农产品异物检测的机器视觉采集控制系统构建

农产品异物检测的机器视觉采集控制系统构建

缑斌丽，张晓，刘英

（南京林业大学机械电子工程学院，南京210037）

摘要：我国农产品异物检测总体表现出检测装备落后和异物检测可靠性低等特点。为此，介绍了一种面向农产品异物检测的机器视觉采集系统，利用图像采集和X射线对不规则形状农产品的异物进行检测；重点阐述了农产品异物检测控制系统的硬件搭建和软件编写，其中采用PLC控制整个采集系统，包括电机、驱动系统及图像采集等；并对整个系统的电气控制做了分析和研究。

关键词：机器视觉；异物检测；PLC控制；硬件设计；功能模块

中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1003－188X（2013）08－0092－04

0引言

随着生活水平的不断提高，人们对农产品的质量和安全有了更高的要求，国家也制定了严格的安全检测规定。但传统的农产品异物检测主要依靠人工检测判断或借用相关简单设备进行抽样，检测劳动强度大，检测速度慢，存在人为的检测误差。农产品异物检测的机器视觉采集系统要实现自动图像采集和X 光扫描的功能要求。在农产品异物检测中，该采集系统能弥补传统人工检测时出现的误差，大大提高异物检测速度和准确度。控制系统采用PLC及行程开关控制，使检测过程稳定，控制方便，提高劳动生产率及生产自动化水平。

1采集系统总体机械结构

农产品异物检测的机器视觉采集系统的三维机械结构主要由X光封闭机械支架、传送带、高速相机、激光器、步进电机、导轨、托盘及行程开关等组成，如图1所示。

2采集控制系统设计

2．1系统控制需求

为了提高农产品异物检测速度和准确度，使采集系统的应用灵活广泛，机器视觉采集系统包括相机图像采集与X光射线扫描，需要实现以下功能：

收稿日期：2012－08－21

基金项目：江苏省国际科技合作计划项目（BZ200800080）

作者简介：缑斌丽（1964－），女，西安人，副教授，（E－mail）goubinli@ 163．com。

通讯作者：张晓（1987－），女，山东蓬莱人，硕士研究生，（E－mail）zhangxiao_xhx@126．com。

1）相机图像采集将采集的图像传送给CPU，建立被检测物的图像模型；

2）X光扫描适用于形状规则的异物检测；

3）相机图像采集及X光扫描综合上述两个特点，适用于形状不规则的异物检测

。

1．高速相机2．激光器3．X光封闭机械支架4．导轨

5．传送带6．步进电机7．右限位行程开关8．操作台

9．相机触发行程开关10．左限位行程开关

图1采集系统总体机械结构

2．2系统安全要求

1）传送带上需要安装左右限位开关，防止被检测物脱离传送带，造成经济损失及人员安全问题。

2）需要设置电机急停按钮，当发生误操作或机械故障时能及时停止采集系统。

2．3控制系统总体设计

根据上述采集系统控制需求和安全要求，对机器视觉采集系统进行硬件和软件方面的设计，实现三大控制功能模块。硬件采用PLC控制，结合步进电机、驱动系统以及限位行程开关等实现控制要求［1］；软件

采用PLC编写软件完成程序编写。控制系统设计流程图如2所示。

图2控制系统设计流程图

根据系统控制需求设计了三大控制功能模块，即相机图像采集模块、X光扫描模块、相机图像采集及X 光扫描模块。

2．3．1相机图像采集模块

启动控制系统，选择相机图像采集模块，被检测物运行至相机行程开关，触发相机进行图像采集（采集次数由PLC设定的脉冲个数确定）；继续运行并最终回到左限位停止（反向运行并不触发相机），按下停止按钮，模块工作结束。

2．3．2X光扫描模块

启动控制系统，进入X光扫描模块，被检测物运行至X光行程开关停住，进行X光扫描操作；重新启动，反向运行至左限位停止，按下停止按钮，模块工作结束。

2．3．3相机图像采集及X光扫描模块

启动控制系统，进入相机图像采集及X光扫描模块，被检测物运行至相机行程开关，触发相机进行图像采集；运行至右限位（正向运行不触发X光行程开关），反向运行至X光行程开关停住，进行X光扫描操作；重新启动（反向运行不触发相机），反向运行至左限位停止，按下停止按钮，模块工作结束。

系统功能模块如图3所示

。

图3系统功能模块图

2．4控制系统硬件设计

2．4．1硬件选型

1）选用晶体管型式控制器。晶体管响应速度快于继电器。继电器输出型原理是CPU驱动继电器线圈，令触点吸合，使外部电源通过闭合的触点驱动外部负载，其开路漏电流为0，响应时间慢（约10ms）。

晶体管输出型原理是CPU通过光耦合使晶体管通断，以控制外部直流负载，响应时间快（约0．2ms甚至更小）。晶体管输出一般用于高速输出，如伺服/步进等。

在额定工作情况下，继电器有动作次数寿命，晶体管只有老化没有使用次数限制［2－4］。

2）选择FX1S系列。根据控制系统的规模判断属于小型控制系统，采用FX系列不会造成不必要的资源浪费，而且价格较适中，可减少成本，PLC本身体积也较小［5］。

3）确定PLC I/O点数。根据所要达到的控制目标、行程开关数量和输入点数等估算I/O点数，选择FX1S－30MT。

根据选择的PLC型号，另需一个5V电源，上拉电阻。硬件还包括步进电机、变压器、与步进电机匹配的驱动器、12V电源及4个行程开关。

2．4．2硬件系统搭建

控制硬件系统的接线图如图4所示。其核心为PLC，输入端包括外部开关按钮、相机触发行程开关、X光行程开关以及左右限位行程开关。输入端共有16个端口，即X0 X7和X10 X17，每个端口都定义了相应的功能。比如，X4与传送台右限位行程开关相连，当托盘撞击行程开关，输入端X4置1，通过PLC 的内部程序转换，输出端Y2置反，完成电机反转，被检测物反向运行。输出端共有3个端口，即Y0 Y2。其中，输出端Y2，Y0与电机驱动器构成回路，实现步进电机正反转动和速度变化，从而控制被检测物的运