便携式果品营养品质检测仪设计

便携式果品营养品质检测仪设计

【摘要】近红外检测技术是利用水果对近红外光的吸收、散射、反射和透射等来确定水果成分的一种方法，其具有分析速度快、无需化学处理和多组分同时分析等优点，可以实现苹果含糖量的快速无损检测，在果品品质检测领域得到了广泛认可。本课题以苹果为研究对象，利用近红外检测的基本原理和单片机处理技术，设计苹果含糖量无损检测仪。

【关键词】近红外；苹果；品质检测；单片机；光电系统

1.课题研究目的和意义

果品作为人民生活中的重要食品之一，其质量与人民生活密切相关。人们不仅要求果品的色、香、味，更追求其营养和品质。本文设计内容为便携式果品营养品质检测仪，主要针对果品的内部品质进行研究。在果品生长过程中，对果品营养品质进行跟踪检测，可以随时掌握其内部成分变化，指导果农合理科学地施用化肥，既能提高果品质量，又能减少化肥使用量，间接增加了果农收入；在采摘时，农业部门和质检部门对果品进行抽检，可以在不损坏果品的前提下，增加抽样数量，提高检验速度，更可有效避免浪费[2]。另外，也可根据果品营养品质的等级对水果进行分级管理。这样不仅可以完善对果品资源的综合利用，也可以增加我国的果品出口数量，产生显著的经济效益及社会效益。

2.国内外果品品质近红外检测技术研究现状及本文研究内容

美国农业部与密歇根大学共同研究，根据苹果吸收的光通量，

不仅可以测定苹果的硬度，而且可以测定苹果的含糖量，从而能“预报”苹果的香味和口味[3]。虽然国外研究机构进行了较多研究（针对苹果、芒果等的品质检测），但所研制的检测仪器价格昂贵，不易推广使用。20世纪90年代以来，我国近红外果品品质检测技术开始起步。2004年6月，浙江大学的应义斌和王剑平领导的课题组开发成功了我国第一套拥有自主知识产权的水果品质智能化实时检测与分级生产线。但这种检测系统体积庞大，价格昂贵，不能检测水果的内部品质[4] [5]。可见，虽然国内的研究起步较晚，也取得了一些突破，但尚处于实验室研究阶段，未研制出能够推广使用的便携式果品品质检测仪，有待探索的问题还很多。

本文的研究内容为一种便携式果品内部营养品质无损检测装置。系统设计主要思想是：根据苹果中各种有代表性的有机成分在近红外光谱区吸收含量与吸收强度间的正比关系，利用近红外光电检测技术和单片机处理技术来实现苹果含糖量的检测。选取四个特征波长的led光源，通过单片机控制其循环点亮。光源照射到待测样品经过吸收反射后由光电检测器接收，经过光电转换，将光信号转化为电信号。得到处理后的电信号送入单片机进行处理，并将处理后的结果（虚拟糖度值）通过液晶显示屏显示出来，同时对系统进行温度补偿。

3.果品营养品质检测原理

由于近红外光谱对特定物质有固定的吸收峰波长，我们可以据此对混合物质中的某特定成分进行定性或定量分析。近红外光谱定

量分析技术就是利用近红外光源对物质进行照射，然后对携带该物质信息的反射光或透射光等进行分析，从而快速估测出该物质中某一项或几项成分含量的测量技术。这就是利用近红外技术对果品品质进行无损检测的原理[3]。

近红外光谱分析方法有三种，即规则透射法、反射法、漫反射法，如图3-1所示。

3种近红外光谱分析法均有各自的特点和适用性。就国内外研究现状，使用漫反射检测果品内部品质的研究用得最多。如图（c）所示，漫反射光谱法是将光照射到有一定厚度物质组成的样品层时，一部分被吸收，一部分被样品内部各层次反射、吸收、折射后最后反射出来，是一种介于反射与透射之间的测量方式。综合考虑光源、检测对象和研究条件等因素，本设计采用漫反射法作为果品营养品质检测方法。采用漫反射近红外光谱分析技术进行定量分析的理论依据是kubelka-munk函数：

（3-1）

式中为样品厚度无穷大时的绝对漫反射率；k为漫反射的吸光系数，取决于样品的化学组分；s为散射系数，反映光在样品中经过单位光程后的衰减程度。在实际应用中不易测定，则引入反射吸光度a，它的定义式见式（3-2）：

（3-2）

式中为待测样品厚度无穷大时的相对漫反射率。

由式（3-2）可以看出，漫反射体的反射吸光度a与的关系为

一对数曲线，即在—定的范围内，a与间可以用直线关系代替曲线关系，见（3-3）。

a = a+

b （3-3）

由于k与浓度c在一定范围内有线性关系，当散射系数s不变时，漫反射吸光度a与样品浓度的关系可表示为：

a = a’+b’c （3-4）

由上述推导可知，样品中的组分浓度与漫反射吸光度a成线性关系。由于样品和参比分别是样品和参比的绝对漫反射率，且它们分别代表样品和参比的反射光强度是可以测定的，则我们可以得到漫反射吸光度a：

（3-5）

式中i和i0分别是是样品和参比的反射光强度。得到漫反射吸光度a后，进而通过曲线拟合得到样品的组分浓度。糖分含量的定义：在温度20℃时，每100克溶液中蔗糖的百分比含量。

4.系统总体方案

果品营养品质检测仪器是一种光机电一体化的精密分析仪器，本文设计一台基于led的便携式近红外苹果糖度检测仪，主要包括仪器硬件和软件设计。仪器采用模块化设计，主要由光路、检测器及信号调理电路、单片机系统、人机接口电路（键盘、液晶显示）模块组成。仪器的硬件、软件结构框图如图4-1所示。

单片机通过光源驱动控制电路控制4个led循环点亮，光源照射到待测样品经过吸收反射后由光电检测器接收，光电检测器将光

信号转化为电信号，采集的电信号经过放大后直接送入单片机进行处理。单片机内置a/d转换，可以将模拟信号转换为数字信号。系统开机后，首先扫描无样品吸收光信号时的参比电压v0，然后扫描有样品吸收光信号四个电压值，扫描四次后求出电压平均值，并通过软件处理得到反射吸光度a1、a2、a3、a4。根据糖度值bix与吸光度的近似线性关系可设bix=a1x1+a2 x2+a3x3+a4 x4+y（a1、a2、a3、a4为吸光度，x1、x2、x3、x4为自拟参数，y为校正系数）。查阅参数范围后通过编程设置x1=0.147，x2=-8.947，x3=14.468，x4=-2.557，y=10.733120。参数设置后得到虚拟糖度值bix，最后通过液晶显示屏显示出来。

5.结束语

本课题利用近红外分析技术实现了苹果中含糖量无损检测，完成了水果品质检测系统的硬件pcb制作和软件整体设计，基本完成了课题研究的要求，但由于时间紧，以及实验环境和条件的限制，还有一些方面需要完善。系统采用稳压电源供电，不适合便携式仪器，应进一步改进电路，采用干电池供电。

【参考文献】

[1]栾鑫.近红外水果糖度检测方法研究[d].吉林大学，2007：32-35.

[2]闻明.基于led的便携式近红外整粒小麦成分分析仪的研制

[d].中国农业大学，2004：16-20.

[3]马毅，汪西原.基于近红外光谱无损检测的水果品质定量分