基于音频分析的实时真空检测系统的研发

摘要

近年来国内外接连发生食品安全问题，食品安全越来越受关注。国家质检部门对食品安全的监督惩罚力度也越来越大，食品饮料企业对其生产过程的质量实时监控也越来越重视。凉茶、植物蛋白饮料易拉罐食品饮料在生产过程中高温灌装后冷却后会形成真空，以保证饮料能够较长时间的保证质量。然而，由于种种原因，一些真空性不达标的产品通过生产线被装箱出售给大众。这些真空不合格的产品极容易变质，而给食用者的身体健康带来威胁。因此必须对易拉罐食品生产进行真空性检测，并将真空不良的产品予以剔除。
　　 现如今，易拉罐灌装生产线的真空性检测设备的市场主要由美国和德国的企业所垄断。设备不但昂贵，而且不友好的英文操作界面给国内的用户带来了很多困扰。研究国内自主知识产权的实时真空检测系统具有重大的意义，不仅可以满足国内易拉罐食品企业对在线真空检测设备的需求，而且可以有效抑制国外同类产品的高昂价格。
　　 该文首先从声学理论分析了易拉罐真空性（负压）与罐盖的固有振动频率关系，得出了真空性越高罐盖振动频率越高的分析结论，并且通过大量实验验证了这一结论。其次，论文充分研究系统的实际工作环境及工作流程，详细设计了系统的硬件框架及软件接口。最后，论文提出系统的模块设计结构。该系统分成三大部分:DSP实时音频采集分析模块软硬件设计、高能磁脉冲激励发声模块软硬件设计以及PLC人机界面设计，各模块单独测试通过后再整合测试，最终成功设计了实时生产线真空性测试系统。
　　 该易拉罐真空测试系统在实际工厂环境中达到了1000瓶/分钟的高测试速度，并且在连续测试10000罐产品中，没有出现一次误判漏判。
　　 本文主要做了如下工作:
　　 1.论文从软硬件框架上对系统的研发提供了正确的思路，将系统的实现分成了三个模块来完成:高能磁脉冲激励发声模块、DSP音频信号采集分析模块以及PLC人机界面模块。
　　 2.论文详细描述了高能磁脉冲激励发声模块的软硬件设计。着重分析了电容对电感的放电过程产生高能磁脉冲的过程，以及高频充放电的软硬件设计。
　　 3.论文详细介绍了DSP音频信号采集分析处理模块的设计。硬件设计方面重点分析麦克风音频采集处理电路的设计及高速AD采集电路设计，并简要介绍了DSP最小系统的设计。软件方面重点就声音信号处理程序设计展开叙述。
　　 4.论文叙述了PLC模块的功能，详细介绍了PLC模块的软件流程图。
　　 5.论文通过对系统的详细功能测试表明了研发的系统具有实用价值，能够解决当前国内易拉罐饮料食品企业的需求。

目录

摘要

Contents

第一章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 系统研发主要工作

1．4 论文组织结构

第二章 系统框架设计

2．1 系统功能概述

2．2 系统硬件框架设计

2．3 系统软件框架设计

2．4 本章小结

第三章 高能磁脉冲激励发声模块设计

3．1 高能磁脉冲激励发声模块框图

3．2 高能磁脉冲激励发声模块硬件设计

3．2．1 高频充放电驱动电路设计

3．2．2 触发信号抗干扰隔离电路设计

3．3 高能磁脉冲激励发声模块软件设计

3．3．1 高能磁脉冲激励发声模块软件流程

3．3．2 高能磁脉冲激励发声模块软件详细设计

3．4 本章小结

第四章 DSP音频信号采集处理模块设计

4．1 声音检测原理

4．2 快速傅里叶变换

4．3 DSP音频信号采集处理模块硬件设计

4．3．1 DSP最小系统电路设计

4．3．2 音频信号采集电路设计

4．3．3 AD采集电路设计

4．4 DSP音频信号采集处理模块软件设计

4．4．1 声音信号处理程序设计

4．4．2 AD采样程序设计

4．5 本章小结

第五章 PLC模块设计与系统整合测试分析

5．1 PLC模块的设计

5．1．1 PLC功能描述

5．1．2 PLC模块软件设计

5．2 系统整合测试分析

5．2．1 系统操作流程

5．2．2 生产线实测结果

5．3 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表论文

声明

致谢