基于CH32V307天然色素提取工艺改进

只看该作者 · 2023-2-28 11:04

本帖最后由 zeshoufx 于 2023-3-3 20:45 编辑

基于CH32V307天然色素提取工艺改进

1、天然色素及提取
天然色素(NaturalPigments)的开发与应用己成为各行业科技工作者普遍关注的课题。人们试图从各种动植物资源中获取天然色素，同时探索其生理活性，来缓解并解决由合成色素所带来的各种问题。但是由于天然色素色泽不稳定，在其使用过程中容易受各种因素(如光照、温度、氧化、pH值、介质极性、金属离子、添加剂等)的影响而发生褪色、变色等方面的变化，而影响其着色效果，严重制约了天然色素代替人工合成色素的进程。现代天然植物色素的提取方法可分为溶剂提取法、熬煮法、酶反应法、超临界萃取法、压榨法、粉碎等方法。植物色素提取设备现场如图1所示。

图1植物色素提取设备现场

2、天然色素提取工艺特点及关键技术
天然色素提取，现场采用的方法是萃取提取，在各储料罐顶部需要进料、进水、进酒精，底部需要出料，包括最终的色素、水，其中酒精可能需要重复使用。因此储料罐链接的各个管道及阀门需要合理的控制，在保证质量的前提下，节约用料也是重点考量的一个要素。
目前现场工艺的主要特点包括：1、各种加料工程全部是人工完成，有经验的工人来完成调节阀门，期间不定时通过观察窗查看现场各步骤结果；2、出料品质由人工观察提取，并送研究院化验，取样和化验周期长，很难获取符合标准质量的色素；3、部分色素需人工品尝后来决定其品质，主观因素影响较大。
关键技术：通过开发一种识别色素特征的终端设备，将特征参数识别出来后发送到后台，后台系统通过标定，并与研究院化验数据进行对比，PLC控制系统根据终端设备的数据，控制管道阀门的开关，同时控制储料罐温度和气压。
3、原理实现
现场设备主要提取6种天然植物色素，现场每种色素的颜色差别较大，并且同一种色素在每个工艺过程中，颜色差别也较大。因此可以通过识别不同工艺下的色素颜色RGB分量，通过标定在不同RGB分量值下，对应研究院化验的结果，可得到各色素质量较好且经济的控制。现场的现场胡萝卜素在两个工艺下的颜色如图2所示。

file:///C:/Users/zes/AppData/Local/Temp/ksohtml156/wps3.png

图2 胡萝卜素在两个工艺下的颜色

4、硬件设计及传感器
样机硬件采用CH32V307VC单片机，小批量量产采用CH32V303CB单片机和ARM单片机GD32F303CC，这里主要以CH32V307VC开发板效果介绍。样机硬件和量产硬件如图3所示。
file:///C:/Users/zes/AppData/Local/Temp/ksohtml156/wps4.png

file:///C:/Users/zes/AppData/Local/Temp/ksohtml156/wps5.png
图3 a量产硬件图3 b样机硬件（基于开发板）
其中主要的颜色识别传感器为欧姆龙的B5WC系列，价格1200RMB左右，采用IIC协议进行通信。B5WC型设备内置专用颜色传感器由装载了PD(光电二极管)来检测以具有可见光宽波长区域的白色LED为光源、以红:Red、绿:Green、蓝:Blue共三种光原色为受光元件的各波长区域光的RGB光电IC、光学透镜、装载了MCU的内部电路等专用元件构成。此外，即使检测距离发生变化，RGB比率也几乎保持不变状态，这也是颜色传感器的另一大特色。以下表示检测距离发生变化时的颜色传感器的受光输出、以及受光输出比率。颜色传感器也是一种反射型传感器，所以RGB受光输出值也会根据检测距离的变化而发生变化，但RGB受光输出比率几乎不变。这是因为除了检测物体的反射光量以外，还会检测反射光中所含R/G/B各波长成分所致。因此，即使与检测物体的间距各异并发生变化，也可稳定辨别检测物体的色差。传感器实物图及与单片机连接分别如图4和图5所示。

file:///C:/Users/zes/AppData/Local/Temp/ksohtml156/wps6.png[size=12.0000pt]

[size=12.0000pt]图4 B5WC传感器实物图

file:///C:/Users/zes/AppData/Local/Temp/ksohtml156/wps7.jpg[size=10.5000pt]

[size=12.0000pt]图5 B5WC传感器与单片机连接图

5、关键代码

5.1 B5WC传感器驱动
file:///C:/Users/zes/AppData/Local/Temp/ksohtml156/wps8.jpg[size=10.5000pt]

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/*

 * b5wc.c

 *

 *  Created on: Jan 30, 2023

 *      Author: zeshou

 */

#include "b5wc.h"



#define Address_Lenth    Address_8bit



void b5wc_io_set(void)

{

    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure = {0};

    I2C_InitTypeDef  I2C_InitTSturcture = {0};



    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);

    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_I2C2, ENABLE);



    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;

    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_OD;

    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);



    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_11;

    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_OD;

    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);



    I2C_InitTSturcture.I2C_ClockSpeed = 100000;

    I2C_InitTSturcture.I2C_Mode = I2C_Mode_I2C;

    I2C_InitTSturcture.I2C_DutyCycle = I2C_DutyCycle_2;

    I2C_InitTSturcture.I2C_OwnAddress1 = 0x80;

    I2C_InitTSturcture.I2C_Ack = I2C_Ack_Enable;

    I2C_InitTSturcture.I2C_AcknowledgedAddress = I2C_AcknowledgedAddress_7bit;

    I2C_Init(I2C2, &I2C_InitTSturcture);



    I2C_Cmd(I2C2, ENABLE);



    I2C_AcknowledgeConfig(I2C2, ENABLE);

}



void b5wc_write_byte(u16 addr,u8 data)

{

    while(I2C_GetFlagStatus(I2C2, I2C_FLAG_BUSY) != RESET);

    I2C_GenerateSTART(I2C2, ENABLE);



    while(!I2C_CheckEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT));

    I2C_Send7bitAddress(I2C2, 0X80, I2C_Direction_Transmitter);



    while(!I2C_CheckEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED));



    #if(Address_Lenth == Address_8bit)

        I2C_SendData(I2C2, (u8)(addr & 0x00FF));

        while(!I2C_CheckEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED));



    #elif(Address_Lenth == Address_16bit)

        I2C_SendData(I2C2, (u8)(WriteAddr >> 8));

        while(!I2C_CheckEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED));



        I2C_SendData(I2C2, (u8)(WriteAddr & 0x00FF));

        while(!I2C_CheckEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED));



    #endif



        if(I2C_GetFlagStatus(I2C2, I2C_FLAG_TXE) != RESET)

        {

            I2C_SendData(I2C2, data);

        }



        while(!I2C_CheckEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED));

        I2C_GenerateSTOP(I2C2, ENABLE);

}



//void b5wc_wait_standby_state(void)

//{

//    vu32 val = 0;

//

//    while(1)

//    {

//        while(i2c_flag_get(I2C0, I2C_FLAG_I2CBSY));

//        i2c_start_on_bus(I2C0);

//        while(!i2c_flag_get(I2C0, I2C_FLAG_SBSEND));

//        i2c_master_addressing(I2C0, 0x80, I2C_TRANSMITTER);

//

//        do

//        {

//            val = I2C_STAT0(I2C0);

//

//        }while(0 == (val & (I2C_STAT0_ADDSEND | I2C_STAT0_AERR)));

//

//        if(val & I2C_STAT0_ADDSEND)

//        {

//            i2c_flag_clear(I2C0,I2C_FLAG_ADDSEND);

//            i2c_stop_on_bus(I2C0);

//            return ;

//

//        }

//        else

//        {

//            i2c_flag_clear(I2C0,I2C_FLAG_AERR);

//        }

//        i2c_stop_on_bus(I2C0);

//        while(I2C_CTL0(I2C0)&0x0200);

//    }

//}



u8 b5wc_read_byte(u16 addr)

{

    u8 temp = 0;



    while(I2C_GetFlagStatus(I2C2, I2C_FLAG_BUSY) != RESET);

    I2C_GenerateSTART(I2C2, ENABLE);



    while(!I2C_CheckEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT));

    I2C_Send7bitAddress(I2C2, 0x80, I2C_Direction_Transmitter);



    while(!I2C_CheckEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED));



    #if(Address_Lenth == Address_8bit)

        I2C_SendData(I2C2, (u8)(addr & 0x00FF));

        while(!I2C_CheckEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED));



    #elif(Address_Lenth == Address_16bit)

        I2C_SendData(I2C2, (u8)(ReadAddr >> 8));

        while(!I2C_CheckEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED));



        I2C_SendData(I2C2, (u8)(ReadAddr & 0x00FF));

        while(!I2C_CheckEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED));



    #endif



        I2C_GenerateSTART(I2C2, ENABLE);



        while(!I2C_CheckEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT));

        I2C_Send7bitAddress(I2C2, 0x80, I2C_Direction_Receiver);



        while(!I2C_CheckEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_RECEIVER_MODE_SELECTED));

        while(I2C_GetFlagStatus(I2C2, I2C_FLAG_RXNE) == RESET)

            I2C_AcknowledgeConfig(I2C2, DISABLE);



        temp = I2C_ReceiveData(I2C2);

        I2C_GenerateSTOP(I2C2, ENABLE);



        return temp;

}



void b5cw_init(void)

{

    b5wc_io_set();

    Delay_Ms(100);



    b5wc_write_byte(0x00,0x5a);



    b5wc_write_byte(0x01,0x0a);



    b5wc_write_byte(0x00,0x5b);



    if(0x0a==b5wc_read_byte(0x01))

    {

        printf("参数设置成功...\r\n");

    }

    else

    {

        printf("参数设置失败...\r\n");

    }

}



void b5cw_RGB_value_get(u16 *rgb)

{

    u8 temp1=0,temp2=0,temp3=0,temp4=0,temp5=0,temp6=0;



    temp1=b5wc_read_byte(0x02);

    temp2=b5wc_read_byte(0x03);



    temp3=b5wc_read_byte(0x04);

    temp4=b5wc_read_byte(0x05);



    temp5=b5wc_read_byte(0x06);

    temp6=b5wc_read_byte(0x07);



    rgb[0]=(temp2<<8)+temp1;

    rgb[1]=(temp4<<8)+temp3;

    rgb[2]=(temp6<<8)+temp5;

}

[size=10.5000pt]
[size=10.5000pt]5.2 Modbus-RTU协议实现

[size=28.0000pt]

复制

#include "tim3.h"

#include "Sys_Config.h"

#if MD_USD_SALVE

//#include "MDS_RTU_Serial.h"

#include "MDS_RTU_Serial_1.h"

#else 

#include "MDM_RTU_Serial.h"

#endif



vu32 sys_tick_100us=0;



//General purpose timer 3 interrupt initialization

//The clock here is 2 times that of APB1, and APB1 is 36M

//arr: automatic reload value.

//psc: clock prescaler number

//Timer 3 is used here!

void TIM3_Int_Init(u16 arr,u16 psc)

{

    TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;

        NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;



        RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);



        TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr;

        TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc;

        TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;

        TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;

        TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);



        TIM_ITConfig(TIM3,TIM_IT_Update,ENABLE );



        NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM3_IRQn;

        NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;

        NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3;

        NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;

        NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);



        TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);

}



void TIM3_IRQHandler(void) __attribute__((interrupt("WCH-Interrupt-fast")));

void TIM3_IRQHandler(void)

{

    if (TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_Update) != RESET)

    {

        TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update);

        sys_tick_100us++;

        #if !MD_RTU_USED_OS

            #if MD_USD_SALVE

//          MDSTimeHandler100US(sys_tick_100us);

            MDSTimeHandler100US_1(sys_tick_100us);

            #else

            MDMTimeHandler100US(sys_tick_100us);

            #endif

        #endif

    }

}

复制

#include "usart3.h"

#include "Sys_Config.h"

#if MD_USD_SALVE

#include "MDS_RTU_Serial_1.h"

#else 

#include "MDM_RTU_Serial.h"

#include "MD_RTU_SysInterface.h"

#include "MDM_RTU_Fun.h"

#endif



void RS485RWConvInit(void)

{

//        GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;

//        RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC| RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);

//        BKP_TamperPinCmd(DISABLE);

//        BKP_ITConfig(DISABLE);  



//        GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13;

//        GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; 

//        GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz; 

//        GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure);

//        GPIO_ResetBits(GPIOC,GPIO_Pin_13); 



}





void init_usart3(u32 baudRate)

{

    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;

        GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

        NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct;

        /* Enable GPIO clock */

        RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1 |\

                RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);



        GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;

        GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

        GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;

        GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

        GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;

        GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

        GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;

        GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);



        USART_InitStructure.USART_BaudRate = baudRate;

        USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;

        USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;

        USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;

        USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;

        USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;

     /* Configure USARTz */

        USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);

        USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);

        USART_Cmd(USART1, ENABLE);





        NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel=USART1_IRQn;

        NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd=ENABLE;

        NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=0;

        NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority=0;

        NVIC_Init(&NVIC_InitStruct);

}

void usart3_send_byte(u8 byte)

{

    while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TC )==RESET);

        USART_SendData(USART1,byte);

        while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TC )==RESET);

}

void usart3_send_bytes(u8 *bytes,int len)

{

        int i;

        for(i=0;i<len;i++)

        {

                usart3_send_byte(bytes[i]);

        }

}

void usart3_send_string(char *string)

{

        while(*string)

        {

                usart3_send_byte(*string++);

        }

}





void USART1_IRQHandler(void) __attribute__((interrupt("WCH-Interrupt-fast")));

void USART1_IRQHandler(void)

{

    if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET)

        {

                        uint8_t data = USART_ReceiveData(USART1);

                        #if !MD_RTU_USED_OS

                                #if MD_USD_SALVE

                                        MDSSerialRecvByte_1(data);

                                #else 

                                        #if MDM_USD_USART3

                                                MDMSerialRecvByte(data);

                                        #endif

                                #endif

                        #else

                                extern Modbus_RTU modbus_RTU;

                                MD_RTU_MsgPut((PModbusBase)(&modbus_RTU), MD_RTU_MSG_HANDLE_ARG(&modbus_RTU),(void*)(data),0);

                        #endif

    }

}

[size=10.5000pt]
6、识别效果及展示视频

识别效果

file:///C:/Users/zes/AppData/Local/Temp/ksohtml156/wps9.jpg[size=10.5000pt]
[size=10.5000pt]视频链接：
https://www.bilibili.com/video/BV1aG4y1U7fo/?spm_id_from=333.999.list.card_archive.click
天然色———胡萝卜素提取_哔哩哔哩_bilibili
[size=12.0000pt]开源网址：https://gitee.com/zhang_en/color_identify.git
[size=12.0000pt]
7、现场应用效果及前景
目前已装上，通过终端模块连接4G DTU，传输到后台数据库，采集原始样本并形成规模数据后与研究院沟通。

云南享有动植物王国，天然植物色素丰富，集团内部下属公司多是生物医药，相同的工艺环节甚多，推广前景很好。另外化工、喷漆等行业也是潜在的应用行业。

基于CH32V307天然色素提取工艺改进

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