基于機(jī)器視覺煙箱缺條檢測系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)

姚猛，張保永，郭繼文

(蚌埠卷煙廠，安徽 蚌埠 233000)

基于機(jī)器視覺煙箱缺條檢測系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)

姚猛，張保永，郭繼文

(蚌埠卷煙廠，安徽 蚌埠 233000)

為更好的解決卷煙行業(yè)中煙箱缺條的問題，對(duì)煙箱缺條檢測系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)擴(kuò)展性問題進(jìn)行了研究。闡述了以LM3S8971型ARM微處理器為控制核心的硬件電路設(shè)計(jì)原理，基于C語言的模塊化編程思路。在系統(tǒng)的擴(kuò)展性方面，使用ZigBee模塊組網(wǎng)，并通過3G網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，系統(tǒng)能安全、可靠地解決煙箱缺條問題，設(shè)計(jì)方案較為先進(jìn)，能夠滿足企業(yè)要求。

LM3S8971型ARM微處理器；Flash存儲(chǔ)器；ZigBee模塊；3G模塊

0 引言

在現(xiàn)代化的卷煙生產(chǎn)中，煙條裝箱打包時(shí)，由于各種原因會(huì)出現(xiàn)煙箱缺條現(xiàn)象。缺條煙箱流入市場將會(huì)給企業(yè)聲譽(yù)帶來非常壞的影響，因此對(duì)煙箱進(jìn)行缺條檢測是必須的生產(chǎn)工序。傳統(tǒng)檢測工序一般依靠人工進(jìn)行檢測，工作強(qiáng)度大且效率低，其不理想的效果使本行業(yè)一直受煙箱缺條的困擾，雖然行業(yè)內(nèi)的有些企業(yè)采用了稱重式和射線式的技術(shù)方案，但前者由于煙草含水量導(dǎo)致的質(zhì)量誤差不可避免，漏檢和誤檢較多，后者由于存在對(duì)安全和環(huán)境的影響等問題，實(shí)際效果也不夠理想。

為解決這一問題，本文采用基于機(jī)器視覺的檢測模式對(duì)煙箱缺條進(jìn)行全面檢測。該方法將光學(xué)、圖像處理等技術(shù)運(yùn)用到自動(dòng)控制系統(tǒng)中，對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行有效監(jiān)控，對(duì)具有缺條缺陷煙箱進(jìn)行很好識(shí)別，并將包裝不合格的產(chǎn)品從生產(chǎn)線上剔出或報(bào)警停機(jī)，提高了生產(chǎn)效率、降低了企業(yè)成本。本文主要研究該系統(tǒng)的電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 煙箱缺條檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)系統(tǒng)框圖如圖1所示。其主控部分包括MCU、觸發(fā)傳感器、光電耦合器、恒流濾波器、工業(yè)相機(jī)、LED光源、LCD液晶顯示屏、電磁閥、報(bào)警器、串口電路、供電電路以及各接口電路。

圖1 主控系統(tǒng)框圖

該系統(tǒng)主控部分的MCU選用LM3S8971。這是LuminaryMicro公司Stellaris?所提供基于ARM?CortexTM-M3的控制器，這一處理器為對(duì)成本尤其敏感的嵌入式微控制器應(yīng)用方案帶來了高性能的32位運(yùn)算能力。 是針對(duì)工業(yè)應(yīng)用方案而設(shè)計(jì)的，廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程監(jiān)控、電子販?zhǔn)蹤C(jī)、測試和測量設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和交換機(jī)、工廠自動(dòng)化、HVAC和建筑控制、游戲設(shè)備、運(yùn)動(dòng)控制、醫(yī)療器械、以及火警安防等系統(tǒng)中。

由于工業(yè)現(xiàn)場信號(hào)容易受到干擾、雷擊、感應(yīng)電等多種影響，該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中采用光電耦合器對(duì)微處理器進(jìn)行保護(hù)。工業(yè)相機(jī)工作電平為DC12V，與微處理器之間通過光電耦合器進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。電磁閥在通/斷電的瞬間會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的反電動(dòng)勢，該系統(tǒng)增加了續(xù)流二極管使其產(chǎn)生的反電動(dòng)勢在回路以續(xù)電流方式消耗，從而對(duì)微控制器進(jìn)行保護(hù)。

1.2 主要硬件電路設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)方案，本文詳細(xì)介紹觸發(fā)器接口電路、相機(jī)接口電路、LED接口電路以及時(shí)鐘電路。

1.2.1 觸發(fā)傳感器接口設(shè)計(jì)

觸發(fā)傳感器接口電路圖如圖2所示。其觸發(fā)傳感器采用美國邦納公司的E2E-X5ME1-M1接近開關(guān)。煙箱觸發(fā)接近開關(guān)使端口電平發(fā)生跳變，微處理器接收變化的輸入信號(hào)即可判斷煙箱的到位情況。電路中采用光耦隔離對(duì)微處理器進(jìn)行保護(hù)，隔離后的信號(hào)接到微處理器外中斷INT0或INT1的輸入端。并加入LED指示燈顯示電平變化，使觀察者能夠更好的觀察。

1.2.2 相機(jī)TRIG接口設(shè)計(jì)

相機(jī)采用德國AVT公司的GC660紅外CCD相機(jī)，并通過千兆網(wǎng)口輸出。TRIG口的每次跳變都會(huì)使相機(jī)曝光

圖2 觸發(fā)傳感器接口電路圖

一次，從而實(shí)現(xiàn)通過TRIG口控制相機(jī)的曝光時(shí)機(jī)。相機(jī)的TRIG口有公共陽線、信號(hào)線。由于信號(hào)線較易受到干擾造成相機(jī)誤拍，在實(shí)際應(yīng)用過程中，必須采用相應(yīng)的隔離電路。與微控制器輸入信號(hào)的隔離措施相同，本設(shè)計(jì)依然采用光電隔離的方法保護(hù)信號(hào)線上的信號(hào)，隔離后的信號(hào)經(jīng)過恒流濾波器，接到相機(jī)的TRIG輸入端。從而解決了相機(jī)誤拍的問題。相機(jī)TRIG接口電路圖如圖3所示。

圖3 相機(jī)TRIG接口電路圖

1.2.3LED光源接口設(shè)計(jì)

在LED光源的使用中，合理的調(diào)光技術(shù)，不但可以使LED光源具有更長的壽命，并且對(duì)節(jié)能減排具有重大意義，該系統(tǒng)采用頻閃發(fā)光控制方式，這是一種較好的方式，廣泛應(yīng)用于各種監(jiān)控系統(tǒng)中。該方式對(duì)LED光源瞬間穩(wěn)定性有很高要求，因此系統(tǒng)采用添加LED恒流驅(qū)動(dòng)器的方法，減少由電壓變化引起的電流變化。同時(shí)可根據(jù)現(xiàn)場需要通過調(diào)節(jié)恒流的大小設(shè)定LED光源的亮度。LED光源接口電路圖如圖4所示。

圖4 LED光源接口電路圖

1.2.4 實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用M14T81芯片作為時(shí)鐘芯片，其主要作用是為系統(tǒng)提供時(shí)間基準(zhǔn)，以便實(shí)現(xiàn)每天的故障信息查詢功能，對(duì)M14T81芯片的讀寫采用I2C協(xié)議。實(shí)時(shí)時(shí)鐘接口電路圖如圖5所示。

圖5 實(shí)時(shí)時(shí)鐘接口電路圖

2 煙箱缺條檢測主控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)以C語言為編寫基礎(chǔ)，充分利用LM3S庫函數(shù)編寫程序，在程序設(shè)計(jì)中采用模塊化思想，增加系統(tǒng)軟件的可移植性，編程簡潔，調(diào)試方便。軟件整體架構(gòu)如圖6所示。

圖6 軟件架構(gòu)圖

定時(shí)器中斷模塊設(shè)計(jì)如圖7所示。系統(tǒng)對(duì)外部設(shè)備的變化采用定時(shí)查詢的方式。定時(shí)器中斷時(shí)間設(shè)置為1 ms，系統(tǒng)首先對(duì)到位傳感器輸入信號(hào)進(jìn)行檢測，若到位信號(hào)觸發(fā)則點(diǎn)亮光源。隨后判斷光源預(yù)熱時(shí)間，以判斷是否打開相機(jī)TRIG信號(hào)。之后通過TRIG脈寬信號(hào)判斷煙箱好壞，決定是否剔除。如需剔除則打開剔除閥，當(dāng)開閥脈寬到達(dá)額定值時(shí)關(guān)閉剔除閥。

圖7 定時(shí)器1中斷程序流程圖

此外軟件系統(tǒng)還包括LCD顯示模塊，參數(shù)存儲(chǔ)和讀取模塊，菜單模塊、按鍵處理模塊等模塊的設(shè)計(jì)，因篇幅所限，不作詳細(xì)介紹。

3 煙箱缺條檢測系統(tǒng)擴(kuò)展性問題

該系統(tǒng)在車間現(xiàn)場的實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常需要調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，如果現(xiàn)場技術(shù)人員對(duì)系統(tǒng)參數(shù)不熟悉，就會(huì)影響工作效率，甚至影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。因此該系統(tǒng)增加擴(kuò)展接口，在車間現(xiàn)場通過ZigBee無線方式將各監(jiān)測系統(tǒng)組成網(wǎng)絡(luò)，然后由主站通過3G網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)到技術(shù)服務(wù)點(diǎn)，由服務(wù)器讀出相應(yīng)信息進(jìn)行分析，并由相關(guān)技術(shù)人員將調(diào)整好的參數(shù)回傳給每臺(tái)設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程維護(hù)。

4 結(jié)論

本文采用機(jī)器視覺的方式優(yōu)化電氣控制在煙箱缺條檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用，對(duì)提高煙草行業(yè)監(jiān)測效率，節(jié)省企業(yè)開支都有重要的意義。機(jī)器視覺技術(shù)在自動(dòng)控制領(lǐng)域擁有廣闊的前景，隨著硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，控制系統(tǒng)功能的不斷增強(qiáng)，機(jī)器視覺應(yīng)用技術(shù)也將飛速發(fā)展，使其能夠真正的產(chǎn)品化還有很多的工作要做。

[1] 周立功. ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

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Design in detection system based on machine vision

YAO Meng, ZHANG Bao-yong, GUO Ji-wen

(Bengbu Tobacco Factory, Bengbu 233000,China)

In order to solve problems of lack of a smoke box in cagarette industry,this paper studies lack of a smoke box detection system hardware and software design and system scalability issues. Explained to LM3S8971 ARM hardware circuit for the control of the core design principles, based on the C programming language modular thinking. Scalability of the system, using a ZigBee network module, and remote control via 3G. Field application results show that the system meets the design requirements with high security and reliability.

LM3S8971 ARM microprocessor;flash memory;ZigBee module;3G module

姚猛(1969-)，男，安徽蚌埠人，工程師，主要從事設(shè)備管理技術(shù)改造等相關(guān)工作。

TP27+.3

B

1671-5276(2014)02-0201-03

2013-01-17