自動(dòng)化儀器儀表嵌入式視覺在線智能檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

魏新峰 魯中甫 楊光露 王廣勝

摘要：煙草質(zhì)量的檢測(cè)是煙草企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)過程中必不可少的環(huán)節(jié)，文章針對(duì)煙草質(zhì)量檢測(cè)自動(dòng)化程度低等問題，開發(fā)設(shè)計(jì)了一種嵌入式視覺在線智能檢測(cè)系統(tǒng)。文章介紹了傳統(tǒng)檢測(cè)系統(tǒng)存在的弊端以及嵌入式視覺在線智能檢測(cè)系統(tǒng)具有的優(yōu)勢(shì);詳細(xì)介紹了嵌入式視覺在線智能檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案;進(jìn)一步分析了嵌入式視覺在線智能檢測(cè)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)及工作流程，通過自動(dòng)識(shí)別判斷煙草的缺陷，實(shí)現(xiàn)優(yōu)劣煙草分揀。

關(guān)鍵詞：智能檢測(cè);分揀系統(tǒng);操作機(jī)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TM933.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2021）01-0090-03

0引言

目前，我國(guó)大多數(shù)煙草生產(chǎn)流水線保證產(chǎn)品質(zhì)量的方法還無法完全脫離人工檢測(cè)篩選，人工檢測(cè)一方面降低了檢測(cè)質(zhì)量和效率;另一方面不合格產(chǎn)品分揀困難，降低產(chǎn)品質(zhì)量。隨著人工智能的發(fā)展，科技檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到眾多領(lǐng)域，慢慢取代了人工檢測(cè)。在這種形勢(shì)下，開發(fā)一種嵌入式視覺在線智能檢測(cè)系統(tǒng)，不僅可以提高生產(chǎn)質(zhì)量，同時(shí)還可以降低生產(chǎn)成本，提升煙草生產(chǎn)過程安全性。

1概述

1.1系統(tǒng)特點(diǎn)

自動(dòng)化儀器儀表就是一種以微處理器為核心單元，同時(shí)兼有判斷、檢測(cè)和處理信息等功能的儀器。其最大的特點(diǎn)是具備信息檢測(cè)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、運(yùn)算的功能，同時(shí)還具有智能信息處理能力（自動(dòng)故障診斷、自動(dòng)量程轉(zhuǎn)化等）。在數(shù)據(jù)處理與功能多樣化方面都有了很大的提高。

1.2系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

自動(dòng)化儀器儀表嵌人式視覺在線智能檢測(cè)系統(tǒng)與傳統(tǒng)儀器相比具有許多優(yōu)勢(shì)。

1）試驗(yàn)操作方面：傳統(tǒng)的儀器檢測(cè)需要測(cè)試人員攜帶多種儀器進(jìn)行多項(xiàng)檢測(cè)，當(dāng)一個(gè)項(xiàng)目檢測(cè)完成后，需要重新安裝去檢測(cè)下一個(gè)。如果所需電流不同，則需要多次搬運(yùn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，測(cè)試效率不高，浪費(fèi)人力物力，而且實(shí)驗(yàn)過程中存在安全隱患。視覺在線智能檢測(cè)系統(tǒng)可以兼容不同電壓、不同重量的檢測(cè)設(shè)備，有效的減少人力資源浪費(fèi)，提高了工作效率。

2）數(shù)據(jù)管理方面：傳統(tǒng)的檢測(cè)方式是人工計(jì)算實(shí)驗(yàn)結(jié)果，人工搜集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)需要進(jìn)行多次匯總，這種方式容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，影響數(shù)據(jù)質(zhì)量，而且耗費(fèi)人力物力。視覺在線智能檢測(cè)系統(tǒng)可以自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，自動(dòng)診斷檢測(cè)結(jié)果。

3）安全保障方面：傳統(tǒng)檢測(cè)方式需要進(jìn)行多次設(shè)備操作，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所不固定，人員與設(shè)備間無法進(jìn)行隔離，存在一定的安全隱患。視覺在線智能檢測(cè)系統(tǒng)可以進(jìn)行軟件控制，提高實(shí)驗(yàn)效率，避免失誤操作，提高安全性。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1系統(tǒng)研究?jī)?nèi)容

一般系統(tǒng)的分揀設(shè)備有兩種：手動(dòng)式煙草分揀和傳動(dòng)式煙草分揀。本系統(tǒng)將手動(dòng)分揀煙草與傳動(dòng)分揀煙草結(jié)合起來，讓機(jī)器根據(jù)煙草類型進(jìn)行自動(dòng)選擇。

2.2系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)

為適應(yīng)企業(yè)生產(chǎn)需求，將固有的繁瑣程序簡(jiǎn)單化，利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)視覺在線智能檢測(cè)系統(tǒng)。當(dāng)啟動(dòng)操作系統(tǒng)以后，能夠?qū)τ?jì)算機(jī)進(jìn)行日常維護(hù)，系統(tǒng)模型如圖1所示。如果檢測(cè)過程中出現(xiàn)問題，通常不用借助外部程序，自身攜帶的操作系統(tǒng)可以進(jìn)行重新啟動(dòng)，修復(fù)操作系統(tǒng)。

3系統(tǒng)界面功能設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)平臺(tái)是在考慮視覺檢測(cè)對(duì)環(huán)境的要求和系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上完成設(shè)計(jì)的，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)的組成是由迪文屏、SMT32單片機(jī)、openMV模塊、無畸變鏡頭、遮光罩、待檢測(cè)煙草、電驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、光電傳感器等。工作流程是待檢測(cè)煙草將零部件運(yùn)送到傳送帶上，在經(jīng)過openWV模塊的圖形圖像算法運(yùn)算后，將煙草的尺寸等信息傳送給STM單片機(jī)，進(jìn)過煙草分揀和光電傳感器進(jìn)行檢測(cè)。

3.2硬件設(shè)計(jì)

如圖3所示為控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)使用的電流為220V，經(jīng)過MP175電源轉(zhuǎn)換單元將電壓降為6V左右，然后給LED恒流驅(qū)動(dòng)單元和光電模塊進(jìn)行供電，STM32單片機(jī)、迪文屏和openMV模塊需要保證用電的安全性，因此，其都采用隔離電源;整個(gè)控制系統(tǒng)的核心是STM32單片機(jī)，其內(nèi)部帶有高級(jí)定時(shí)器和多路串口通信接口，并且可以產(chǎn)生高精度的伺服電機(jī)，可與迪文屏和openMV進(jìn)行通信;而且在連接上都加入了光耦隔離芯片，可以防止干擾信號(hào)造成的四級(jí)與損毀。OpenMV模塊的核心是一個(gè)stm32F7單片機(jī)，具有優(yōu)越的視覺識(shí)別性能，而且成本低廉，但它不是控制單元，僅作為圖像識(shí)別單元。

在設(shè)計(jì)電源模塊時(shí)需要考慮帶有舵機(jī)、光源等外設(shè)的最大功率，約為10.2W。設(shè)計(jì)采用Core sys-terns，Inc生產(chǎn)的MP715芯片，它是一款非隔離降壓芯片，功率為700V，輸出功能為10W，于傳統(tǒng)的互感降器降壓相比可以減小控制系統(tǒng)總面積，成本更低。其降壓電路如圖4所示，具有防止浪涌電壓損壞系統(tǒng)，熱敏電阻為19R。系統(tǒng)可以提高電源輸出功率，采用全橋方式進(jìn)行交流轉(zhuǎn)直流，降低MPl75電源轉(zhuǎn)換單元的發(fā)熱量，提高直流電的輸出功率，其輸出電壓與反饋電阻的關(guān)系為：

（其中V表示電壓，R表示電阻。）

電源電路想要輸出穩(wěn)定，在設(shè)計(jì)PCB時(shí)，除了需要考慮元器件參數(shù)和選型之外，還需要考慮線路布局，具體有以下3點(diǎn)：①在走M(jìn)P175降壓電路線路時(shí)不能直接從電感輸出端進(jìn)入，需要在電容之后，而且要遠(yuǎn)離電感等干擾源;②增加管腳上的鋪銅量;③輸出電容、二極管和芯片的回路要盡可能小。

3.3軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件由兩部分組成：STM32自動(dòng)控制程序和openMV煙草檢測(cè)程序，其工作流程如圖5所示。工作流程如下：先獲取圖片，根據(jù)染色查找煙草，對(duì)其進(jìn)行二值化，再查找邊沿，接著查找煙草中心軸，計(jì)算中心軸長(zhǎng)度，由此判斷煙草是否合格，單片機(jī)接收信息是通過串口發(fā)送。

系統(tǒng)通電之后開始初始化，當(dāng)?shù)衔钠羻?dòng)之后，按下啟動(dòng)鍵，之后openMV模塊將進(jìn)人工作狀態(tài)。當(dāng)設(shè)備在運(yùn)行時(shí)，STM32單片機(jī)會(huì)產(chǎn)生控制伺服電機(jī)運(yùn)行的PVM波，openMV在接收到信息后查看煙草是否合格，當(dāng)控制舵機(jī)將葉片旋轉(zhuǎn)到正確位置，通過光電開關(guān)，完成一次檢測(cè)。

4結(jié)語

文章介紹的嵌入式視覺在線智能檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)合了傳統(tǒng)檢測(cè)模式與人工智能。通過STM單片機(jī)與open.MV結(jié)合設(shè)計(jì)了一種可以在線檢測(cè)識(shí)別煙草質(zhì)量的系統(tǒng)，具有自動(dòng)化程度高、生產(chǎn)成本低、應(yīng)用性靈活等特點(diǎn)，適用于企業(yè)生產(chǎn)的煙草質(zhì)量檢測(cè)，具有廣闊的應(yīng)用前景和競(jìng)爭(zhēng)力。