复合型烟支检测系统设计

作者：顾昌铃时间：2019-05-29 来源：电子产品世界

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　　顾昌铃

本文引用地址：//www.cazqn.com/article/201905/401025.htm

　　（上海烟草机械有限责任公司，上海 201206）

　　摘要：设计了一种基于机器视觉和光电检测相结合烟支检测系统。系统将相机采集的图像信息和光电传感器扫描得到的电压信号送入控制器进行合并处理分析，最终识别出待检烟包是否存在质量缺陷。本系统突破的将两种检测技术结合在一起，优势互补，现已广泛地应用在烟草包装机上。

　　关键词：机器视觉；光电检测；空头；缺支

　　0 引言在卷烟加工生产的过程中，烟支的好坏直接影响产品的最终质量，从卷接机输送到包装线的烟支因为种种原因会有各种不合格品。为了保证最终烟包内的烟支质量，包装线上需要安装烟支检测装置，用于检测烟包内单个烟支的装填情况（空头检测），以及整个烟包的完整性（缺支、缺嘴检测等），并对存在缺陷的烟包向包装机组控制系统发送剔除信号。

　　ZB25/ZB45系列中速包装机组是国内烟厂的主流机型，约有2000台机器在使用。目前，该包装机组上使用最多是光电式烟支检测器，还有一些近几年推出的机器视觉式检测器以及少量传统的机械接触式检测器。

　　光电式烟支检测器投入市场较早，早期产品已使用超过十年，存在系统老化、可靠性下降等风险，且在细支烟检测、人机交互性上表现一般，同时国内部分烟厂开始推广滤嘴侧具有各种图案的异型烟，而光电式烟支检测器无法对其进行有效检测；机器视觉式检测器虽然解决了异型烟的检测，并基本杜绝了缺支、反支烟的漏剔，但由于烟丝侧的空头情况复杂多变以及松头的存在，因此烟丝侧还存在漏剔现象。

　　基于光电式和机器视觉式各有优势而又都存在一些缺陷，我们将二者结合起来，设计了新型的复合型烟支检测系统。

　　2 系统综述

　　2.1　硬件

　　复合型烟支检测系统采用机器视觉和光电检测两种技术相结合，对烟包中的缺支、缺嘴、反支以及空头烟进行检测。该系统主要由控制器和烟丝侧/滤嘴侧图像采集组件两部分组成，其原理框图如图1所示。

　　控制器为检测器的核心处理单元，包括人机界面和控制组件。其中人机界面由工控板和一个带触摸屏的彩色液晶屏组成，工控板用于操作系统及上位机软件的运行，采用的是COM-express模块，该模块采用统一的行业标准，当需要进行系统硬件升级时，无需变动载板，只需更换COM-express模块即可；控制组件用于工控板的外围扩展，主要包括接口板单片机、编码器信号采集电路、USB数据采集接口、包装机组控制系统通讯接口、恒流源电路等。

　　烟丝侧/滤嘴侧传感器包括图像采集模块和光电采集模块。图像采集模块负责控制光源对烟支烟丝/滤嘴端面照明，通过图像传感器采集烟支烟丝/滤嘴端面图像并进行初步处理后传送给控制器。光电采集组件负责控制光电管向烟支烟丝/滤嘴端面发射红外光，通过模块中单片机的ADC模块采集经反射产生的电压信号并进行初步处理后传送给控制器。

　　2.2　软件

　　本检测系统软件包括控制器上、下位机软件和烟丝、滤嘴传感器内的光电控制软件。

　　控制器上位机软件的功能主要包括图像处理、数据统计、系统整体控制和与人机交互，选用的操作系统为Windows 7，开发环境为Visual Studio 2010。上位机软件从烟丝侧/滤嘴侧相机接收采集到的图像数据；通过图像处理技术对采集到的图像数据进行处理，判断是否存在空头、缺支等缺陷，并与光电采集模块采集的信息进行数据合并，判断当前烟包是否存在空头、缺支等缺陷。若检测到缺陷则向接口板CPU发送命令，由接口板向包装机组控制柜发送剔除信号，处理流程如图2所示。

　　上位机同时通过显示屏显示系统运行的相关信息；通过触摸屏响应用户的参数设置等操作。

　　控制器下位机软件主要负责执行上位机软件的命令，对外围设备进行相关操作。完成的功能主要包括：通过编码器信号采集电路读取编码器的相位并传送给上位机软件；控制烟丝侧/滤嘴侧组件中的图像采集组件在指定相位进行图像采集；向烟丝侧/滤嘴侧光电采集模块发送相位信息；根据上位机软件命令向包装机组控制柜发送空头、缺支等剔除信号。

　　光电控制软件对下位机软件发送的相位脉冲进行识别，在相位扫描区间对烟丝和滤嘴端面进行动态扫描，得到各排烟支的电压曲线；在各烟支相位区间内计算得到各烟支烟丝/滤嘴的电压最小值，并将该值及电压曲线数据发送给控制器上位机软件。光电控制软件使用Keil编程工具和C语言进行编程。

　　3 关键技术实现

　　3.1　烟丝侧/滤嘴侧传感器

　　烟丝侧/滤嘴侧传感器分别包括图像采集模块和光电采集模块两部分。考虑两种方案设计：第一种为分体设计；第二种为一体化设计。

　　分体设计是将图像采集模块和光电采集模块独立进行设计，采用两个结构壳体，好处是每个独立模块结构上相对简单，并且二者不会相互干涉；坏处是分体式设计带来的空间占用大，两个模块不能同时对一包烟进行检测，给现场安装调试带来不便。

　　一体化设计是将光电数据采集模块和图像数据采集模块封装成一个结构整体，使两种检测方式共存于一个检测工位，且两个模块内部独立运行，并且分别采用标准的输出接口，便于升级、替换，好处是结构紧凑，现场安装调试便捷，坏处是图像采集模块需要在烟支动态中拍照，可能产生采集的图像出现动态模糊问题。经过反复试验，我们采用提高光源亮度、减小曝光时间、优化图像降噪处理等方法，可以很好的解决图像动态模糊的问题，达到检测要求。

　　通过对两个方案的试验数据采集比较以及现场安装等因素的综合考虑，一体化设计虽然在动态中拍照，但经过处理可以达到使用要求，而现场安装位置又紧张，因此决定采用一体化设计方案。如图3所示为一体化设计传感器内部结构示意图和现场安装效果。

　　3.2　控制器上位机软件

　　控制器上位机程序采用基于对话框的Windows应用程序设计，负责图像和光电数据处理以及系统的整体控制。其基本功能包括：通过控制组件接口板上的通讯接口与图像采集组件通讯，从图像采集组件接收采集到的图像数据；通过串口接受光电数据；分别对图像和光电数据进行处理，判断当前烟包中是否存在空头、缺支等缺陷；在检测到缺陷时向接口板CPU发送命令，告知其在指定的相位向包装机组控制柜发送剔除信号；通过显示屏显示系统运行的相关信息；通过触摸屏响应用户的参数设置等操作。

　　图像处理部分是上位机软件开发的难点和重点，主要涉及到以下几种处理方法：去噪、颜色分离、灰度化、二值化等。灰度化是将红、绿、蓝三通道彩色图像转化为黑、白之间的过渡色组成的单通道图像。颜色分离是将红、绿、蓝三通道彩色图像分离成红、绿、蓝三种颜色的单通道图像，也可以在HSV、Lab等其它颜色空间进行分离。二值化是通过单个或多个分割阈值将图像中的目标和背景区域分离的过程。图像的去噪即是图像增强的一种，通过采用特定的方法，把CMOS成像过程中的杂质过滤掉，以更便于后期的图像处理。

　　控制器上位机程序功能分配表如表1所示。其具体的运行过程如下：(1)开始进行软件初始化，启动软件并读取保存的配置文件，恢复之前的设置；向下位机发送初始化相机命令和基本设置命令，并查询是否识别相机。

　　(2)软件正常则进入工作界面，开始接收图像，并对其进行数据处理，判断当前烟包中是否存在空头、缺支等缺陷。

　　(3)通过串口接受光电采集数据，并对其进行数据处理，判断当前烟包中是否存在空头、缺支等缺陷。

　　(4)综合光电和视觉检测结果，向下位机发送剔除命令和系统故障状态。

　　(5)系统出现故障时，系统会对故障进行信息统计。

　　(6)在软件正常工作时，可以对其进行规格、统计使能、相机参数、密码等。

　　4 结论

　　复合型烟支检测系统是根据市场需求，从硬件到软件完全自主开发的产品，它将光电和视觉检测技术结合在一起，准确的实现了对烟包中缺支、缺嘴、反支以及空头烟的检测。

　　参考文献

　　[1]王耀南，李树涛，毛建旭.计算机图像处理与识别技术[M]. 北京:高等教育出版社.2001.

　　[2]崔屹.图像处理与分析-数学形态学方法及应用[M]. 北京:科学出版社.2000.

　　[3]青静.嵌入式系统设计与开发实例详解—基于ARM的应用[M].北京:北京航天航空大学出版社.2005[4]张义伟.基于机器视觉的烟支检测装置设计[J].北京:工业控制计算机.2015.