近红外谷物品质快速检测仪的改进设计

论文摘要

为保证农产品收购中优质优价政策的贯彻实施，并引导我国农产品从“产量”型向“质量”型转化，快速准确地获取谷物内部品质是急需解决的技术问题。因此谷物品质的快速测量对于谷物品质检测具有重要意义，鉴于近红外光谱分析技术所具有的快速、成本低、非接触等优点，我们开发了基于近红外光谱分析技术的谷物内部品质快速检测仪。本文是在现有的近红外谷物检测仪的基础上，对数据采集、光学系统和CCD扫描等部分进行了模块化改进，以便于以后的系统扩展和减少各个模块之间的热源和电磁干扰。论文的主要研究内容为：1、设计了基于USB总线的高速数据采集及传输模块。其中以CY7C68013芯片为核心并结合A／D转换芯片(ADS7825)设计了USB接口电路和多通道数据采集电路。2、软件部分设计包括下位机程序、USB驱动程序和光谱数据分析处理部分。其中下位机程序即芯片固件程序和AD数据采集程序进行数据采集和传输，进行了相应光谱数据的预处理和光谱定量分析研究。其中包括光谱一阶导数、二阶导数、小波变换滤波、主成分回归(PCR)、偏最小二乘法(PLS)和遗传算法波段优选等。3、提出CCD多通道补偿式测量方法。将原来双通道单个CCD采集改成四通道两个CCD差分采集，使用这种差分补偿式技术可以减少温度和其它因素产生噪声的影响。4、对USB传输部分进行了速度测试，验证了USB传输部分可以达到仪器对传输数据的要求；使用近红外谷物品质快速检测仪对小麦进行了品质分析，通过对小麦水分和蛋白的分析，检测了近红外谷物品质快速检测仪的稳定性和准确性；使用遗传算法进行了波段优选。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景和意义
• 1.1.1 近红外光谱对谷物品质分析的研究背景
• 1.1.2 研制近红外谷物品质快速检测仪器的意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国内外近红外光谱分析技术的发展
• 1.2.2 小麦近红外光谱分析的国内外研究情况
• 1.3 近红外谷物品质快速检测系统的介绍
• 1.3.1 系统的硬件设计
• 1.3.2 系统的软件设计
• 1.3.3 该系统的优缺点
• 1.4 课题研究的目标和内容
• 1.4.1 课题研究目标
• 1.4.2 课题研究内容
• 第二章 数据采集及传输的硬件设计
• 2.1 概述
• 2.2 USB介绍
• 2.2.1 概述
• 2.2.2 USB系统的结构
• 2.2.3 USB传输类型
• 2.2.4 USB系统的开发
• 2.2.5 USB芯片的选择
• 2.3 数据传输部分硬件设计
• 2.3.1 概述
• 2.3.2 USB接口的设计
• 2.3.3 时钟电路设计
• 2.3.4 电源转换电路
• 2.3.5 复位电路
• 2.3.6 串口电路
• 2.3.7 USB接头电路
• 2.4 数据采集部分的设计
• 2.4.1 ADS7825介绍
• 2.4.2 采集电路概述
• 2.4.3 CY7C68013和ADS7825连接的电路原理图
• 2.4.4 AD转换电路设计
• 2.4.5 低噪声信号放大电路
• 2.4.6 基准电压源电路设计
• 2.4.7 电源转换电路
• 2.5 多通道补偿式测量的设计
• 2.6 本章小节
• 第三章 软件设计
• 3.1 系统软件功能分析
• 3.2 芯片固件程序设计
• 3.2.1 主程序设计
• 3.2.2 任务调度函数设计
• 3.2.3 AD转换程序设计
• 3.3 USB驱动程序的设计
• 3.3.1 固件下载USB设备驱动程序
• 3.3.2 通用设备驱动程序（GPD）规范
• 3.3.3 设备驱动程序与应用程序的接口
• 3.4 INF安装文件的设计
• 3.5 近红外光谱系统软件
• 3.5.1 概述
• 3.5.2 光谱文件管理
• 3.5.3 光谱显示
• 3.5.4 光谱信号处理
• 3.5.5 光谱校正模型的建立与管理
• 3.5.6 未知样品的预测
• 3.6 光谱信号的预处理
• 3.6.1 概述
• 3.6.2 光谱平滑
• 3.6.3 导数法
• 3.6.4 傅立叶变换滤波
• 3.6.5 小波变换滤波
• 3.7 遗传算法优选波长
• 3.8 光谱数据定量分析模型
• 3.8.1 概述
• 3.8.2 主成分回归
• 3.8.3 偏最小二乘法
• 3.8.4 人工神经网络
• 3.9 本章小节
• 第四章 试验和分析
• 4.1 概述
• 4.2 USB传输数据速度测试试验
• 4.3 近红外光谱定量分析试验性能的测试
• 4.3.1 定量分析的步骤
• 4.3.2 小麦实验
• 4.4 遗传算法最佳波长的选择
• 4.5 本章小节
• 第五章 结论与建议
• 5.1 结论
• 5.2 建议
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介