机器视觉下核桃自动分级系统下位机设计

郭　政，史建新，周　军，蔡　建

（新疆农业大学机械交通学院，新疆乌鲁木齐　830052）

机器视觉下核桃自动分级系统下位机设计

郭政，*史建新，周军，蔡建

（新疆农业大学机械交通学院，新疆乌鲁木齐830052）

针对传统果蔬分级系统存在分级不精确、分级系统设备不灵活的问题，设计了机器视觉下STC89C52单片机微处理器控制核桃实时分级的系统。单片机通过串口通信，从上位机获得分级信号后，利用8位双向移位寄存器芯片实现了运动中核桃的同步跟踪，移位信号移动到设定等级位置时，控制对应等级气动电磁阀工作。通过Proteus仿真，解决了移位寄存器时钟信号触发移位时序的问题，并对其进行试验验证。结果表明，分级系统下位机可以实时响应控制，且分级精确，速度达到要求。

自动分级系统；单片机控制；移位寄存器；Proteus仿真

自2010年起新疆核桃总产量稳居全国第2位，目前新疆大部分地区采用机械分级方法以提高核桃附加值，其中应用较多的有轴辊式、筛网式、删条滚筒式[1]。轴辊式分级机是由成对的锥形辊组成，随着核桃前进，辊轴间隙变大，在重力和输送力作用下调入分级框；筛网式分级机是在振动装置及振动棒共同作用下，不同大小的核桃会在不同筛网停留实现分级；删条滚筒式分级机则是在滚筒内壁分成若干筛选段，每个段有大小不同的筛选孔，核桃在螺旋胶管作用下往前滑移时实现分级。机械分级方法大大提高了生产效率，改变了人工分级费时耗力的状况。

现行的机械分级方式主要存在的不足是对特殊品种的核桃经分级后发生机械损伤。在高度机械化的国家，水果由于机械损伤而引起的平均损耗占总质量的30%~40%[2]。对于一般的核桃大小分级，机械分级设备难以控制精确的分级等级，且常用的机械分级设备对分级速度比较敏感，过快的分级速度会造成较多损失[3]。基于机器视觉的无损检测技术可以弥补机械分级设备的不足，本文在此背景下，研究了对应的机器视觉下核桃自动分级系统，其具有速度可调、分级等级可人工设定、精确度高、损伤小等优点。

1　自动分级系统控制原理

完整的机器视觉系统包括物料运输线、光源控制、图像采集、软件处理和分级控制机构[4]。

机器视觉下核桃自动分级系统见图1。

当图像在计算机软件内进行处理和分级判断后，通过USB串口向下位机传输分级控制信号，下位机（STC89C52）根据写入SBUF字符的不同，判断出相应的核桃大小等级，通过IO口向不同的寄存器写入高电平。此后，当核桃在传输带上运动时，每间隔一个位置，光电开关触发一次拍照的同时，会触发寄存器的CP端，将写入的高电平往后移动一位，以此来实现核桃运动时分级信号和位置的跟踪[5]。当核桃运动到图1中指定位置后，高电平从寄存器输出，驱动气动电磁阀动作，将核桃吹入等级框内。

图1　机器视觉下核桃自动分级系统

下位机分级控制框见图2。

图2　下位机分级控制框

2　自动分级系统控制系统搭建

2.1串口调试助手模拟上位机

由于传统台式PC机支持RS232接口，但是带有此串口的笔记本很少，所以本次试验采用友善调试助手模拟上位机用USB串口进行通信[6-7]。当等级为Ⅰ时，通过串口助手发送字符“1”给下位机，第Ⅱ和第Ⅲ等级发送对应字符“2”和“3”。系统平台为Windows 7×64位操作系统。

友善串口调试助手2.6.5见图3。

2.2下位机电路设计

为了对系统进行模拟，采用Proteus软件设计下位机电路。Proteus软件是由英国Labcenter Electronics公司推出的单片机集成开发软件，可通过此软件搭建各种复杂的电路，并通过加载软件程序实现硬件仿真[8]。

图3　友善串口调试助手2.6.5

Proteus搭建模拟电路见图4。

图4　Proteus搭建模拟电路

电路图4中，用波形发生器产生方波模拟光电开关触发移位信号，用示波器显示核桃等级信号B和移位信号A。为了演示效果，试验中单片机P1.4口（等级Ⅰ）作为驱动1路寄存器使用，P1.5口（等级Ⅱ）和P1.6口（等级Ⅲ）接收信号情况用2只LED模拟，另外8只LED模拟气动电磁阀启闭过程。

3　试验结果和分析

上下位机设置好后，将下位机控制程序写入单片机，点击Proteus的开始按钮开始仿真，调试助手发送信号和下位机动作情况。

仿真情况见表1。

表1　仿真情况

从1路寄存器偶尔移位和2路、3路LED灯亮灭情况可知，单片机程序设计正确，可以实现准确控制。

2路、3路信号接收情况见图5。

3.1获得准确的触发移位时序

图5　2路、3路信号接收情况

仿真时，移位信号精确给出，但是寄存器存在不响应的情况。根据失效情况，找出信号A和信号B的方波图，发现只有在分级信号B出现后的一瞬间，信号A从低电平跳跃到高电平，移位寄存器才可以正确响应。而且为了不影响分级信号被重复触发，出现同一个核桃分级动作让电磁阀动作2次的情况，必须让信号A上升沿触发时钟建立时间的长度在下一个分级信号来之前截止。即：

合理的时序见图6。

图6　合理的时序

在实际应用中，由于光电开关触发相机拍照的同时，上位机立即开始图像处理，分级信号给出的时间取决于计算机性能和软件算法，在此不做讨论。因而，为了确保分级信号即来即移位，实际系统搭建中，采用双光电开关传感器，其中光电开关Ⅰ作为拍照触发，另一个光电开关Ⅱ安装位置紧靠光电开关Ⅰ，单独作为建立移位信号用，其中为触发感应铁片宽度。

传感器错开布置见图7。

按照此方式重新仿真，观察信号A和信号B的波形，发现满足要求时可以准确将分级信号移位。

重新布置传感器后的2组信号波形见图8。

3.2实物系统搭建和验证

按照仿真的思路搭建实物模型，将传感器布置在不同位置并测试A和B通道的波形。发现当布置方案满足上述位置条件时，可以正确触发并移位，达到要求。

图7　传感器错开布置

图8　重新布置传感器后的2组信号波形

用于验证的实物模型见图9。

图9　用于验证的实物模型

4　结语

通过串口调试工具和Proteus软件的联合使用，提供了机器视觉下核桃输送线上传感器布置方案，并用双光电传感器解决核桃触发移位时序的问题，为整个机器视觉分级系统提供了理论支撑。

[1]刘德华.核桃分级破壳机的设计与试验研究 [D].晋中：山西农业大学，2015.

[2]谢佳骏，张若宇，坎杂.水果品质检测分级加工处理过程中机械损伤研究 [J].新疆农垦科技，2015（5）：71-72.

[3]董诗韩，史建新.多辊挤压式核桃破壳机的设计与试[4]饶秀勤.基于机器视觉的水果品质实时检测与分级生产线的关键技术研究 [D].杭州：浙江大学，2007.

验 [J].新疆农业大学学报，2011（1）：62-66.

[5]应义斌，饶秀勤，黄永林，等.水果高速实时分级机构控制系统 [J].农业机械学报，2004，35（4）：117-121.

[6]洪沙，阳翰凌.单片机多机通信中从机串口中断服务程序设计 [J].微处理机，2008（12）：153-156.

[7]包浩明.利用并行打印机接口接收数据 [J].内蒙古大学学报，2000，31（6）：645-649.

[8]何伟刚，章帆，李政林.光纤半导体激光器温度智能控制系统设计与仿真 [J].现代电子技术，2016，39（12）：120-123.◇

Walnut Appearance Size Automatic Classification System Based on Machine Vision

GUO Zheng，*SHI Jianxin，ZHOU Jun，CAI Jian
（Mechanical and Traffic College，Xinjiang Agricultural University，Urumuqi，Xinjiang 830052，China）

Aiming at the problem that the grading system of traditional fruits and vegetables is not accurate and its equipment is inflexible,this paper designs a real-time grading system of walnut based onmachine vision using STC89C52 single-chip microcomputer.After the MCU obtains the hierarchical signal from the host computer through the serial communication，the 8-bit bi-directional shift register chip is used to realize the synchronous tracking of the walnut in the movement，and the shift signal moves to the set level position to control the corresponding level pneumatic solenoid valve.By proteus simulation，the shift timing of the shift register clock signal is solved，and the experimental verification is made.The results show that the lower computer can respond to the real-time control，the classification is accurate and the speed can meet the requirements.

automatic grading system；single chip microcomputer control；shift register；Proteus simulation

TS255.7

Adoi：10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2016.09.039

2016-07-15

新疆维吾尔自治区科技成果转化项目（201130102-4）。

郭政（1990— ），男，硕士，研究方向为农业机械。

史建新（1956— ），男，教授，硕士生导师，研究方向为农产品加工。