自動化儀器儀表嵌入式視覺在線智能檢測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

魏新峰 魯中甫 楊光露 王廣勝

摘要：煙草質(zhì)量的檢測是煙草企業(yè)實際生產(chǎn)過程中必不可少的環(huán)節(jié)，文章針對煙草質(zhì)量檢測自動化程度低等問題，開發(fā)設計了一種嵌入式視覺在線智能檢測系統(tǒng)。文章介紹了傳統(tǒng)檢測系統(tǒng)存在的弊端以及嵌入式視覺在線智能檢測系統(tǒng)具有的優(yōu)勢;詳細介紹了嵌入式視覺在線智能檢測系統(tǒng)設計方案;進一步分析了嵌入式視覺在線智能檢測系統(tǒng)功能結構及工作流程，通過自動識別判斷煙草的缺陷，實現(xiàn)優(yōu)劣煙草分揀。

關鍵詞：智能檢測;分揀系統(tǒng);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(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篩選，人工檢測一方面降低了檢測質(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，科技檢測技術已經(jīng)應用到眾多領域，慢慢取代了人工檢測。在這種形勢下，開發(fā)一種嵌入式視覺在線智能檢測系統(tǒng)，不僅可以提高生產(chǎn)質(zhì)量，同時還可以降低生產(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

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(shù)據(jù)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(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

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

1）試驗操作方面：傳統(tǒng)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(tǒng)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(shù)據(jù)管理方面：傳統(tǒng)的檢測方式是人工計算實驗結果，人工搜集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)需要進行多次匯總，這種方式容易出現(xiàn)錯誤，影響數(shù)據(jù)質(zhì)量，而且耗費人力物力。視覺在線智能檢測系統(tǒng)可以自動采集數(shù)據(jù)，自動診斷檢測結果。

3）安全保障方面：傳統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)設計方案

2.1系統(tǒng)研究內(nèi)容

一般系統(tǒng)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(tǒng)將手動分揀煙草與傳動分揀煙草結合起來，讓機器根據(jù)煙草類型進行自動選擇。

2.2系統(tǒng)模型設計

為適應企業(yè)生產(chǎn)需求，將固有的繁瑣程序簡單化，利用計算機網(wǎng)絡實現(xiàn)視覺在線智能檢測系統(tǒng)。當啟動操作系統(tǒng)以后，能夠?qū)τ嬎銠C進行日常維護，系統(tǒng)模型如圖1所示。如果檢測過程中出現(xiàn)問題，通常不用借助外部程序，自身攜帶的操作系統(tǒng)可以進行重新啟動，修復操作系統(tǒng)。

3系統(tǒng)界面功能設計

3.1系統(tǒng)總體結構

系統(tǒng)平臺是在考慮視覺檢測對環(huán)境的要求和系統(tǒng)功能的基礎上完成設計的，其結構如圖2所示。系統(tǒng)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(qū)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(jīng)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(tǒng)的整體結構。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(tǒng)的核心是STM32單片機，其內(nèi)部帶有高級定時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，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(yōu)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(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，在設計PCB時，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：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(tǒng)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(jù)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(fā)送。

系統(tǒng)通電之后開始初始化，當?shù)衔钠羻又?，按下啟動鍵，之后openMV模塊將進人工作狀態(tài)。當設備在運行時，STM32單片機會產(chǎn)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(zhuǎn)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(tǒng)結合了傳統(tǒng)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(zhì)量的系統(tǒng)，具有自動化程度高、生產(chǎn)成本低、應用性靈活等特點，適用于企業(yè)生產(chǎn)的煙草質(zhì)量檢測，具有廣闊的應用前景和競爭力。