機器視覺下核桃自動分級系統下位機設計

郭　政，史建新，周　軍，蔡　建

（新疆農業大學機械交通學院，新疆烏魯木齊　830052）

機器視覺下核桃自動分級系統下位機設計

郭政，*史建新，周軍，蔡建

（新疆農業大學機械交通學院，新疆烏魯木齊830052）

針對傳統果蔬分級系統存在分級不精確、分級系統設備不靈活的問題，設計了機器視覺下STC89C52單片機微處理器控制核桃實時分級的系統。單片機通過串口通信，從上位機獲得分級信號后，利用8位雙向移位寄存器芯片實現了運動中核桃的同步跟蹤，移位信號移動到設定等級位置時，控制對應等級氣動電磁閥工作。通過Proteus仿真，解決了移位寄存器時鐘信號觸發移位時序的問題，并對其進行試驗驗證。結果表明，分級系統下位機可以實時響應控制，且分級精確，速度達到要求。

自動分級系統；單片機控制；移位寄存器；Proteus仿真

自2010年起新疆核桃總產量穩居全國第2位，目前新疆大部分地區采用機械分級方法以提高核桃附加值，其中應用較多的有軸輥式、篩網式、刪條滾筒式[1]。軸輥式分級機是由成對的錐形輥組成，隨著核桃前進，輥軸間隙變大，在重力和輸送力作用下調入分級框；篩網式分級機是在振動裝置及振動棒共同作用下，不同大小的核桃會在不同篩網停留實現分級；刪條滾筒式分級機則是在滾筒內壁分成若干篩選段，每個段有大小不同的篩選孔，核桃在螺旋膠管作用下往前滑移時實現分級。機械分級方法大大提高了生產效率，改變了人工分級費時耗力的狀況。

現行的機械分級方式主要存在的不足是對特殊品種的核桃經分級后發生機械損傷。在高度機械化的國家，水果由于機械損傷而引起的平均損耗占總質量的30%~40%[2]。對于一般的核桃大小分級，機械分級設備難以控制精確的分級等級，且常用的機械分級設備對分級速度比較敏感，過快的分級速度會造成較多損失[3]。基于機器視覺的無損檢測技術可以彌補機械分級設備的不足，本文在此背景下，研究了對應的機器視覺下核桃自動分級系統，其具有速度可調、分級等級可人工設定、精確度高、損傷小等優點。

1　自動分級系統控制原理

完整的機器視覺系統包括物料運輸線、光源控制、圖像采集、軟件處理和分級控制機構[4]。

機器視覺下核桃自動分級系統見圖1。

當圖像在計算機軟件內進行處理和分級判斷后，通過USB串口向下位機傳輸分級控制信號，下位機（STC89C52）根據寫入SBUF字符的不同，判斷出相應的核桃大小等級，通過IO口向不同的寄存器寫入高電平。此后，當核桃在傳輸帶上運動時，每間隔一個位置，光電開關觸發一次拍照的同時，會觸發寄存器的CP端，將寫入的高電平往后移動一位，以此來實現核桃運動時分級信號和位置的跟蹤[5]。當核桃運動到圖1中指定位置后，高電平從寄存器輸出，驅動氣動電磁閥動作，將核桃吹入等級框內。

圖1　機器視覺下核桃自動分級系統

下位機分級控制框見圖2。

圖2　下位機分級控制框

2　自動分級系統控制系統搭建

2.1串口調試助手模擬上位機

由于傳統臺式PC機支持RS232接口，但是帶有此串口的筆記本很少，所以本次試驗采用友善調試助手模擬上位機用USB串口進行通信[6-7]。當等級為Ⅰ時，通過串口助手發送字符“1”給下位機，第Ⅱ和第Ⅲ等級發送對應字符“2”和“3”。系統平臺為Windows 7×64位操作系統。

友善串口調試助手2.6.5見圖3。

2.2下位機電路設計

為了對系統進行模擬，采用Proteus軟件設計下位機電路。Proteus軟件是由英國Labcenter Electronics公司推出的單片機集成開發軟件，可通過此軟件搭建各種復雜的電路，并通過加載軟件程序實現硬件仿真[8]。

圖3　友善串口調試助手2.6.5

Proteus搭建模擬電路見圖4。

圖4　Proteus搭建模擬電路

電路圖4中，用波形發生器產生方波模擬光電開關觸發移位信號，用示波器顯示核桃等級信號B和移位信號A。為了演示效果，試驗中單片機P1.4口（等級Ⅰ）作為驅動1路寄存器使用，P1.5口（等級Ⅱ）和P1.6口（等級Ⅲ）接收信號情況用2只LED模擬，另外8只LED模擬氣動電磁閥啟閉過程。

3　試驗結果和分析

上下位機設置好后，將下位機控制程序寫入單片機，點擊Proteus的開始按鈕開始仿真，調試助手發送信號和下位機動作情況。

仿真情況見表1。

表1　仿真情況

從1路寄存器偶爾移位和2路、3路LED燈亮滅情況可知，單片機程序設計正確，可以實現準確控制。

2路、3路信號接收情況見圖5。

3.1獲得準確的觸發移位時序

圖5　2路、3路信號接收情況

仿真時，移位信號精確給出，但是寄存器存在不響應的情況。根據失效情況，找出信號A和信號B的方波圖，發現只有在分級信號B出現后的一瞬間，信號A從低電平跳躍到高電平，移位寄存器才可以正確響應。而且為了不影響分級信號被重復觸發，出現同一個核桃分級動作讓電磁閥動作2次的情況，必須讓信號A上升沿觸發時鐘建立時間的長度在下一個分級信號來之前截止。即：

合理的時序見圖6。

圖6　合理的時序

在實際應用中，由于光電開關觸發相機拍照的同時，上位機立即開始圖像處理，分級信號給出的時間取決于計算機性能和軟件算法，在此不做討論。因而，為了確保分級信號即來即移位，實際系統搭建中，采用雙光電開關傳感器，其中光電開關Ⅰ作為拍照觸發，另一個光電開關Ⅱ安裝位置緊靠光電開關Ⅰ，單獨作為建立移位信號用，其中為觸發感應鐵片寬度。

傳感器錯開布置見圖7。

按照此方式重新仿真，觀察信號A和信號B的波形，發現滿足要求時可以準確將分級信號移位。

重新布置傳感器后的2組信號波形見圖8。

3.2實物系統搭建和驗證

按照仿真的思路搭建實物模型，將傳感器布置在不同位置并測試A和B通道的波形。發現當布置方案滿足上述位置條件時，可以正確觸發并移位，達到要求。

圖7　傳感器錯開布置

圖8　重新布置傳感器后的2組信號波形

用于驗證的實物模型見圖9。

圖9　用于驗證的實物模型

4　結語

通過串口調試工具和Proteus軟件的聯合使用，提供了機器視覺下核桃輸送線上傳感器布置方案，并用雙光電傳感器解決核桃觸發移位時序的問題，為整個機器視覺分級系統提供了理論支撐。

[1]劉德華.核桃分級破殼機的設計與試驗研究 [D].晉中：山西農業大學，2015.

[2]謝佳駿，張若宇，坎雜.水果品質檢測分級加工處理過程中機械損傷研究 [J].新疆農墾科技，2015（5）：71-72.

[3]董詩韓，史建新.多輥擠壓式核桃破殼機的設計與試[4]饒秀勤.基于機器視覺的水果品質實時檢測與分級生產線的關鍵技術研究 [D].杭州：浙江大學，2007.

驗 [J].新疆農業大學學報，2011（1）：62-66.

[5]應義斌，饒秀勤，黃永林，等.水果高速實時分級機構控制系統 [J].農業機械學報，2004，35（4）：117-121.

[6]洪沙，陽翰凌.單片機多機通信中從機串口中斷服務程序設計 [J].微處理機，2008（12）：153-156.

[7]包浩明.利用并行打印機接口接收數據 [J].內蒙古大學學報，2000，31（6）：645-649.

[8]何偉剛，章帆，李政林.光纖半導體激光器溫度智能控制系統設計與仿真 [J].現代電子技術，2016，39（12）：120-123.◇

Walnut Appearance Size Automatic Classification System Based on Machine Vision

GUO Zheng，*SHI Jianxin，ZHOU Jun，CAI Jian
（Mechanical and Traffic College，Xinjiang Agricultural University，Urumuqi，Xinjiang 830052，China）

Aiming at the problem that the grading system of traditional fruits and vegetables is not accurate and its equipment is inflexible,this paper designs a real-time grading system of walnut based onmachine vision using STC89C52 single-chip microcomputer.After the MCU obtains the hierarchical signal from the host computer through the serial communication，the 8-bit bi-directional shift register chip is used to realize the synchronous tracking of the walnut in the movement，and the shift signal moves to the set level position to control the corresponding level pneumatic solenoid valve.By proteus simulation，the shift timing of the shift register clock signal is solved，and the experimental verification is made.The results show that the lower computer can respond to the real-time control，the classification is accurate and the speed can meet the requirements.

automatic grading system；single chip microcomputer control；shift register；Proteus simulation

TS255.7

Adoi：10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2016.09.039

2016-07-15

新疆維吾爾自治區科技成果轉化項目（201130102-4）。

郭政（1990— ），男，碩士，研究方向為農業機械。

史建新（1956— ），男，教授，碩士生導師，研究方向為農產品加工。