggshells is ver

6、y toneless and tedious. in the established microphone-sound blast-computer detecting system we carried out experiments, first collected the sound signals of chicken eggshells by the microphone, then converted analog signals into digital signals, and then we could make frequency chart for the sound s

7、ignal by the computer, after this we could find out remarkable factors that are affected to distinguish cracked eggshells and normal eggshells, then we made use of “bayes” discriminance according to these influence genes, we could establish the distinguishing functions of normal eggshells and cracke

8、d eggshells respectively .second, in this paper, we should program . we programmed the testing procedure by using visual c+, so we could acquire some testing data, and then we established distinguishing models . according to this research method and the model, we use visual c+ programming the proced

9、ure of detecting crack eggshells basing on the windows system . the procedure was programmed to collect sound signals and analyze signals and judge if the eggshell is cracked.at last, in this paper, we have done a job to deal with in hardware designing . that is the designing of automatically knocki

10、ng equipment, it consists the circuit with the 555-chip、some electronic components and the corresponding mechanic equipment . it could knock at duck eggshells qutomatically and continuously and it can alter the frquency and force of knocking neatly when it worked . keywordscrack detection ; equipmen

11、t automatically ; collect the sound signals毕业设计（论文） 绪论 目 录摘要关键词abstract1. 绪论11.1 课题研究意义11.2 禽蛋品质检测的国内外研究现状及其展望11.3 课题研究目标52. 破损检测系统的基本工作原理62.1材料与方法62.2破损检测参数的设定73. 破损检测系统设计103.1 系统的硬件设计103.1.1自动敲击电路的原理103.1.2 敲击装置结构及其工作过程143.2 系统的软件设计153.2.1 系统界面及其设计过程15 3.2.2 声音信号采集模块253.2.3 声音信号处理模块284. 结论与讨论334.1

12、 结论334.2 讨论33致谢34参考文献35附录137附录238绪论1.1 课题来源及研究意义鸡蛋含有人体所需要的各种营养成分，其中蛋白质含量在12%以上，脂肪含量在11%以上，且其组成比例非常适合人体需要，这些营养成分在人体内利用率非常高，同时鸡蛋经过加工，可以制成各种深受消费者喜爱的传统风味蛋制品如松花蛋、咸蛋等。鸡蛋由蛋壳、蛋清、蛋黄三部分组成。蛋壳的作用是保护蛋清和蛋黄，蛋壳由角质层、蛋壳组织和蛋壳膜三部分组成。新鲜蛋的蛋壳表面覆盖着一层黏液，这种无定形结构、透明、可溶性的胶质黏液干燥而形成的薄膜即角质层，完整的薄膜能透水、透气，但可抑制有害生物侵入蛋内。蛋壳组织是包裹在新鲜鸡蛋内容

13、物外面的一层硬壳，它使蛋具有固定形状并起着保护蛋清、蛋黄的作用，但其质脆不耐碰撞和挤压，蛋壳组织上有许多肉眼看不见的微小气孔，这些气孔是鲜蛋进行代谢的通道，同时它们对蛋品加工有一定的作用。蛋壳膜分内、外两层，两层膜在结构上大致相同，都是角质蛋白纤维交织成的网状结构，所不同的是外壳膜纤维纹理较紧密细致，细菌不容易通过，这两层膜的透过性比蛋壳小，对微生物均有阻止通过的作用，具有保护蛋内容物不受微生物侵蚀的作用，同时这两层薄膜还能防止蛋内水分大量挥发。蛋壳一旦破损，外界微生物就会很快进入蛋内，蛋就不能够再被食用；在蛋产品的加工过程中，若蛋壳破损，蛋内容物就会流入加工所用的料液中，污染整个料液，从而导

14、致加工质量难以保证。因此剔除损壳蛋是蛋产品加工过程中一道极其重要的工序。当前，在国内的鸡蛋加工厂中，剔除损蛋壳主要是依靠人工检测法，即通过操作工的感官来测定蛋壳破损。人工检测损壳蛋的方法劳动强度大，且其检测精度依据操作工的工作经验而异，此外，检测精度也因操作工的疲劳、情绪等受到影响，因此精度要求不能得到保证。因此，探寻科学的、实用的检测鸡蛋破损的自动化技术是迫切需要的。1.2 禽蛋品质检测的国内外研究现状及其展望当前，国内外对禽蛋品质检测主要有下列一些方法：利用光学特性检测禽蛋品质。光学无损检测的原理是：光能照射到物体上以后，一部分被外表面反射；一部分进入物体内遇到细胞结构或产生散射，或被物体

15、所吸收；其余部分则透过物体，这几部分比例的大小，取决于被照物体的表面状况、内部成分、折射率以及入射光的波长等因素，设入射光强为i，则根据朗伯定律，透射光强i由式（1-1）确定： i=ie=ie （1-1） 式中 a物体的吸收系数 a 散射系数 a 衰减系数 d 光透过物体的距离物体的透光程度常用光od值来度量，它是物体透射率（t=i/i）的倒数之对数，由式（1-1）可得 od=lg(1/t)=lg(i/i)=lge ( 1-2 )只要找出光密度od或透射率t与蛋内部品质之间的相关关系就可判断其新鲜度。吴守一等人分析了光密度和透射率与鸡蛋内部品质之间的相关关系，通过新鲜度追踪试验，找出了鸡蛋透射

16、率值与一般新鲜度指标（哈夫值、蛋黄指数、挥发性盐基氮）之间的相应关系，并建立了鸡蛋的新鲜度因子，得出了相应的等级分界值，为鸡蛋无损检测标准和设计鸡蛋新鲜度分级装置提供了理论参考。方如明等人为提高鸡蛋内部品质光特性无损检测的精度，建立了鸡蛋的光学模型，找出了整蛋、蛋内容物、蛋壳三者透射特性之间的关系，通过试验研究得到了鸡蛋内部品质指标（哈夫单位）与整蛋透射率、蛋壳颜色和外形参数之间的相关关系。陈斌等研究鸡蛋主要成分的光谱透射特性，分析它们的光谱透射曲线和存放时间的变化趋势，并对鸡蛋做了大量的跟踪试验，探索通过测量鸡蛋的光谱透射特性评价鸡蛋品质的新方法，为进一步设计全自动鸡蛋品质检测设备提供了有价

17、值的参考数据。利用计算机视觉检测禽蛋品质。机器视觉技术是70年代初期在遥感图片和生物医学图片分析两项应用技术取得卓有成效的成果后开始崭露头角的。现在，随着图像处理技术的发展与计算机硬件成本的下降及运行速度的提高，在农产品品质自动检测和分级领域应用机器视觉系统已变得越来越具有吸引力。农产品在其生产过程中由于受到人为和自然等复杂因素的影响，产品品质差异很大,如形状、大小和色泽等都是变化的，很难整齐划一，故在农产品品质检测与分析时要有足够的应变能力来适应情况的变化。机器视觉不仅是人眼的延伸，更重要的是具有人脑的部分功能，其在农产品品质检测上的应用正是满足了这些应变的要求。目前国外利用机器视觉进行农产

18、品品质自动识别研究的对象极其广泛，如梅、鸡蛋、黄瓜、玉米、竹笋、西红柿、辣椒、苹果和土豆等的大小、形状、颜色和表面损伤与缺陷等进行分级等等。机器视觉技术的特点是速度快、信息量大、功能多，以水果为例，可以一次完成多个品质指标的检测，还可以测量定量指标。应用机器视觉技术有利于设计自动分级流水线。因而机器视觉技术在农产品品质自动检测方面有很好的应用前景。goodrum等人利用机器视觉与图像处理来检测鸡蛋的蛋壳裂纹，准确率达到94%，可以与手工检测相媲美，但是检测效率不高。苏臣等人研究发现数字图像特征可以采用灰度直方图来描述：对应于每个灰度值，求出其图像中具有该灰度值的像素图形，用横轴代表灰度值，纵轴

19、代表像素数，因此它可描述了一幅图像的概貌，并具有提供图像中全体像素的特点，根据蛋白、蛋黄、胚胎发育蛋和无精蛋等因素分别分析了6种鸡蛋如新鲜蛋、搭壳蛋、散黄蛋、腐臭蛋、胚胎发育蛋和无精蛋的灰度直方图。从直方图上分析可以看到，新鲜蛋透射特性好，因此透射光强大，在灰度值250附近出现很高的波峰，由于新鲜蛋灰度级的像素数较集中，因而新鲜蛋的灰度直方图呈单峰波形，这为建立相应的自动化分选系统提供了理论依据。陈佳娟等人将计算机视觉技术与遗传神经网络相结合，建立一套适合于孵化鸡蛋可成活性自动检测的计算机视觉系统，通过计算机视觉技术获取了孵化鸡蛋的色度直方图，并提取了孵化鸡蛋表面颜色特征，采用遗传算法优化了多

20、层前馈神经网络的拓扑结构与权值，提高了神经网络的学习质量和学习速度，实现了孵化鸡蛋可成活性的自动检测，试验结果表明，该方法准确率较高，并具有鲁棒性和高速度。华中农业大学文友先等设计的鸡蛋品质无损检测与分级系统，也是运用机器识别的方法对鸡蛋蛋心颜色、蛋壳厚度、蛋的新鲜度以及蛋重进行检测，建立的模型能够使蛋心颜色检测在（2，2）级上的准确率达到91%，蛋重检测在（2，2）克上的准确率达到93%。蛋厚的准确率达到81%，新鲜度达到82%。利用电学特性检测禽蛋品质。禽蛋的电学特性是利用对鸡蛋的电导率差异，建立与之相关的模型来检测禽蛋的品质。刘熙等人对于不同新鲜度的鸡蛋进行了ph值、tvbn和电导率的检

21、测，通过对其结果的分析得出：随着鸡蛋新鲜度的降低，鸡蛋的电导率呈下降趋势；反之电导率升高。鸡蛋内容物不同组分之间的电导率值有明显的差异，以蛋清最高，蛋黄最低。并由此提出用电导率检测鸡蛋的电导率值作为判断鸡蛋的新鲜度的方法。沈林生等人设计研究出生物电鉴别受精蛋的检测装置如图1-1所示。系统由电极、鸡蛋夹紧装置、放大器、a/d采集器、计算机和监控示波器等组成。电极从蛋壳外采集的电信号送入放大器后，一路接入a/d采集器，经采样后送入计算机，供处理分析用。其研究结果表明，大部分受精蛋孵化48小时后其直流电位的波形呈现方波，而无精蛋近似于直线；通过在种鸡场对受精蛋检测装置的实测考核，其判别三胚龄腐化受精

22、蛋的准确率达到91.7%。放大器a/d采集器计算机示波器电极屏蔽器鸡蛋图1-1 鸡蛋生物电测试系统利用动力学特性检测禽蛋品质，其原理是建立禽蛋的冲击或振动特性与禽蛋的品质之间的相关关系。李其才研制了传感器装置及信号转换电路，利用动力学原理确定了禽蛋质量自动检测方法，建立了数学模型，提出了模型参数最优话的估算方法。其设计的自动检测系统由机械和电气两大部分构成，机械部分包括传动机构、放蛋圆盘、剪刀式持蛋夹、自动出蛋机构及收蛋盘等；电气部分包括驱动电机、各种检测传感装置、检测信号调理电路、专用单片机系统及键盘显示电路等。各种传感器装置分别安装在从入口到出口约半个放蛋圆盘空间的上部，被测禽蛋竖直放到圆

23、盘上的持蛋夹中，电动机驱动放蛋圆盘转动，当禽蛋随圆盘转动经过各种传感器装置时被检测，检测信号经单片机系统处理，根据处理结果，单片机发出不同的控制信号控制出蛋机构动作，禽蛋由不同的出蛋口“流”出，再由收蛋盆收集。刘信芳等人进行了不同材料上的鲜蛋的跌落试验和冲击试验，提出了动载作用下蛋的破损用能量加以描述，并为鲜蛋的储运、加工装备的设计提供了一定的依据。coucke通过分析鸡蛋的振动特性来检测鸡蛋的物理特性，为今后的进一步研究做了一定的理论基础。coucke研究介绍了以无破坏性冲击的振动频率来设定蛋壳特性，描绘了在最低响应频率时的三维振动模型（未损坏），并分析了蛋壳指标（赤道处厚度、宽度、形状指数

24、）与动态硬度值之间的相关性。利用声学冲击特性检测禽蛋品质，其原理是根据敲击禽蛋所产生的声脉冲振动，用频谱分析来研究禽蛋破损的品质特性，sinha对鸡蛋敲击所产生的声学共振特性分析鸡蛋的蛋黄小孔和裂纹。公茂法等人采用的机械敲击法，利用禽蛋被敲击时所产生的声音的大小和频率不同这一原理实现了简单的自动检测蛋壳裂纹的方法。该系统为提高自动检测的准确性，防止外来声音的干扰，而将声音传感器安装到一特制的共振筒上作为敲击部件，根据敲击产生的声音信号大小来判断鸡蛋有无裂纹。当无裂纹时，声音较大；当有裂纹时，声音较小。cho利用声脉冲频率特性研究了蛋壳裂纹检测仪，提高了裂纹检测精度。ketelaere等人利用声

25、学脉冲共振特性频率特性来检测蛋壳的裂纹，通过对整蛋的时间信号和频率信号分析与功率谱密度的分析，得出了利用振动鸡蛋的球形动态特性测量方法。在广泛学习和了解国内禽蛋品质检测的基础上，本文特别提出采用声检技术对鸡蛋破损进行检测，检测的基本原理：蛋壳一旦破损，蛋品结构的动力学参数就会发生改变，又因为声音的产生是由于物体的振动能量向空气中传送，从而产生振动，从振动力学角度来看，当结构出现裂纹时，结构的刚度和阻尼系数将随之变化，必然会反映到其模态固有频率和阻尼比上，经验数据表明，结构固有频率随着裂纹的加剧而下降，其阻尼比则随着裂纹的扩展而增大，尤其是较高频率的模态更为明显。由于阻尼比的增大，导致振动传播受

26、阻。因此，有裂纹的蛋品受冲击发生的声音沙哑沉闷，而完好蛋品发声清脆。在生产实践中，人工检测鸡蛋破损也是利用这一原理进行的。1.3 课题的研究目标本课题是在前期研究基础上进行的。前期研究中取得了一定的成果：探索出能够利用好蛋壳与损蛋壳被碰撞时发出的声音的差异，将损蛋壳与好蛋壳加以区分。存在的主要问题有：其一，采用声检法进行鸡蛋破损检测，必须要有能实现自动敲击鸡蛋蛋壳的敲击装置。自动敲击装置有其存在的必要性：一方面，使用自动控制的敲击装置敲击时能克服人为的不均匀；另一方面，使用自动敲击装置是实现自动化检测的必然要求。在本研究中，需探索出自动敲击装置的方案。其二，试验研究方法需要进一步改进。需探索新

27、的试验研究方法，以提高系统的检测精度。本课题制定如下目标：1. 通过一系列试验研究，探索鸡蛋破损检测的方法，建立鸡蛋破损检测的最优化模型。2. 完成系统的输入设计。输入部分是利用visual c+软件设计程序，将敲击蛋的声音信号采集到内存，并对其分析处理，然后做出判别。3. 硬件设计部分。探索出鸡蛋破损检测自动敲击装置的方案,以完成自动敲蛋，并且可以自动改变敲击装置的力度和频率。毕业设计（论文） 破损检测系统的基本工作原理2破损检测系统的基本工作原理本系统主要是利用visula c+编制程序来实现对声音信号的采集和处理工作。我们事先收集一些好蛋和损蛋在被敲击时发出的声音信号在数据库中。在本次设

28、计中我们通过用敲击装置来敲击被检测的鸡蛋，使其发出声音，然后通过麦克风传送信号到计算机的声卡进行a/d，再利用visula c+编制的程序来进行对被采集到的信号进行一系列的处理，再与以前收集到的数据库中信号比较，从而判别出被检测的鸡蛋是好蛋还是损蛋。本系统检测装置框架图如下：判别模型激励装置计算机控制部分受检鸡蛋声音传感pcma/d数据采集系统输出装置声音信号频谱分析声音频谱参数 图2-1检测系统框图2.1 材料与方法试验装置由敲击装置、声音采集和处理系统组成。敲击装置由尼龙塑料棒和橡胶圈组成,橡胶圈的材料和输送带的材料类似,被检测的鸭蛋放在橡胶圈上,用塑料棒敲击。声音采集和处理系统的核心是一

29、台pc机,机内装有creative vibra 128 pci 型声卡,声卡上连有一型话筒用来拾取声音信号。为方便分析处理,采用visula c+ 语言编制声音采集和处理的程序是一个用于信号处理和控制系统建模的软件包,以它作为平台,可以利用函数库编写和运行vc+ 文件程序。用它作信号处理和分析工具,方便实用，且人性化。在编制的试验软件中,用recordwave() 函数采集模拟声音信号,采样频率为22050hz ,采样点数为512 ,数据采集后,先进行滤波处理,再进行功率谱分析。2.2 破损检测参数的设定本课题对前期的研究加以参考分析，将其中具有的显著特征的变量保留，再加以其它一些显著因子，从

30、而探索新的检测方法。在鸡蛋破损声检法研究中，被认为具有显著特性的变量主要有共振峰频率、功率谱大小以及共振峰的数量，在研究功率谱时，从得到的功率谱分析中发现具有显著特征的变量还有功率谱的质心。为了探索新的显著因子，首先从每个蛋的一次敲击中提取四个特征变量，它们是：1. 功率谱面积（area）其中 pi是每一个频率对应的功率谱幅值 k是采样的样本个数2. 共振峰频率（fres）其中 pi是每一个频率谱幅值对应的功率值3. 功率谱面积在x轴方向上的质心(cx)4. 功率谱面积在y轴方向上的质心(cy) 将每敲击一次鸡蛋得到的采样值，进行功率谱分析得到上述四个变量值，再对每一个蛋敲击多次后得到上述四个

31、变量的平均值，取极差（最大值与最小值之差），作为判别好蛋与损蛋的特征变量，处理之后共有8个变量，它们分别是：1.功率谱面积的平均值（x1） 其中 n -敲击次数（以下同） i=（0，1，.n-1）2.最大功率谱面积与最小功率谱面积的差值即极差（x2）3.x坐标方向上质心的平均值（x3）4.x坐标方向上质心最大值和最小值之间的差值（x4）5.y坐标上质心平均值（x5）6.y坐标方向上质心最大值和最小值之间的差值（x6）7.共振峰的频率的最大值的平均值（x7）8.共振峰频率的最大值与最小值之间的差值（x8）参照参考文献10的数据分析可对上面8个特征变量进行讨论，看可以用来区分好壳蛋与损壳蛋的特征变

32、量有哪些：第一、功率谱的平均值：好蛋的功率谱面积平均值集中在800以下，只有少数的几个大于800，而损蛋的功率谱面积的平均值一般在800以上，因此可以利用它作为区别好蛋与损蛋的标准之一。第二、功率谱面积的极差：好蛋与损蛋的功率谱面积的极差几乎是混在一起的，这样就很难找出规律性和一个区分好壳蛋与损壳蛋的界限值，因此不能作为判别鸡蛋是否破损的标准。第三、x坐标方向上质心的平均值（x3）：好蛋与损蛋在x坐标方向上质心的平均值的差异不是很大，因此也不能作为判别鸡蛋是否破损的标准。第四、x坐标方向上质心最大值和最小值之间的差值（x4）：好蛋与损蛋这个特性参数也不具有显著的差别，因此我们可以将其排除在检测

33、标准之外。第五、y坐标上质心平均值（x5）：好蛋和损蛋的y坐标上质心平均值有很少一部分是混在一起的，但是损蛋在y坐标上质心平均值总体比好蛋要大，因此我们可以把它作为区别好蛋与损蛋的一个标准。第六、y坐标方向上质心最大值和最小值之间的差值（x6）：好蛋与损蛋在y坐标方向上质心最大值和最小值之间的差值也只有很少一部分混合在一起，因此我们也可以将其作为判别被检测鸡蛋是否破裂的标准之一。第七、共振峰的频率的最大值的平均值（x7）：好壳蛋与破损蛋的共振峰的频率的最大值的平均值之间存在着很大的差异。好壳蛋的声音清脆而破损蛋的声音沙哑，所以好壳蛋的共振峰的频率的最大值的平均值一般要比损壳蛋的大，二者的区别十

34、分明显，因此可以考虑把它作为判别好壳蛋与损壳蛋的一个标准。第八、共振峰频率的最大值与最小值之间的差值（x8）：好壳蛋与破损蛋的共振峰频率的最大值与最小值之间的差值有很少一部分混合在一起，但好壳蛋的极差值分布相对集中，大部分都小于2000，损壳蛋的极差值分布相对分散，分布在2000到5500之间。因此我们可以将其作为判别好蛋还是损蛋的标准之一。综上所述，我们可以选出区分好蛋还是损蛋的5个特征变量，它们分别是功率谱面积的平均值（x1）、y坐标上质心平均值（x5）、y坐标方向上质心最大值和最小值之间的差值（x6）、共振峰频率的最大值的平均值（x7）、共振峰频率的最大值与最小值之间的差值（x8）。因为

35、其他3个变量它们对区分好与损壳蛋不是很明显，需要一定的时间去判别，而选取这5个特征变量用它们来判别好与损壳蛋的话，计算速度会比较快。根据参考文献10中提出的判别好壳蛋还是损壳蛋的参考函数如下：损蛋的判别函数：g1=-0.33664x1+36.79413x5+4.86638x6+0.00161x7+0.00327x8-184.97771好蛋的判别函数：g2=-0.29493x1+32.37701x5+4.65582x6+0.00315x7+0.00268x8-152.38791其中看g1、g2的值来确定所检测的鸡蛋到底是好壳蛋还是损壳蛋，如果g1>g2说明是所检蛋是好壳蛋，反之则是损壳蛋。

36、毕业设计（论文） 破损检测系统设计 3. 破损检测系统设计破损检测系统的设计分为两个部分：分别是硬件设计和软件设计，其中软件设计是利用语言编程来实现对声音信号的采集、滤波、以及模型判别，得出所检鸡蛋蛋壳的好与坏，硬件设计就是实现对鸡蛋的敲击。3.1 系统的硬件设计本系统的硬件设计有敲击电路电路设计和敲击装置两部分，其中敲击电路要能实现对敲蛋力度与敲蛋频率的控制，而敲击装置只是用一种机械代替人工的装置实现敲蛋。3.1.1 自动敲击电路的原理自动敲击装置电路的原理图如图3-1所示： 图3-1 敲击装置的电路图在自动敲击装置的设计中，对敲击装置的要求主要有两方面：一是敲击的力度控制。敲击力的大小即要

37、保证不能将鸡蛋敲破，又要求敲击的力度足够大以保证敲击鸡蛋时能够发出足够的声音量；二是敲击的频率的控制。敲击的快慢对采集声音信号有一定的影响，在实验中要求能够对敲击频率进行控制调节，选择合适的供电功率与电压值以控制敲击的力度；调节电路中的可变电阻的阻值，以实现实时改变敲击的频率。上面所设计的电路正好能控制下面所设计的敲击装置的敲击频率和敲击力度，达到恰当敲击鸡蛋的目的。本电路是由555芯片和一些电子元件构成的多谐振荡电路来产生矩形波，进而驱动继电器，使继电器的常开与常闭触点断开与闭和的状态由555芯片的输出电平来控制，从而有效地控制电磁铁的得电和失电达到控制敲击装置的敲击频率的目的。 下面简要介

38、绍一下555定时器：555定时器是一种多用途的数字-模拟混合集成电路，利用它能及方便地构成施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器。这里我就选择了利用它与别的元器件构成多谐振荡电路。它主要由三个5k电阻组成的分压器、两个高精度电压比较器、一个基本rs触发器，一个作为放电通路的三极管及输出驱动电路组成 。下面即是对各部件的简要介绍： （1）基本rs触发器 555芯片内的基本rs触发器选择用两个与非门组成的， 且专门设置的可从外部进行置0的复位端，当 r=0时输出状态为0状态。rs触发器的特性表如表3-1所示： 表3-1 rs触发器的特性表 s r q(n) q(n+1) 1100111101010

39、1111000101000010011（2）比较器a1、a2是两个电压比较器。比较器有两个输入端，分别标有+号和-号，如果用u+和u-表示相应输入端上所加的电压，则当u+>u-时其输出为高电平，u+<u-时输出为低电平，两个输入端基本上不向外电路索取电流，即输入电阻趋近于无穷大。 （3）分压器三个阻值均为5k的电阻串联起来构成分压器（555也因此而得名），为比较器a1和a2提供参考电压，a1之+端u+=2vcc/3、c2之-端u-=vcc/3。如果在电压控制端ao另加控制电压，则可改变a1、a2的参考电压。工作中不使用ao端时，一般都通过一个电容接地，以防止旁路高频干扰。（4）晶体

40、管开关和输出缓冲器晶体管t构成开关，其状态受基极端控制，当基极为0时t截止、为1时t导通。输出缓冲器就是接在输出端的反相器q非上，其作用是提高定时器的带负载能力和隔离负载对定时器的影响。555定时器内部工作过程的描述：设比较器a1的输入端（也称阈值端，用th标注）电压为v（引脚6）。比较器a2的输入端（也称触发端，用标注）电压为v（引脚2）。a1和a2的参考电压v和v是由vcc经三个5k的电阻分压给出。在控制电压输入端vco（引脚5）悬空时，v=2/3vcc，v=1/3vcc。如果vco外接固定电压，则v=vco，v=1/2vco。mr（引脚4）是置零输入端。只要在mr端加上低电平，输出端便立

41、即被置成低电平，不受其它输入端状态的影响。正常工作时必须使mr处于高电平。由图3-2可知，当v> v、v> v时，比较器a1的输出为0、比较器a2的输出为1，基本rs触发器被置0，t导通，同时输出为低电平。 当v< v、v> v时，比较器a1的输出为1、比较器a2的输出为1，触发器的状态保持不变，因此t和输出的状态也不变。 当v< v、v< v时，比较器a1的输出为1、比较器a2的输出为0,故触发器被置1，输出为高电平，同时t截止。 当v> v、v< v时，比较器a1的输出为0、比较器a2的输出为0，触发器处于q=/q=1的状态，vo处于高电平，

42、同时t截止。555的功能描述如表3-2所示表3-2 555功能表输 入输 出mrvvvot状态0××低导通1>2/3vcc>1/3vcc低导通1<2/3vcc>1/3vcc不变不变1<2/3vcc<1/3vcc高截止1>2/3vcc<1/3vcc高截止图3-2 555集成定时器内部电路结构图为了提高电路的带负载能力，还在输出端设置了一个缓冲器。如果将引脚7端经过电阻接到电源上，那么只要这个电阻的阻值足够大，输出vo为高电平时，7脚也一定为高电平，输出vo为低电平时，7脚也一定为低电平。555定时器能在很宽的电源电压范围内工作，

43、并可以承受较大的负载电流。双极型555定时器的电源电压范围为5-16v，最大的负载电流达200ma。555集成定时器的外围主要由可变电阻r1（0120k）、电阻r2（120k）、电容cp（6.8f）、二极管d1,d2（为了使电容的充电电流和放电电流流经不同的路径，充电电流只流经r1，放电电流只流经r2）、omron g2r-1继电器以及电磁铁组成。电源ucc对电容cp不断的充放电，在555的输入端3上连续地输出高低电平。当3端输出高电平时，即就是uc的电位从ucc充电上升至ucc所需要的时间，用符号t1表示： t1r1*cp*ln2=0.7*10*10*6.8*10=0.047s (3-1)式

44、中r1可变电阻的阻值在算t1的时候是取了一个大概值。当3端输出低电平时，即就是ucc电位从ucc放电下降至ucc所需要的时间，用符号t2表示： t2r2*cp*ln2=0.7*120*10*6.8*10=0.5712s (3-2)式中所取的时间t2是最短的，因为当可变电阻在调节的时候，放电电流所流经的电阻值会超过120k。当555集成定时器输出端3输出高电平时，它就能提供驱动继电器的电压，使继电器的常开触点闭合、常闭触点打开，这时接在继电器常开触头两端的电磁铁得电动作通过与电磁铁连接的机械装置，实现对鸡蛋进行自动敲击；当555集成定时器输出端3输出低电平时，电磁铁不动作。由上述可知，继电器得电

45、时间为t1，失电时间为t2，比较计算结果可知t1<<t2，所以满足实际所需的即要求敲击装置电磁铁得电时间短，失电时间长，敲击才轻巧，明快而富有弹性，敲击的效果好。555集成定时器输出端3的输出电压u0如图33所示： u0高电平低电平t 图3-3 方波输出fig.3.3 wave figure of circuit从波形图上可以直观的看出，u0能连续地输出方波信号。占空比是输出高电平的时间比输出波的周期q=t1/t，又因为输出高电平的时间与可变电阻r1有关如式3-1可得，所以我们可以通过改变电阻阻值轻松地改变占空比，从而来实现对敲击频率的控制。3.1.2 敲击装置结构及其工作过程设计

46、的自动敲击装置图（见附录1）装置主要由机架、电磁铁、转动架、敲击杆、敲击锤等部分组成。所设计装置的工作原理：由上面所设计的敲击电路系统控制继电器的常开及常闭触点进而控制电磁铁的通断电（当敲击电路系统输出高电平时，继电器的常开触点闭合、常闭触点断开， 这时接在继电器常开触头两端的电磁铁得电动作，反之电磁铁将不动作），电磁铁的得电与失电动作将直接带动连接在其一端的转动架转动，由于转动架转动，通过固定螺母固定在转动架上的摆动杆摆动，进而带动连接在其上面的敲击杆摆动，则连接在敲击杆上的敲击锤就会随着敲击杆的摆动实现对鸡蛋的自动敲击。附录11 夹板 2 支架 3 连接板4 机架5 电磁铁6 紧固螺栓 7

47、 转动架 8 固定螺帽9 摆动杆10 紧固螺栓11 敲击杆12 敲击锤3.2 系统的软件设计本系统采用多线程程序设计方法，采用多线程进行数据采集与处理可以有效的加快程序的反映速度、提高执行效率。程序设计中需要处理用户的输入，而用户的输入速度与cpu的执行速度之间相差非常大。本系统程序设计中采用了主线程中连续采集声音信号，在处理线程中对采集的数据进行处理操作的方法。这样的设计结构可以保证采集的实时性和准确性，又可对采集的数据实时处理。程序设计的总框图如图33所示。初始化模块声音采集模块声音处理模块参数修改 图3-3 程序设计的总框图这整个流程的程序设计是由visual c+做的，因为我所做的这个

48、系统界面是面向对象程序设计的，作为主要的面向对象程序设计语言，c+具有使用简便，扩展灵活及代码重用性好等重要优点。visual c+是一个优秀的c+版本。visual c+能自动生成应用程序框架，提供标准化的程序结构和用户。其中定义的mfc类库功能强大，封装了windows sdk中几乎所有的函数，能实现windows系统的任何功能，提供了应用程序本身的数据和操作以及activex, ole, internet, winsock, dao, odbc等操作类，生成的程序代码短，运行速度快，具有很大的灵活性。visual c+6.0不仅是一个c+编译器，而且是一个基于windows操作系统的可视

49、化集成开发环境（intergrated development environment, ide）。visual c+6.0由许多组件组成包括编译器、编辑器、调试器以及程序向导app wizard等开发工具，这些组件通过一个名为developer studio的组件集成和谐的开发环境。3.2.1 系统界面及其设计过程所设计的鸡蛋破损检测系统界面如图3-4所示。该界面的设计过程：1. 新建一个项目应用程序。（1）在visual c+ ide中选择“file | new”菜单项，出现new对话框，如图3-5所示。并且确认new对话框的当前页面为project,在左栏的项目类型列表框中选择mfc a

50、ppwizardexe项，在project name框输入要创建的项目eggshell，在loca-tion栏中输入项目所在的路径，可以单击其右侧的“”浏览按扭来对默认的路径进行修改，在这里是选择默认路径，向导将在该路径下建立一个名为eggshell的子目录，用于存放所建项目的所有文件。设置好后，单击ok按扭，出现mfc appwizard-step 1对话框，如图3-6所示。（2）在mfc appwizardexe第1步中选择单文档界面，然后就直接选择完成，因为所设计的这个界面后面5步都是选择了默认选项。这样一个单文档应用程序eggshell就做好了，然后就可以在这个单文档应用程序eggsh

51、ell中添加系统界面所需的对话框、主菜单、一些成员变量及成员函数等。图3-4 鸡蛋破损检测系统界面图 3-5 new 对话框图 3-6 mfc appwizardexe第1步2. 在eggshell的workspace工作区的eggshell resources中的子菜单dialog和menu中添加一个新的对话框和主菜单。（1） 添加新对话框时，在dialog右击后点击inster_dialog命令就可以在新建的对话框（id号是选默认的）中添加如表3-1所示的控件。表3-3 系统界面所需添加的控件控件类型控件id设置的非默认属性成员变量组合框idc_combosperpecm_comboxsp

52、er组合框idc_comboroadm_comboxroad组合框idc_combosamplem_comboxsample组合框idc_combobitm_comboxbit组框idc_staticcaption为”声音信号采集参数设置”组框idc_staticcaption为“系统检测”组框idc_staticcaption为“检测结果”静态文本idc_staticcaption为“时域图“静态文本idc_staticcaption为“频域图“静态文本idc_staticcaption为“采样频率”静态文本idc_staticcaption为“采样个数”静态文本idc_staticcapt

53、ion为“采样位数”静态文本idc_staticcaption为“采样通道”静态文本idc_staticcaption为“好壳蛋”静态文本idc_staticcaption为“损壳蛋”编辑框idc_edittimem_ntime控件类型控件id设置的非默认属性成员变量编辑框idc_editsperpecm_nsperpec编辑框idc_editbadm_nbad编辑框idc_editgoodm_ngood按钮idc_buttonstartcaption为“开始采集”按钮idc_buttontimecaption为“提取时域数据”按钮idc_buttonperseccaption为“提取频域数据”按钮idc_buttonendcaption为“结束采集”按钮idc_buttontestcaption为“检测” (添加以上控件的方法：若visual c+窗口中没有出现controls工具栏，则需将光标指向菜单栏并右击鼠标，从弹出式菜单中选择controls栏。控件工具栏上的每一个图标都