基于LX1970的蚕茧雌雄检测系统设计

蔡永娟，李永新，姬盼盼

（南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094）

0 引言

蚕茧的雌雄与蚕丝的品质有比较密切的关系，雄茧的丝质量和产量均明显高于雌茧，并且雄蚕丝具有茧丝纤度细、净度优、耐磨擦、生丝等级高、弹性好等优点，如果在煮茧前能进行雌雄蚕茧分拣，雌雄茧分开缫丝可以减少夹花丝，大大提高丝质。此外，在蚕茧育种过程中，也需要将蚕茧的雌、雄区分开［1］。对于荧光示性蚕茧，可根据它在紫外光激发下产生的荧光来判断。

南京理工大学与江苏苏豪蚕业科技发展有限公司等单位合作，开发出了第一代雌雄蚕茧自动分选机［2］。该分选机采用光敏电阻检测蚕茧在紫外线激发下的荧光信号，以黄荧光强度作为判别雌雄的依据。由于光敏电阻器受温度影响比较大，因而，环境温度对检测的准确性有比较明显的影响，光线的轻微抖动就会造成系统误判，误判率比较高，系统分选效率低下。为了提高检测的正确性与可靠性，满足生产需要，本文对现有蚕茧分选机的雌雄传感系统与相应检测电路进行改进设计。

1 蚕茧荧光激发与采集装置设计

蚕茧雌雄检测系统结构如图1所示。蚕茧从入茧通道落下，在下落过程中会产生相应的触发信号，该信号被送至主控器作为检测蚕茧的起始信号。2个水平倾斜的管道1，2分别作为识别后雌雄茧的出茧通道，通道中安装有受电磁阀1，2控制的吹向两管道交汇点的吹气管1，2，用于将蚕茧从两侧吹出。中央管道底部为荧光激发腔，由两片竖放的紫外光滤波片1，2和两片横放的黄光滤波片1，2形成的开口腔组成。2个紫外灯管1，2分别安装在荧光激发腔的外侧作为所有通道的集中光源。黄光滤波片1，2的下方安装有2个光敏元件LX1970，LX1970将检测到的信号送到控制电路，进行蚕茧荧光色判别。检测系统判断蚕茧的茧性并驱动后续电路将蚕茧从相应通道吹出。至此，一个蚕茧检测周期结束。以后，周而复始实现蚕茧的雌雄自动分拣。

图1 蚕茧雌雄检测系统结构示意图Fig 1 Structure diagram of male/female cocoon detection system

LX1970是美国微型半导体（Microsemi）公司推出的一种接近人眼感光特性的集成化可见光亮度传感器。LX1970与光敏电阻器相比有很多优点，受温度影响小，非线性误差小，外围电路简单，微功耗［3］。LX1970感受到的荧光强度大小与黄色荧光激发腔的结构设计有密切的关系。腔体上下底面宽度与张角的大小，会影响传感器内光感应系统对光的接收，下底面宽度L2最小不能低于传感器的宽度，L2过大时，蚕茧下落后位于腔体内，虽能受到紫外光的照射，但蚕茧与黄色滤光片之间的距离L4非常小，近似为零，蚕茧压在黄色滤光片上，传感器被遮住，光感应系统无法接收光照，原本就很微弱的信号此时输出几乎为零。上底面宽度L1过小时，蚕茧落于腔体上方，受到紫外光的照射不充分，输出信号很微弱。L1过大，会产生与L2同样的问题。蚕茧大小不一，长度大致范围在3.00～4.00 cm之间，宽度范围在1.60～2.50 cm 之间，因而，对于每个茧，L4都有差异。即使同一个茧，多次投放，落到腔体内时姿态各异，输出结果就会有差异。为了解决蚕茧下落姿态不同对输出影响的问题，安排了2只传感器LX1970。

为了使传感器感受到的荧光较强，将紫外线滤光片固定在黄色滤光片之上，黄色滤光片宽度为0.5 cm，紫色滤光片宽度L3为 1.93 cm。经过多次实验，测得当L1=2.20 cm，L2=0.58 cm，腔体张角α=49.6°时，蚕茧荧光电压较大，能够有效区分雌雄茧，此时腔体张角α最佳，紫外线滤光片与竖直方向夹角为24.8°，蚕茧落下后与黄色滤光片之间的距离L4在0.70～1.00 cm之间，结构最合理。

2 测控电路设计

蚕茧检测系统结构框图如图2所示，从结构上看，该系统主要由传感器调理电路、比较控制电路、数据存储电路、MCU主控电路四部分组成。

系统主要有两种工作状态:一是设门限状态，主控器通过检测、处理，获得雌雄蚕电压数字量均值，以雌雄蚕茧电压数字量的中间值作为比较控制电路的参考门限，并将其存储在数据存储电路中，为检测系统提供鉴别蚕茧雌雄的依据。二是工作状态，在紫外光照射下，蚕茧发出的荧光经过可见光传感器之后转换为对应的电信号，该电信号经过传感器调理电路处理，转换为稳定的电压，然后送至比较控制电路，与系统设定的参考门限进行比较，根据比较器的输出结果来判定蚕茧的雌雄，驱动后续电路将蚕茧吹出，达到分选蚕茧的目的。

主控电路设定可编程的参考门限和对检测系统的判定结果进行处理，数据存储电路为检测系统提供动态可调的参考门限。本文主要解决传感器调理电路性能不稳定、采集到的信号不精确、可靠性不高的问题。

图2 蚕茧检测系统结构框图Fig 2 Structure block diagram of male/female cocoon detection system

2.1 传感器调理电路

LX1970内含PIN型光电二极管，在光照下，光电二极管产生光电流，光电二极管的反向电流与照度呈正比，随光照强度的增加而上升，因而，可将LX1970等效为一电流源。其简单框图如图3所示，SNK为电流接收器的引出端，SRC为输出电流源的引出端。

图3 LX1970框图Fig 3 Block diagram of LX1970

无负载时，LX1970输出光电流与光强呈正比;有负载时，在一定光强范围内，输出光电流与光强呈正比，高于最大光强后光电流输出饱和。经实验，在蚕茧荧光下，光电流在0.1nA～2.0μA 之间，在自然光照环境中输出2.5μA，可见，在蚕茧荧光强度下，LX1970工作于线性区，输出电压与电流呈正比。按图3所示，在SRC引脚只接一电阻器，每投放一粒蚕茧，在蚕茧没被吹出之前SRC引脚输出含有很大干扰噪声的方波，无法辩别有效信号，该工频噪声来自紫外荧光灯的频闪，一部分来自外界环境，为了减小噪声干扰，需要进行滤波处理。根据LX1970典型应用电路［4］，在R侧并联一电容器，SRC端等效电路如图4所示。

图4 LX1970引脚SRC输出端等效电路Fig 4 The equivalent circuit of SRC output port in LX1970 pin

2.2 比较控制电路

在检测与控制电路中均采用LM339作为测试芯片，LM339集成块内部装有4个独立的电压比较器，每个比较器2个输入端电压差别大于10mV就能确保输出从一种状态可靠地转换到另一种状态［5］，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。采用LM339内部两路电压比较器，其同相输入端信号V+均来自两路传感器的输出，即蚕茧荧光电信号，其反相输入端信号V－为系统设定的门限。图5为传感器调理电路与比较控制电路部分的接线图［7］。D1，D2为两路比较器的输出，测试中发现两路传感器采集到的信号总有一个较大值，以较大值作为蚕茧荧光电压，当D1，D2均为0时，该茧既可判定为雌茧，当D1，D2至少有一个为1时，也即较大值比参考门限大，即可判定为是雄茧。

图5 传感器调理电路模块接线图Fig 5 The hookup of sensor conditioning circuit module

3 实验与结果分析

为了检测蚕茧荧光激发结构设计是否合理，以及传感器在不同温度下感受荧光的灵敏度的高低，检测了在不同环境中的输出信号的波形，在中午晚上温度相差10℃时，同一个蚕茧的荧光电信号相差在几十毫伏，对检测结果的影响可以忽略。

在暗室环境中，接通电源，无茧时，光强很弱，LX1970感受到的光照很弱，光电流为nA级，输出信号几乎为0;当有茧落入时，待其落入黄色荧光激发腔中稳定后，传感器调理电路输出波形才稳定。雄茧在紫外光的照射下发出黄色荧光，黄光能够透过黄色滤光片，传感器感受到的荧光比较强，产生的光电流较大，荧光电压较高;而雌茧发出的荧光为紫色，紫光不能透过黄色滤光片，此时光强比较弱，光电流较小，荧光电压较小。根据示波器波形，测得10个雄茧和10个雌茧的荧光电压值如表1，表2所示。

雌茧的平均电压约为567 mV，雄茧的平均电压约为1.822 V。雌雄蚕茧荧光电压差值达到1000 mV左右，无须加放大器即可有效区分2个光信号，而且外界光线的轻微抖动不会造成信号电压的大幅度变化，输出信号稳定。雌雄蚕茧电压差值较大，便于设中间值，为系统设定参考门限提供了精确的依据，也提高了蚕茧分选的准确度。

表1 雌茧电压值与响应时间Tab 1 Voltage and response time of female cocoon

表2 雄茧电压值与响应时间Tab 2 Voltage and response time of male cocoon

以雌雄蚕茧电压的均值1.195作为参考门限，所测信号高于门限值时，比较控制电路输出数字1，系统判定为雄茧;低于门限值时，比较控制电路输出数字0，系统判定为雌茧。检测系统可靠性得到提高，为后续电路设置参考门限提供了参考，也为获得不同等级的蚕丝找到了解决方法。

4 结束语

检测系统用光敏感元件的光感应特性来识别蚕茧，一方面解决了手工分选带来的弊端，减少了长期受紫外线照射对人体的伤害。另一方面，采用外围电路简单的传感器LX1970采集光信息，价格便宜，接口方便，可靠性高，受环境影响小，消除了环境温度对系统的影响，提高了蚕茧检测系统的灵敏度，改善了系统的稳定性。以雌雄蚕茧分界值电压1.195作为基准，设置可变的参考门限，门限值的高低会直接影响雄蚕的纯度，进而影响蚕丝等级的高低。因此，雌雄蚕茧的荧光电压为系统设定门限提供了精确的依据。高灵敏度的传感检测系统可以提高系统的工作效率，有较高的工程实用价值，同时也为传感器LX1970应用在其他领域提供了参考。

［1］虞晓华，刘毅飞.雌雄蚕茧茧质和丝质差异性分析［J］.纺织学报，2005，26（4）:36 －38.

［2］江苏苏豪国际集团股份有限公司，南京理工大学.蚕茧荧光色判性雌雄自动分拣装置:中国，200810195030［P］.2008—11—04.

［3］孟志永，沙占友，安国臣.能实现人眼仿真的集成可见光亮度传感器 LX1970［J］.国外电子元器件，2004（6）:26 －28.

［4］潘 建.可见光传感器 LX1970的原理及应用［J］.电子世界，2004（3）:52－53.

［5］李贵良，吴晓放，李爱华.LM339在 WDVE—6医用电子直线加速器中的应用［J］.医疗装备，2002（4）:11 －12.

［6］何希才，任力颖，杨 静.实用传感器接口电路实例［M］.北京:中国电力出版社，2007.