机器视觉系统中的光源控制器的设计与研究

赖伊琦　刘益民　陈锦儒

摘要：该文提出了一种基于PID算法控制的LED光源控制器，叙述了光源控制器的总体设计方案、其主要的硬件电路设计、软件系统流程图以及PID算法的调试方式。该设计主要实现了人机界面的多页面切换功能、PID算法的控制、AD采集等程序设计及其对应的硬件电路的搭建，实现手动调节与自动调节一体化的光源控制器系统。

关键词：PID算法；调试；AD采集；光源控制器

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）14-0195-02

Abstract： This paper presents a based on PID algorithm to control the LED light source controller， described the overall design scheme of the light source controller， the main hardware circuit design and software flow chart of the system and PID algorithm in debug mode. This design mainly realizes the man-machine interface of the multi page switching function， the PID algorithm control， AD acquisition program design and the corresponding hardware circuit structures， realizing manual adjustment and automatic adjustment of the integration of the light source controller system.

Key words： PID algorithm；debugging；AD collection；light source controller

随着信息科技迅速发展，带动了新技术——机器视觉的快速成长。伴随着机器视觉投入工业生产中使用，以至于机器代替人工生产的时代将达到一个新的台阶，社会生产力也跟着大大提高。在生产过程中，由于机械视觉系统投入使用，在许多生产领域（例如：产品外观检测、产品生产监控、产品定位控制等）达到全自动化生产，实现机械替换人这一生产理念。

机器视觉主要的结构包括图像采取设备、图像处理系统以及工业计算机。其主要的工作原理是利用图像采集设备采集图像并把图像信息传输到工业计算机上，然后利用工业计算机上图像处理系统对图像信息进行运算，最后输出处理的结果值。在视觉检测过程中，如果没有获取到高品质的图像信息，整个视觉系统就会处于瘫痪状况。而影响图像采集的主要因素是光照度的稳定性，其直接影响获取图像的质量。因此，光源的控制在整个机器视觉系统中，处于极其重要的地位。

基于当前工业生产过程中，大部分机器视觉系统使用的光源控制器的光线调节方式为手动模式，只有少部分的光源控制是通过计算机进行通信联调，但其最终的调节方式原理依然是建立在手动模式的基础上。手动模式调节光线不仅在光线强弱程度上难以控制，并且在运行过程中不能达到自动根据实际环境等因素进行调节。综上所述，笔者设计了一种新型光源控制器，该控制器采用了单片机系统进行设计，通过预先对整个系统的参数设定，系统能够根据当前环境光线的状况实现光照自动调节，达到全自动化控制方式。

1 系统的整体方案

本项目是一种新型的光源控制系统，主要是利用单片内部的定时计数器、AD采集、PWM高速脉冲输出等硬件模块，实现自动控制功能。其原理是使用定时器的控制系统在固定的时间间隔里利用AD采样当前环境变化的光照亮度数据，并转化为数字电信号，系统根据数字信号的值而控制PWM的占空比大小以达到自动调节光照强度的效果。同时为了能够满足不同使用环境的要求，增加该光源使用范围，控制器实现了两种控制模式，分别是手动调节模式和自动调节模式。

根据系统的工作原理以及要求，在设计本产品过程中，笔者把整个光源控制器系统的硬件设计分为五大模块：

1）控制器的最小系统：最小系统是整个光源控制器的大脑部分，其不仅需要进行数据的换算和运动过程的控制，还必须要完成算法的实现。

2）环境光亮度的检测 ：利用光敏电阻随着光亮度的变化而阻值发生变法特性，在电路中加入AD采集检测电路电压变化情况，实现光亮度的模拟信号转换成数字信号。

3）电源电压的转换：本设计中使用到的电压有24V直流电压、12V直流电压以及5V直流电压，因此存在着电压转换的情况。并且光源控制器的主要输出电压是为了驱动光圈正常工作，要保证光圈工作稳定，需要一个稳定的电压转换系统。

4）人机交互界面与按键控制：为了提高光源控制器的可操作性以及档位控制情况，系统增加了液晶屏显示；而系统的手动模式则使用按键进行控制。

5）光源的驱动电路：考虑到光源控制器长时间工作的特性，驱动电路的采用光电隔离驱动方式。而光源的光亮度调节PWM脉冲控制，占空比与灯的亮度成正比例关系。

2 系统的硬件设计

光源控制器系统采用单片机内部的定时计数器以及AD采集等模块进行一系列数据的采集，调用控制算法程序对光源的驱动模块进行控制，已达到光亮度的调节。其硬件结构图如图1所示：

3 系统的软件设计

在整个软件系统设计过程中，由于系统的软件设计包括了多个模块需要协调运作，并且要求数据之间进行错综复杂的相互转换。为了缩短软件开发周期，降低开发难度。尤其是在PID参数设置部分，需要多方面参数的假设以及不断的调试才能获取最佳数值。笔者对对整个软件系统进行模块化分类，整个软件系统划分为多个单元子函数，个单元子函数完成相对应的功能，保证各个单元函数可以单独运行。在完成各个单元函数后进行程序组合，实现整体软件系统的设计。

3.1 软件系统的模块化

根据系统的要求，整个系统程序分为三大部分。第一部分是各模块硬件的底层驱动程序设计；第二部分是人机操作页面以及按键控制的程序设计；第三部分是设置PID数值的算法程序设计以及PWM输出的调整程序。

3.2 系统的主要算法

在整个光源控制系统中，

软件滤波采用滑动平均值滤波法，消除杂波信号带来的干扰。比例调节是加快系统的响应速度，快速的减小误差，使系统快速达到稳定，但是比例的系数过大，会使系统稳定下降，有时会导致系统不稳定产生震荡。积分调节是对系统信号偏差进行累加，消除系统中误差，调高系统稳定性，只要系统有误差积分就会起作用，直至系统误差减小到允许范围或者没有误差，积分调节也可以体系系统偏差信号的变化率。微分调节是对系统产生过冲现象进行超前调节，这样可以解决系统滞后现象，但是微分调节对系统噪声干扰具有放大作用，所以在设计微分程序时要对数据进行有效的处理。在整个设计过程中要时刻注意PID中比例系数、积分时间以及微分设计的调节。

3.3 系统的程序流程

整个系统设计主要是通过各个模块的驱动函数调用，实现光源自动调节的功能。系统的程序设计共分为五大进程：

1）系统上电后，初始化各个底层程序，刷新预设值的参数；

2）读取EEprom存储器中存储的数据，并将其转化成系统所需的数据；

3）编程系统中消息，以及消息映射函数；

4）设计多个功能窗口切换，以及窗口的初始化，消息传递；

5）PID的初始化，滑动平均值滤波算法，PID算法程序，并对PID参数进行调试和确定。

其系统整个程序流程如图2所示。

4 结束语

笔者根据当前机器视觉市场上各种光源控制系统的设计原理，提出了一种新型的光源控制系统。本文主要论述了该光源控制系统的硬件结构、软件设计的算法以及灯圈的设计，目前笔者已经完成该产品的制作，并已经投入工业生产应用中去。在使用的过程中，本次设计的产品不仅工作稳定、响应速率快，并且控制精准等优点。故该产品完全满足当前机器视觉系统的对光源的要求，具有相当高的市场价值。

参考文献：

[1] 陈锦儒，杨森泉.基于微机控制的LED光源控制系统设计[D].韶关学院， 2014：36-39.

[2] 潘珍英.工业自动光学检测中的照明系统设计[D]. 厦门大学， 2007：15-18.

[3] 虞志雄.脉宽调制型白光LED驱动芯片的设计[D]. 浙江大学， 2006：20-23.