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点击量：632 时间：2026-04-01
论文研究开发了光电式水果自动分选系统，该系统以＾；ｒ８９ｃ５１单片机为核心，配以信号采
集电路、信号处理电路、信号输出电路和键盘／显示单元等几个部分。工作时，系统通过单片机采
集水果挡光时间产生的高低压电平的转换实现对水果大小的判断，经系统软件进行运算处理后，
得出水果所属分选等级，并向分选开关发出开关量信号，实现对水果的动态判别和实时分选控制。
试验表明，该系统在水果分选的控制实现上完全可行，操作简便：能够预先设置分选等级，
Ｋｅｙｗｏｒｄ：ＭｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒＰｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃＳｅｎｓｏＬ
果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发
表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书
而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明
送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复
制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、
我国是一个以农业为主的发展中国家，农业基础薄弱。十三亿人１５１，九亿多在农村，增加农
民收入，不仅关系到农民生活的改善和农村社会的稳定，而且关系到扩大国内需求和整个国民经
作为农业生产的～个组成部分，水果种植业在我国占有较大比重。从１９９３年开始，我国果
晶总产量和果树栽培面积位居世界第一位。到１９９６年，全国苹果与梨的产量居世界首位。目前，
我国水果产量份额占世界总产量的１２％。其中，苹果和梨华体绘官网的产量居世界第一位，柑桔的产量居第
三位。据国家统计局、中国农业年鉴编辑委员会统计：１９８５年我国水果产量为１１６４万吨：１９９０
年水果产量为１８７４万吨：１９９５年水果产量达到了４２１５万吨；１９９８年水果产量达到了５４５３万吨：
２０００年水果产量达到了６２２５万吨。如图１－１所示，在１６年间，水果产量虽然翻了５倍多，接近
世界水果产量总和的１／３，但水果产后分选处理比例却不到１％，而发达国家水果产后处理比例
．ｉＴ８０％。９０％，由此可以看出：在水果分选处理方面我国与发达国家的差距较大。
近年来，我国水果的出口量呈显著增长趋势，１９８５年水果出口总量仅为２ｌ万吨；１９９０年水
果出口总量是２３万吨：１９９５年水果出口总量达到了４９万吨；１９９８年出口总量是６８万吨；２０００
年水果出口总量为８２万吨。但由于我国水果处理技术落后，水果处理生产线年代传
统的机械式水平，以致出口的产品混等混级，层次不齐，造成产品在国际市场上竞争力弱，果品
品质难以保障，创汇能力差。使拥有世界水果总量近１／３的中国，在国际贸易份额中仅占１％左
右，在出口量与总产量之间的比例严重失调，形成很大的反差，如图１—２所示。
从创汇情况看．１９８５年仅为７８９８万美元；１９９０年为１０２８６万美元；１９９５年４４４７０万美元：
１９９６年４１７６５万美元；１９９８年３６９９７万美元：２０００年３４８３６万美元，如图１－３。以香港市场为
例．６０％的水果来自于大陆内地，３０％左右从其他国家进口，但大陆内地水果收汇仅占３０％左
右，而其他国家收汇达到了６０％左右。导致这一现象的主要原因是水果产后处理手段落后，以致
水果混等混级，良莠不齐，质餐混杂，造成价值低，无法达到国际出口标准．从而也无法问津国
际市场。冈此，每年我国在水果外销上损失近千万美元，随着进出口贸易的增长，这一损失还在
冈此，水果分级不仅是必要的而且是必须的。由于水果是农业生物产品，与工业制品大不相
同，在生产栽培中，水果受到自然和人为的各种复杂因素的影响，产品蒡异很大，必须人为地按
照一定的商品规格进行选别、分类、定级。各国对各种水果都有相应的等级规格标准。以苹果为
例，我国商业部颁布的中华人民共和国国家标准ＧＢｌ０６５４．８９对苹果的等级作了详细的要求。水
果分级主要是根据水果的形状、大小、色泽、果面缺陷等几个方面进行分级。本课题的目的就是
水果分选是水果进入流通的一个重要环节，直接关系到水果的包装、运输、贮藏和销售。在
商品经济高度发达的今天，异地销售、大宗农产品交易和农产品国际贸易等均离不开标准化．而
目前我国各水果产地水果等级仍以手一［分选为主．不但速度’隧、劳动强度人，而且分选质量
易受人为因索影响。从技术角度上看，人【一分选时对水果的等级判定是根据个人的经验，瞬间判
断的结果，其结果必然是冈人而异，同时还受人的情绪和疲劳｛ｌ度的影响。不仅人ｌ：劳动鬣火，
生产率低，还造成打蜡标准难以实现，分选精度不稳定，致使水果表面蜡液不匀，光泽暗淡，果
为提高我国水果在国际销售市场上的竞争力，提高水果品质与保鲜期限，水果在上市成为商
品之前，就必须对收获后的产品进行清洗、加工等处理，然后按大小尺寸及品质等级标准等进行
分选、分类和包装。水果的分选不仅可以促进市场流通，提高食品的卫生安全以及产地的信誉，
而且通过分选、整理可以提高产品档次，达到优质优价。这是生产者和经营者平等竞争、增加效
益的唯一办法。同时，如能在销售、储藏或加工前对水果进行喷蜡和分选，既能避免分选过程中
的损伤，增加水果的储藏时间，提高水果的加工质量和出口等级，减少损失，又能提高储藏质量，
免受细菌感染。对于满足各消费阶层的需求，增加我国水果的出口竞争能力具有十分重要的经济
加速水果生产和加工的现代化、产业化、国际化，是当前世界水果业发展过程中的一个重大
课题。我国水果生产面临着比这更复杂的形势。一方面，目前我国水果生产尚存在着许多问题：
水果生产主要以加大投入、多种多收为手段，产品结构单一、生产效率提高缓慢；科技进步效率
低，传统的生产技术仍占主导地位，以户为主的经营方式落后；产品加工技术落＿『；彳，资源利用率
低，产品附加值低。因此党的十五大明确提出：“要求积极发展农业产业化经营，形成生产、加
．【Ｉ、销售有机结合和相互促进机制，推动农业向商品化、专业化、现代化转变。”党的十六大更
加肯定的指出“建设现代化农业，发展农村经济，增加农民收入：增强农业的市场竞争力，使水
果产业成为新的经济增长点，对于推进农业的技术进步，促进农村经济的全面发展。提高农民经
济收入具有十分重要意义。另一方面，我国是世界上水果产量最大但出口又相对ｑｌｉｄ 的国家，这
就意味着绝大多数的水果还是在国内消费。国内的采摘效率低以及分选处理缓慢，且动用大量劳
动力，造成许多劳动力浪费和资源浪费。因此解决好水果生产和分选工作，对人民的生活质量和
水果的分选主要是根据品质和大小来进行的，具体的分选标准又因水果的种类和品种不同而
异。品质等级～般是根据产品的形状、色泽、损伤及有无病虫害状况等分为特等、一等和二等。
火小等级则是根据产品的重量、直径、长度等分为特大、大、中ｇｌｄ （常用英文代号ＸＬ、Ｌ、Ｍ
和ｓ表示）。特级品应该具有该品种特有的形状和色泽，不存在影响质地和风味的内部缺点，大
小一致，产品在包装箱内排列整齐，在数最和重量上允许有５％的误差。一等品与特级品有同样
的品质，允许在色泽上、形状上稍有缺陷，外表稍有斑点，但不影响外观和品质，产品不一定要
整齐地排列在包装箱内．在数量上和重量上允许有１０％的误差。二等品可以有某些内部平¨外部的
缺点，但仍可销售。水果分选可根据国际标准、国家标准、地方标准或行业标准进行。世界符国
都有Ｉ：］己的分选标准，一般都是按水果大小、色泽品质好坏分成３—４个等级，如苹果，美国分
为特级、一级４ＣｌｌＺ２级３个等级：日本分为１级、２级、３级和等外级４个等级：中国分为特等、
一等、二等、二等和等外５个等级。各国分选等级主要以水果直径为主，同等大小的水果还可按
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为了实现水果机械自动化分选，我国在７０年代研制过有关机械，当时主要采用筛孔式分选
原理，结果由于水果损伤严重而停止使用。随后，我国在一段时间内，由国家投资分别从日本、
澳人利丽等国引进了部分重量分选设备，什ｊ于重点出口基地。按重量进行分选，虽然伤果率低，
但是误差却较大，而且设备机构过于复杂。为此，在８０年代中期，我国有关部门开始进行辊、
带间隙式水果分选方式的研究，并于１９８７年通过了第一台样机的鉴定，该设备较受用户的欢迎，
目前ｄ，有较大的市场份额。同时，国外曾经试探过用ｘ射线和红外光线的方法进行水果表面缺陷
检测与分级的初步研究。到了８０年代厉期随着计算机技术目新月异的发展，国内外都开始研究
计算机数字图象处理技术在农业工程中的应用，尤其是农产品品质检测的应用研究。但由于农产
品不像丁业上的产品检测具有严格的规律可循，很难做到整齐划一，因此在农产品的检测与分析
这是最古老和最原始的方法，它的分选效率低而且损伤严重。由人工按一定的标准一个一个
的把水果分选出来：或者加上传送带。目前国内外普遍采用的两种比较成熟的方法是传送带分选
台和反转式分选台。传送带分选台主要是由人工来挑选产品，工作人员站在传送带边，用眼睛观
测农产品并剔除等外品，合格产品则由传送带运走。因平板式的传送带不能使农产品发生翻转，
故工作人员需在分选过程中逐个翻动并检查其质量。反转式分选台是在乎板式传送带的表面安装
一系列橡皮滚轴，当产品在传送带的作用一Ｆ向前移动时，碰到反转橡皮滚轴并产生滚动，使分选
按水果的体积大小进行分选的分选机，虽常见的是筛子分选法、回转带分选法、辊轴分选法、
该分选方法一般采用平面振动筛，筛体由两层以上的筛面组成，筛孔大小由分选尺寸确定，
主要是通过筛体的振动使筛面水果以一定速度向排料端移动，小于第一层的水果落到第二层筛
面，咀ｒ类推，各层筛上水果可从一侧分别排出，从而获得不同等级的苹果。筛子分选采用的是
振动原理，果品易损坏，在果品损伤中振动损伤是其士要影响因素，故此法不太适合。
同转带分选的【：作方式是将水果置丁．两条分选带之间，若果径小于两带之间的距离，水果便
从中落ｒ。由于两条选果带之间的距离沿水果运行方向不断增大，使不同尺寸的水果落在下方相
分选作业是在一条由许多辊轴组成的输送带上完成的。辊轴有一定长度，在轴上开有梯形槽．
只有输导水果作削。相邻两辊轴间装有一个能升降的中间辊轴３，如图１－４所示，这样３根辊轴
形成两组分选口，辊轴一面自转，一面随输送带前进。同时，由于中间辊轴的上下位置受导轨控
制，而不断升起，冈而分选口不断增大。进入分选口的水果随着辊轴的臼转而转动，使其可能以
最小直径对准分选口。当最小直径小于分选口时，水果即由此口落下；不能通过分选口的水果则
随输送带继续向前运动，直到中间辊轴上升至分选口大于其最小直径时下落。这样，在出料输送
带的不同位置上可获得不同等级的水果。中间辊轴上升到最大位置时，分选便到此结束，以后便
Ｆ降至最低位置，继而回转至进料口再重复上述过程。该法分选较准确，但从结构上实现较复杂，
该机主要由喂料机构、ｖ型导果槽板、分选滚筒、接果盘及传动系统组成。工作时，混放水
果由倾斜输送器１提升后，先经手选装置２由人工剔除伤残果，然后通过输送带送入果箱４，打
开料门３，苹果送入导果槽板５．在此水果自然分行滚动，不会出现水果堆积和阻碍现象。分选
滚筒开有圆孔，孔径逐级增大，水果从ｖ型导果槽板流至滚筒６外边进行自动校径的分选过程。
小于分选孔的水果先从第一滚筒分选孔落入接果盘，大于分选孔的则经Ｖ型导果槽继续向前滚
动，重复前面的过程。由于每级滚筒的孔径逐渐增大，则把水果分成不同大小的等级，在相应位
由于工作时，水果在滚筒内表面或外表面运动．水果与滚筒表面的相对运动较小，水果间不
易发生撞击，损伤ｔＲ４ 。此法适应于球形和近似球形物料的分选，从结构上容易实现，成本较低，
卜倾斜输送器，２一手选装置，３－料门，４－果箱，５叫型导果槽板，６滚筒，７辊轴，８接果盘
根据水果的重量进行分选的分选机，是最早开发的机种。现在广泛地使片ｊ于苹果、梨等的分
这两种形式虽都运用杠杆原理却有不同特点。固定衡量秤体式。对秤体加工一致性要求不高，
但输送盘运输水果通过固定衡量秤体进行称重，存在动态称量误差，需要解决动与静的匹配问题。
运动衡量秤体式水果与称重秤体同时运动，它们之间相对静止，输送方向与杠杆作用力方向垂直，
不存在动态称量误差，但既作为输送果盘又作为称重秤体的许多套装置要通过同一固定限位装置
来完成分选过群，所以一致性要求较高，需要由制造加工精度来及装配精度来保证。
目前，通过压力传感器输出的压力信号进行分选的电子式重量分选机正逐步代替机械式重量
分选机。该形式分选机不仅伤果率低，而且有误差小，分选范围可调，生产效率高等特点，具有
很大的发展前景。以色列ＥＳＨＥＴＥＩＬＯＮ公司、美国ＡＵＴＯＬＩＮＧ公司生产的电子式重量分选机，
电子式分选机主要以自动分选台应用最广，其分选标准是依据农产品的表面颜色反映出米的
特征决定其品质的优劣程度。当光作用于物体后，物质对不同波长的光具有选择性吸收的特点．
冈此光学白动分选台的工作原理是利用农产品表面对不同波长范围内的光的吸收和反射来分析
随着计算机技术的突飞猛进，日新月异，计算机图象处理技术在农产品的分类平¨检测日，发挥
着越来越重要的作用。目前，计算机视觉技术在不同的水果分选机上戍川不同的原理对水果进行
外部检测通常指对水果表面的碰伤（ｄｅｆｅｃｔ）、水果的色泽、水果的虫伤以及水果的花萼
（ｃａｌｙｘ）的检测。所用的技术一般是：全自动图象处理式华体绘官网分级系统：它一般由ＣＣＤ摄像机、无
损伤检测装置、传送带、计算机、电器控制系统等组成。在水果分级过程中，水果位于传送带上，
ＣＣＤ摄像机配置在传送带的上方及周边，在传送带的两侧安装有无损伤检测装置。当水果通过ＣＯＯ
摄像机时，水果的颜色、大小、形状、表面损伤情况等均铍记录下来，通过这些信息的计算机处
Ａ．Ｔｈｏｏｐ和国内的中国农业火学的刘禾博士、徐娟博士以及浙江大学的应义斌博士都对水果外部
反映水果内部品质的主要属性有：硬度、糖含量、酸度、口味以及内部缺陷等。众多情况ｒ，
水果的成熟度可以由水果的颜色来间接表达，但表示成熟度的根本还是上述水果的物理指标。糖
酸度的破坏性检测技术人们已经掌握．而无损伤的检测技术是近几年发展起来的高科技技术。水
果的品种丰富多样，不同的品种有时要求不同的检测方式方法。检测方法按检测项目大致分为：
近红外糖酸度分析法、力学成熟度分析法、可见光成熟度分析法、激光分析法、ｘ射线分析法等。
近红外分析法，目前这种方法应用的最多最广，技术相对成熟。通常，将波长为０．８－２．５微
米的红外线称为近红外线。所谓近红外分析法，就是基于水果内所含各种成分的分子结构在近红
外区域的吸收现象，利用双回归分析等统计方法及计算机技术，进行特性分析的方法。其原理是
当近红外线照射到水果时，一部分被反射，一部分被吸收，检测与成分相关的特定的吸收光带，
就算出成分含量。该方法在水果检测方面，主要用于检测糖度和酸度。日本公司己开发出柑橘糖
该方法就像人们挑选弧瓜一样，由机械装置向水果发出敲打动作，通过传感器检测震动频率
或传播速度及计算机进行波长分析比较，最终判断出水果的成熟程度。经分析得出，震动频率越
利用水果成熟程度与透光性之间的相关关系以及病虫害果不透光的特性，可对水果的成熟度
和病虫害果进行判别。如日本科研单位开发研制的的携带式菠萝成熟度检测装置，以自然光为光
源．由检测、信号输出增幅放大、演算、结果显示等几部分组成。经实验。采摘前和采摘后检测
精度分别为４．５、３．６５，因此可作为采摘期预测和采摘后的成熟度检测技术普及推广。
果实中的糖度由果实中含有的蔗糖米决定。充分利埘蔗糖只吸收特殊光线一激光具有较好的
单色性一的性质．通过测量随蔗糖含量而变化的特殊光线茸，即可最终确定水果的糖度。Ｒｅｎｆｕ
Ｘ射线具有穿透能力，而物质的密度火小义影响Ｘ射线的穿透量的多少，通过对穿透封的分
析．就可探明物质内部的情况。闪收产品的密度与金属等物质相比要小得多，所以所需ｘ射线强
度很弱，通常称其为软ｘ射线。麻川软ｘ射线可以检测马铃薯、砖瓜内部的空洞，柑橘中的皱皮
通过以上介纷可知，水果分选机实际上主要是通过传感器对被分选对象进行有关的数据采
集．并根据对数据的判断结果，移动被分选对象位置的装置。但是，与：ｌ：业自动化检测设备相比，
不同之处是除了在传送过程中不能损伤被分选对象外，更主要的是要像人一样具有综合的判断能
力。这也是水果分选机的开发落后于工业自动检测设备的原因之一。工业自动检测设备只要根据
采集剑的信息，根据它们与标准数据的逻辑关系以及公式推算就可以判定被测对象是否台格。但
是，人对水果分选是根据经验从视觉、嗅觉、触觉以及听觉等得到的信息来进行综合判断。它们
的标准也很难用具体的数据和逻辑关系公式来表达。如果水果分选机能完全代替人的工作的话就
必须具备像人一样的智能判断功能。但是目前传感器技术和计算机技术都无法达到这种程度。因
此．许多在］：业自动检测设备中成功的开发经验也不能完全适川于水果分选机。水果分选机要完
张东兴教授一直致力于果蔬生产、分选加］：机械的研究与设计。本课韪主要研究光电式水果
实验平台是在从以色列ＥＳＨＥＴＥＩＬＯＮ引进的称重式水果分选机上进行。该设备包括：机械传
动系统、称重系统、计算机和打印机。系统软件可预先定义为１０个分选等级，并能存储在磁盘
上。实现功能包括：设置重量范围，指定不同重量的水果的不同出口，将水果自动分组。此外，
该程序包括的其他功能有：打印分选结果报表，保存数据，系统校准和性能检验，以及错误警告。
Ａ：电路设计。实现信号传递，绘制电路原理幽以及ＰＣＢ图，＝ｊ｜制作ＰＣＢ电路扳。
水果分选机上进行的。该设备是１９９５年引进的一种新型水果分选机，可通过微机控制水果自动
（２）采用压敏式压力传感器，测量精度高、分选速度快，最火称重值可达１．５千克；
（３）微机控制水果分选，可实现对水果分选的实时操纵控制。实现功能包括：设置分选参
由于该分选机采用ＰＣ机和压力传感器作为测控系统的组成，造成系统操作控制较复杂，设
备成本高，难以推广。本课题提出设计光电式水果分选系统，采崩单片机和光电传感器配合实现
水果分选的自动控制。在硬件上，用单片机测控电路替代原有设备的ＰＣ机和数据采集卡，用光
电传感器代替原有的压敏传感器；在软件上，用Ｃ５１进行系统编程，使系统能够实现水果大小信
号采集、运算和输出信号控制电磁阀等功能，并能通过简单、易操作的按键输入，来设置水果分
选的分选参数。试验表明，本课题设计出的光电式水果分选系统能够实现水果的自动分选，能够