棉花異性纖維智能檢測系統

張棟，李英舒，劉寧欣，季霆，華亮

（南通大學電氣工程學院，江蘇南通226000）

異性纖維包括非棉纖維和非本色棉纖維，通常混在棉花原料中，對棉花制品的質量產生嚴重影響[1]。如何智能、快速并且高效地檢測出棉花中的異性纖維已成為當前棉產品加工業的重要課題[2]。

常用的棉花異纖檢測方法有超聲波檢測、光電式檢測和光學CCD成像檢測[3]。光電式檢測成本較低，但是檢測精度差、壽命短，且無法檢測出與待檢棉花顏色相同的異纖[4]。CCD成像法檢測精度高：研究表明，使用光學CCD成像檢測，頭發的識別率為60%～70%，其他較粗的纖維如棕絲等可達90%以上[5]，但其成本相對較高，并且棉花厚度對檢測精度影響較大[6]。超聲波檢測法與CCD成像法相比，由于超聲波穿透力更強，在檢測較厚棉花時，檢出率相對更高；同時超聲波檢測法還具有結構簡單，成本低廉等優點。與光電檢測相比，超聲波檢測法可以檢測出與棉花顏色相同或者相近的異性纖維。

目前，國外常見的異纖檢測清除機廠家主要有：采用超聲波和光電共同識別棉花異纖的toptex公司和利用CCD彩色攝像機掃描棉流的瑞士jossi公司[7]。國內常見的異纖檢測清除機有：洛陽方智測控有限公司自主研發的異纖清除機、大連貴友科技公司的CS-3異物檢測裝置以及鄭州機械有限公司的棉花異纖清除機等[8]。目前市面上還沒有完全成熟的基于超聲波的異纖檢測裝置。

本文通過研究棉花與異性纖維的超聲波回波特性，設計了基于超聲波的棉花異纖檢測裝置。相較于傳統的棉花異纖檢測裝置和超聲波檢測方法，本文所采用的檢測方法較傳統的超聲波回波檢測法，融合電平信號檢測，使其精度更高。設計的檢測裝置結構簡單、成本低、自動化程度高。

1 系統檢測原理

本系統通過分析超聲波在遇到不同異性纖維和沒有異性纖維時的回波信號和電平信號，來判斷棉花中是否含有異性纖維。超聲波測距模塊在測距時，會返回給單片機一個一定脈寬的高電平電壓信號[9]，該高電平信號持續的時間結合聲速通過計算轉換即為模塊與障礙物之間的距離。超聲波可以穿透棉花，當棉花中含有異性纖維時，模塊返回的高電平脈寬小于棉花中不含異性纖維的高電平脈寬[10]，即模塊距異性纖維的距離小于距傳送帶的距離。異性纖維相比傳送帶距模塊探頭的距離小，因此當棉花中有異纖時，超聲波探頭直接收到反射的回波信號反而強。采用并排超聲波模塊陣列的方法來檢測，一定程度上解決異性纖維在棉花中的各種姿態的影響[11]。

本系統通過單片機內定時器，測量發出超聲波到接收到超聲波的時間。該時間的二分之一即超聲波到異纖的距離，除于經溫度補償后的聲速即可得到距離。系統融合溫度補償后的超聲波測距公式如（1）所示：

式（1）中time代表計數器計數值；over_count表示溢出標志位數值；c為經溫度補償后的聲速。補償公式如（2）[12]所示：

式（2）中T代表當前溫度。

2 硬件設計

圖1 超聲波檢測系統

2.1 超聲波發射電路

圖2 為超聲波發射電路原理圖。本系統選HCSR04型超聲波模塊，將5個超聲波模塊并排置于傳送帶上方，探頭朝下，距離傳送帶大約120 mm。5個超聲波模塊循環發射檢測，通過STM32芯片的IO口循環依次給各模塊TRIG引腳一個至少10 μs的高電平信號來觸發測距。該高電平信號傳至STC11單片機，STC11根據收到的TRIG發送信號，發送特定頻率信號給MAX232芯片。MAX232內部有雙路電荷泵電壓轉換器起到提高電壓的作用[13]，從而產生并發射頻率為40 kHz的超聲波信號[14]，并在每次觸發產生8個超聲波脈沖。

2.2 超聲波接收電路

本系統的超聲波接收電路設計框圖如圖3所示。超聲波探頭直接接收到的信號為交流電壓信號[15]，并且信號微弱含有噪聲。本系統接收電路主要通過TL04運算放大器，進行信號的前置放大、帶通濾波、中間級放大和比較整形。

超聲波接收電路原理圖如圖4。超聲波模塊接收到的微弱信號經前置放大電路放大后傳給帶通濾波電路，將中心頻率非40 kHz的噪聲信號濾除[16]；中間級放大電路將濾波后的波形進行放大后經比較整形電路進行比較整形，最終形成5 V高電平0 V低電平的電壓信號傳入單片機。

3 軟件設計

主程序流程圖如圖5所示，首先對系統進行模塊初始化配置并通過按鍵啟動程序，然后在LCD顯示屏上顯示超聲波陣列各個探頭的距離參數[17]，并通過與預設值對比，判斷棉花中異纖是否存在，若存在則蜂鳴器警報，從而檢測出棉花中各個位置的異纖。

超聲波模塊的軟件流程圖如圖6所示，首先外圍模塊初始化，然后通過DS18B20溫度傳感器[18]獲取當前的環境溫度，做好對超聲波信號溫度補償計算的準備，即通過聲速補償公式（2）計算出當前溫度下的聲速。

圖2 超聲波發射電路原理圖

圖3 超聲波接收電路設計框圖

圖4 超聲波接收電路原理圖

通過I/O口輸出持續10 μs的觸發脈沖觸發超聲波模塊測距，并打開定時器計算回波高電平持續的時間從而計算距離參數。計算距離時，使用融合溫度補償后的超聲波測距公式（1）。

圖5 主程序流程圖

圖6 超聲波模塊軟件流程圖

4 系統測試

系統整體實物圖如圖7所示。

圖7 系統整體實物圖

4.1 超聲波測距模塊發射電路測試

超聲波測距模塊發射電路觸發后需給TRIG引腳一個至少10 μs的高電平信號。觸發模塊測距后會發送8個40 kHz的方波，測試圖如圖8所示。示波器中顯示8個幅值為5 V，頻率為40 kHz的方波。發射電路測試正常。

為進一步提高抑菌活性，降低使用量，擴大抑菌譜等，ε-PL通常與其他防腐劑復配使用，協同抑菌。程濤等[20]研究表明聚賴氨酸在食醋中的最佳用量為60 mg/kg，并且聚賴氨酸與EDTA、山梨酸鉀作為復合防腐劑時，抑菌率達96%以上，能有效延長食醋保質期。

4.2 超聲波測距模塊接收電路測試

圖8 8個超聲波信號

超聲波測距模塊接收電路包括前置放大、帶通濾波、中間級放大和比較整流電路，最終將整形后的信號送入單片機進行計算處理。接收電路測試選模塊距離傳送帶108 mm處，采集各電路波形。

圖9 各電路波形

由接收電路測試圖9（a），可知接收到波形為交流信號。圖9（b）信號經放大電路幅值得到放大。圖9（c）為濾波后的波形，可以看出噪音明顯降低。圖9（d）為中間放大電路，信號得到放大。圖9（e）為整形后的波形，從圖中看出波形高電平5 V低電平0 V，為標準TTL電平。

圖9（f）的TTL信號通過超聲波測距模塊的ECHO引腳輸出給主控芯片，測量高電平的持續時間以此來計算測試距離。

高電平信號持續時間600 μs，室溫20℃，帶入式（2）求得距離103.9 mm近似等于超聲波模塊與擋板距離。電路測試正常。

4.3 系統整體測試

系統整體測試選定超聲波測距模塊陣列距離傳送帶120 mm，測試棉花厚度不均勻，厚度最大80 mm，最小70 mm。異性纖維選用30 mm*30 mm紙片、10 mm*10 mm紙片、10 mm*10 mm塑料片、10 mm*10 mm石塊和小于10 mm*10 mm的異纖。異性纖維嵌入在棉花厚度10～80 mm范圍內。

圖10 各種物體的回波信號

由圖10可知，大于10 mm*10 mm的異纖回波信號較強，小于10 mm*10 mm的異纖回波信號極其微弱。因此系統的檢測精度為10 mm*10 mm。

5 結束語

通過分析超聲波模塊在沒有異性纖維和有異性纖維情況下的回波和電平信號，判斷是否含有異纖是本系統研究的關鍵所在。通過整體測試后，本團隊發現基于HC-SR04超聲波模塊的棉花異纖檢測裝置可以有效的檢測出棉花中含有的最小橫截面積大于10 mm*10 mm的各種異性纖維，相較于其他基于超聲波的棉花異纖檢測裝置具有檢測精度高、成本低、結構簡單等優點，但細小的異纖（如毛發或和其相似大小的異纖）仍無法識別。可通過各種方法的融合、改進器件的性能以及軟件中加入有效的信息處理算法對微弱異纖的信號進行提取，從而識別細小異纖。

由于異纖的形態各不相同，其在棉花中的姿態差異，也影響系統的檢測。設計出超聲波陣列檢測裝置可有效的改善此問題。把多個超聲波模塊放于棉花經過的各個方向組成陣列可有效的檢測出各個姿態的異性纖維。各個超聲波模塊之間如何協調運作以及更加有效的超聲波陣列是以后研究的重點。