基于机器视觉烟箱缺条检测系统电气设计

姚猛，张保永，郭继文

(蚌埠卷烟厂，安徽 蚌埠 233000)

基于机器视觉烟箱缺条检测系统电气设计

姚猛，张保永，郭继文

(蚌埠卷烟厂，安徽 蚌埠 233000)

为更好的解决卷烟行业中烟箱缺条的问题，对烟箱缺条检测系统的软硬件设计以及系统扩展性问题进行了研究。阐述了以LM3S8971型ARM微处理器为控制核心的硬件电路设计原理，基于C语言的模块化编程思路。在系统的扩展性方面，使用ZigBee模块组网，并通过3G网实现远程控制。现场应用结果表明，系统能安全、可靠地解决烟箱缺条问题，设计方案较为先进，能够满足企业要求。

LM3S8971型ARM微处理器；Flash存储器；ZigBee模块；3G模块

0 引言

在现代化的卷烟生产中，烟条装箱打包时，由于各种原因会出现烟箱缺条现象。缺条烟箱流入市场将会给企业声誉带来非常坏的影响，因此对烟箱进行缺条检测是必须的生产工序。传统检测工序一般依靠人工进行检测，工作强度大且效率低，其不理想的效果使本行业一直受烟箱缺条的困扰，虽然行业内的有些企业采用了称重式和射线式的技术方案，但前者由于烟草含水量导致的质量误差不可避免，漏检和误检较多，后者由于存在对安全和环境的影响等问题，实际效果也不够理想。

为解决这一问题，本文采用基于机器视觉的检测模式对烟箱缺条进行全面检测。该方法将光学、图像处理等技术运用到自动控制系统中，对机械系统进行有效监控，对具有缺条缺陷烟箱进行很好识别，并将包装不合格的产品从生产线上剔出或报警停机，提高了生产效率、降低了企业成本。本文主要研究该系统的电气系统的设计。

1 烟箱缺条检测系统硬件设计

1.1 系统方案设计

该系统系统框图如图1所示。其主控部分包括MCU、触发传感器、光电耦合器、恒流滤波器、工业相机、LED光源、LCD液晶显示屏、电磁阀、报警器、串口电路、供电电路以及各接口电路。

图1 主控系统框图

该系统主控部分的MCU选用LM3S8971。这是LuminaryMicro公司Stellaris®所提供基于ARM®CortexTM-M3的控制器，这一处理器为对成本尤其敏感的嵌入式微控制器应用方案带来了高性能的32位运算能力。 是针对工业应用方案而设计的，广泛应用于远程监控、电子贩售机、测试和测量设备、网络设备和交换机、工厂自动化、HVAC和建筑控制、游戏设备、运动控制、医疗器械、以及火警安防等系统中。

由于工业现场信号容易受到干扰、雷击、感应电等多种影响，该系统在设计中采用光电耦合器对微处理器进行保护。工业相机工作电平为DC12V，与微处理器之间通过光电耦合器进行电平转换。电磁阀在通/断电的瞬间会产生较强的反电动势，该系统增加了续流二极管使其产生的反电动势在回路以续电流方式消耗，从而对微控制器进行保护。

1.2 主要硬件电路设计

根据系统方案，本文详细介绍触发器接口电路、相机接口电路、LED接口电路以及时钟电路。

1.2.1 触发传感器接口设计

触发传感器接口电路图如图2所示。其触发传感器采用美国邦纳公司的E2E-X5ME1-M1接近开关。烟箱触发接近开关使端口电平发生跳变，微处理器接收变化的输入信号即可判断烟箱的到位情况。电路中采用光耦隔离对微处理器进行保护，隔离后的信号接到微处理器外中断INT0或INT1的输入端。并加入LED指示灯显示电平变化，使观察者能够更好的观察。

1.2.2 相机TRIG接口设计

相机采用德国AVT公司的GC660红外CCD相机，并通过千兆网口输出。TRIG口的每次跳变都会使相机曝光

图2 触发传感器接口电路图

一次，从而实现通过TRIG口控制相机的曝光时机。相机的TRIG口有公共阳线、信号线。由于信号线较易受到干扰造成相机误拍，在实际应用过程中，必须采用相应的隔离电路。与微控制器输入信号的隔离措施相同，本设计依然采用光电隔离的方法保护信号线上的信号，隔离后的信号经过恒流滤波器，接到相机的TRIG输入端。从而解决了相机误拍的问题。相机TRIG接口电路图如图3所示。

图3 相机TRIG接口电路图

1.2.3LED光源接口设计

在LED光源的使用中，合理的调光技术，不但可以使LED光源具有更长的寿命，并且对节能减排具有重大意义，该系统采用频闪发光控制方式，这是一种较好的方式，广泛应用于各种监控系统中。该方式对LED光源瞬间稳定性有很高要求，因此系统采用添加LED恒流驱动器的方法，减少由电压变化引起的电流变化。同时可根据现场需要通过调节恒流的大小设定LED光源的亮度。LED光源接口电路图如图4所示。

图4 LED光源接口电路图

1.2.4 实时时钟电路设计

系统选用M14T81芯片作为时钟芯片，其主要作用是为系统提供时间基准，以便实现每天的故障信息查询功能，对M14T81芯片的读写采用I2C协议。实时时钟接口电路图如图5所示。

图5 实时时钟接口电路图

2 烟箱缺条检测主控系统软件设计

系统软件设计以C语言为编写基础，充分利用LM3S库函数编写程序，在程序设计中采用模块化思想，增加系统软件的可移植性，编程简洁，调试方便。软件整体架构如图6所示。

图6 软件架构图

定时器中断模块设计如图7所示。系统对外部设备的变化采用定时查询的方式。定时器中断时间设置为1 ms，系统首先对到位传感器输入信号进行检测，若到位信号触发则点亮光源。随后判断光源预热时间，以判断是否打开相机TRIG信号。之后通过TRIG脉宽信号判断烟箱好坏，决定是否剔除。如需剔除则打开剔除阀，当开阀脉宽到达额定值时关闭剔除阀。

图7 定时器1中断程序流程图

此外软件系统还包括LCD显示模块，参数存储和读取模块，菜单模块、按键处理模块等模块的设计，因篇幅所限，不作详细介绍。

3 烟箱缺条检测系统扩展性问题

该系统在车间现场的实际应用中经常需要调整运行参数，如果现场技术人员对系统参数不熟悉，就会影响工作效率，甚至影响系统的正常运行。因此该系统增加扩展接口，在车间现场通过ZigBee无线方式将各监测系统组成网络，然后由主站通过3G网将数据发到技术服务点，由服务器读出相应信息进行分析，并由相关技术人员将调整好的参数回传给每台设备，从而实现远程维护。

4 结论

本文采用机器视觉的方式优化电气控制在烟箱缺条检测系统中的应用，对提高烟草行业监测效率，节省企业开支都有重要的意义。机器视觉技术在自动控制领域拥有广阔的前景，随着硬件技术的不断发展，控制系统功能的不断增强，机器视觉应用技术也将飞速发展，使其能够真正的产品化还有很多的工作要做。

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Design in detection system based on machine vision

YAO Meng, ZHANG Bao-yong, GUO Ji-wen

(Bengbu Tobacco Factory, Bengbu 233000,China)

In order to solve problems of lack of a smoke box in cagarette industry,this paper studies lack of a smoke box detection system hardware and software design and system scalability issues. Explained to LM3S8971 ARM hardware circuit for the control of the core design principles, based on the C programming language modular thinking. Scalability of the system, using a ZigBee network module, and remote control via 3G. Field application results show that the system meets the design requirements with high security and reliability.

LM3S8971 ARM microprocessor;flash memory;ZigBee module;3G module

姚猛(1969-)，男，安徽蚌埠人，工程师，主要从事设备管理技术改造等相关工作。

TP27+.3

B

1671-5276(2014)02-0201-03

2013-01-17