基于機器視覺煙箱缺條檢測系統電氣設計

姚猛，張保永，郭繼文

(蚌埠卷煙廠，安徽 蚌埠 233000)

基于機器視覺煙箱缺條檢測系統電氣設計

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中煙箱缺條的問題，對煙箱缺條檢測系統的軟硬件設計以及系統擴展性問題進行了研究。闡述了以LM3S8971型ARM微處理器為控制核心的硬件電路設計原理，基于C語言的模塊化編程思路。在系統的擴展性方面，使用ZigBee模塊組網，并通過3G網實現遠程控制。現場應用結果表明，系統能安全、可靠地解決煙箱缺條問題，設計方案較為先進，能夠滿足企業要求。

LM3S8971型ARM微處理器；Flash存儲器；ZigBee模塊；3G模塊

0 引言

在現代化的卷煙生產中，煙條裝箱打包時，由于各種原因會出現煙箱缺條現象。缺條煙箱流入市場將會給企業聲譽帶來非常壞的影響，因此對煙箱進行缺條檢測是必須的生產工序。傳統檢測工序一般依靠人工進行檢測，工作強度大且效率低，其不理想的效果使本行業一直受煙箱缺條的困擾，雖然行業內的有些企業采用了稱重式和射線式的技術方案，但前者由于煙草含水量導致的質量誤差不可避免，漏檢和誤檢較多，后者由于存在對安全和環境的影響等問題，實際效果也不夠理想。

為解決這一問題，本文采用基于機器視覺的檢測模式對煙箱缺條進行全面檢測。該方法將光學、圖像處理等技術運用到自動控制系統中，對機械系統進行有效監控，對具有缺條缺陷煙箱進行很好識別，并將包裝不合格的產品從生產線上剔出或報警停機，提高了生產效率、降低了企業成本。本文主要研究該系統的電氣系統的設計。

1 煙箱缺條檢測系統硬件設計

1.1 系統方案設計

該系統系統框圖如圖1所示。其主控部分包括MCU、觸發傳感器、光電耦合器、恒流濾波器、工業相機、LED光源、LCD液晶顯示屏、電磁閥、報警器、串口電路、供電電路以及各接口電路。

圖1 主控系統框圖

該系統主控部分的MCU選用LM3S8971。這是LuminaryMicro公司Stellaris?所提供基于ARM?CortexTM-M3的控制器，這一處理器為對成本尤其敏感的嵌入式微控制器應用方案帶來了高性能的32位運算能力。 是針對工業應用方案而設計的，廣泛應用于遠程監控、電子販售機、測試和測量設備、網絡設備和交換機、工廠自動化、HVAC和建筑控制、游戲設備、運動控制、醫療器械、以及火警安防等系統中。

由于工業現場信號容易受到干擾、雷擊、感應電等多種影響，該系統在設計中采用光電耦合器對微處理器進行保護。工業相機工作電平為DC12V，與微處理器之間通過光電耦合器進行電平轉換。電磁閥在通/斷電的瞬間會產生較強的反電動勢，該系統增加了續流二極管使其產生的反電動勢在回路以續電流方式消耗，從而對微控制器進行保護。

1.2 主要硬件電路設計

根據系統方案，本文詳細介紹觸發器接口電路、相機接口電路、LED接口電路以及時鐘電路。

1.2.1 觸發傳感器接口設計

觸發傳感器接口電路圖如圖2所示。其觸發傳感器采用美國邦納公司的E2E-X5ME1-M1接近開關。煙箱觸發接近開關使端口電平發生跳變，微處理器接收變化的輸入信號即可判斷煙箱的到位情況。電路中采用光耦隔離對微處理器進行保護，隔離后的信號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TRIG接口設計

相機采用德國AVT公司的GC660紅外CCD相機，并通過千兆網口輸出。TRIG口的每次跳變都會使相機曝光

圖2 觸發傳感器接口電路圖

一次，從而實現通過TRIG口控制相機的曝光時機。相機的TRIG口有公共陽線、信號線。由于信號線較易受到干擾造成相機誤拍，在實際應用過程中，必須采用相應的隔離電路。與微控制器輸入信號的隔離措施相同，本設計依然采用光電隔離的方法保護信號線上的信號，隔離后的信號經過恒流濾波器，接到相機的TRIG輸入端。從而解決了相機誤拍的問題。相機TRIG接口電路圖如圖3所示。

圖3 相機TRIG接口電路圖

1.2.3LED光源接口設計

在LED光源的使用中，合理的調光技術，不但可以使LED光源具有更長的壽命，并且對節能減排具有重大意義，該系統采用頻閃發光控制方式，這是一種較好的方式，廣泛應用于各種監控系統中。該方式對LED光源瞬間穩定性有很高要求，因此系統采用添加LED恒流驅動器的方法，減少由電壓變化引起的電流變化。同時可根據現場需要通過調節恒流的大小設定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 實時時鐘電路設計

系統選用M14T81芯片作為時鐘芯片，其主要作用是為系統提供時間基準，以便實現每天的故障信息查詢功能，對M14T81芯片的讀寫采用I2C協議。實時時鐘接口電路圖如圖5所示。

圖5 實時時鐘接口電路圖

2 煙箱缺條檢測主控系統軟件設計

系統軟件設計以C語言為編寫基礎，充分利用LM3S庫函數編寫程序，在程序設計中采用模塊化思想，增加系統軟件的可移植性，編程簡潔，調試方便。軟件整體架構如圖6所示。

圖6 軟件架構圖

定時器中斷模塊設計如圖7所示。系統對外部設備的變化采用定時查詢的方式。定時器中斷時間設置為1 ms，系統首先對到位傳感器輸入信號進行檢測，若到位信號觸發則點亮光源。隨后判斷光源預熱時間，以判斷是否打開相機TRIG信號。之后通過TRIG脈寬信號判斷煙箱好壞，決定是否剔除。如需剔除則打開剔除閥，當開閥脈寬到達額定值時關閉剔除閥。

圖7 定時器1中斷程序流程圖

此外軟件系統還包括LCD顯示模塊，參數存儲和讀取模塊，菜單模塊、按鍵處理模塊等模塊的設計，因篇幅所限，不作詳細介紹。

3 煙箱缺條檢測系統擴展性問題

該系統在車間現場的實際應用中經常需要調整運行參數，如果現場技術人員對系統參數不熟悉，就會影響工作效率，甚至影響系統的正常運行。因此該系統增加擴展接口，在車間現場通過ZigBee無線方式將各監測系統組成網絡，然后由主站通過3G網將數據發到技術服務點，由服務器讀出相應信息進行分析，并由相關技術人員將調整好的參數回傳給每臺設備，從而實現遠程維護。

4 結論

本文采用機器視覺的方式優化電氣控制在煙箱缺條檢測系統中的應用，對提高煙草行業監測效率，節省企業開支都有重要的意義。機器視覺技術在自動控制領域擁有廣闊的前景，隨著硬件技術的不斷發展，控制系統功能的不斷增強，機器視覺應用技術也將飛速發展，使其能夠真正的產品化還有很多的工作要做。

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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，主要從事設備管理技術改造等相關工作。

TP27+.3

B

1671-5276(2014)02-0201-03

2013-01-17