自動化儀器儀表嵌入式視覺在線智能檢測系統設計與實現

魏新峰 魯中甫 楊光露 王廣勝

摘要：煙草質量的檢測是煙草企業實際生產過程中必不可少的環節，文章針對煙草質量檢測自動化程度低等問題，開發設計了一種嵌入式視覺在線智能檢測系統。文章介紹了傳統檢測系統存在的弊端以及嵌入式視覺在線智能檢測系統具有的優勢;詳細介紹了嵌入式視覺在線智能檢測系統設計方案;進一步分析了嵌入式視覺在線智能檢測系統功能結構及工作流程，通過自動識別判斷煙草的缺陷，實現優劣煙草分揀。

關鍵詞：智能檢測;分揀系統;操作機構

中圖分類號：TM933.4 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）01-0090-03

0引言

目前，我國大多數煙草生產流水線保證產品質量的方法還無法完全脫離人工檢測篩選，人工檢測一方面降低了檢測質量和效率;另一方面不合格產品分揀困難，降低產品質量。隨著人工智能的發展，科技檢測技術已經應用到眾多領域，慢慢取代了人工檢測。在這種形勢下，開發一種嵌入式視覺在線智能檢測系統，不僅可以提高生產質量，同時還可以降低生產成本，提升煙草生產過程安全性。

1概述

1.1系統特點

自動化儀器儀表就是一種以微處理器為核心單元，同時兼有判斷、檢測和處理信息等功能的儀器。其最大的特點是具備信息檢測和數據存儲、運算的功能，同時還具有智能信息處理能力（自動故障診斷、自動量程轉化等）。在數據處理與功能多樣化方面都有了很大的提高。

1.2系統優勢

自動化儀器儀表嵌人式視覺在線智能檢測系統與傳統儀器相比具有許多優勢。

1）試驗操作方面：傳統的儀器檢測需要測試人員攜帶多種儀器進行多項檢測，當一個項目檢測完成后，需要重新安裝去檢測下一個。如果所需電流不同，則需要多次搬運實驗設備，測試效率不高，浪費人力物力，而且實驗過程中存在安全隱患。視覺在線智能檢測系統可以兼容不同電壓、不同重量的檢測設備，有效的減少人力資源浪費，提高了工作效率。

2）數據管理方面：傳統的檢測方式是人工計算實驗結果，人工搜集數據，數據需要進行多次匯總，這種方式容易出現錯誤，影響數據質量，而且耗費人力物力。視覺在線智能檢測系統可以自動采集數據，自動診斷檢測結果。

3）安全保障方面：傳統檢測方式需要進行多次設備操作，實驗場所不固定，人員與設備間無法進行隔離，存在一定的安全隱患。視覺在線智能檢測系統可以進行軟件控制，提高實驗效率，避免失誤操作，提高安全性。

2系統設計方案

2.1系統研究內容

一般系統的分揀設備有兩種：手動式煙草分揀和傳動式煙草分揀。本系統將手動分揀煙草與傳動分揀煙草結合起來，讓機器根據煙草類型進行自動選擇。

2.2系統模型設計

為適應企業生產需求，將固有的繁瑣程序簡單化，利用計算機網絡實現視覺在線智能檢測系統。當啟動操作系統以后，能夠對計算機進行日常維護，系統模型如圖1所示。如果檢測過程中出現問題，通常不用借助外部程序，自身攜帶的操作系統可以進行重新啟動，修復操作系統。

3系統界面功能設計

3.1系統總體結構

系統平臺是在考慮視覺檢測對環境的要求和系統功能的基礎上完成設計的，其結構如圖2所示。系統的組成是由迪文屏、SMT32單片機、openMV模塊、無畸變鏡頭、遮光罩、待檢測煙草、電驅動器、伺服電機、光電傳感器等。工作流程是待檢測煙草將零部件運送到傳送帶上，在經過openWV模塊的圖形圖像算法運算后，將煙草的尺寸等信息傳送給STM單片機，進過煙草分揀和光電傳感器進行檢測。

3.2硬件設計

如圖3所示為控制系統的整體結構。系統使用的電流為220V，經過MP175電源轉換單元將電壓降為6V左右，然后給LED恒流驅動單元和光電模塊進行供電，STM32單片機、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;整個控制系統的核心是STM32單片機，其內部帶有高級定時器和多路串口通信接口，并且可以產生高精度的伺服電機，可與迪文屏和openMV進行通信;而且在連接上都加入了光耦隔離芯片，可以防止干擾信號造成的四級與損毀。OpenMV模塊的核心是一個stm32F7單片機，具有優越的視覺識別性能，而且成本低廉，但它不是控制單元，僅作為圖像識別單元。

在設計電源模塊時需要考慮帶有舵機、光源等外設的最大功率，約為10.2W。設計采用Core sys-terns，Inc生產的MP715芯片，它是一款非隔離降壓芯片，功率為700V，輸出功能為10W，于傳統的互感降器降壓相比可以減小控制系統總面積，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，熱敏電阻為19R。系統可以提高電源輸出功率，采用全橋方式進行交流轉直流，降低MPl75電源轉換單元的發熱量，提高直流電的輸出功率，其輸出電壓與反饋電阻的關系為：

（其中V表示電壓，R表示電阻。）

電源電路想要輸出穩定，在設計PCB時，除了需要考慮元器件參數和選型之外，還需要考慮線路布局，具體有以下3點：①在走MP175降壓電路線路時不能直接從電感輸出端進入，需要在電容之后，而且要遠離電感等干擾源;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軟件設計

系統軟件由兩部分組成：STM32自動控制程序和openMV煙草檢測程序，其工作流程如圖5所示。工作流程如下：先獲取圖片，根據染色查找煙草，對其進行二值化，再查找邊沿，接著查找煙草中心軸，計算中心軸長度，由此判斷煙草是否合格，單片機接收信息是通過串口發送。

系統通電之后開始初始化，當迪文屏啟動之后，按下啟動鍵，之后openMV模塊將進人工作狀態。當設備在運行時，STM32單片機會產生控制伺服電機運行的PVM波，openMV在接收到信息后查看煙草是否合格，當控制舵機將葉片旋轉到正確位置，通過光電開關，完成一次檢測。

4結語

文章介紹的嵌入式視覺在線智能檢測系統結合了傳統檢測模式與人工智能。通過STM單片機與open.MV結合設計了一種可以在線檢測識別煙草質量的系統，具有自動化程度高、生產成本低、應用性靈活等特點，適用于企業生產的煙草質量檢測，具有廣闊的應用前景和競爭力。