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      遠紅外干燥視覺控制系統探索

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      遠紅外干燥視覺控制系統探索

      系統做出烘干決策后,就形成了上位機烘干指令,該指令包含了遠紅外電加熱板加熱和何時應該加熱,何時應該停止加熱等信息。上位機單元的重要任務,就是將該信息發送給下位機單元,使之能對加熱執行單元進行控制。數據能否順利傳遞,通訊方式是關鍵,系統選用的串口通訊,串口通訊數據傳輸速率很低,但是它數據傳輸距離遠、抗干擾能力強,可靠性高。并且系統的數據的傳輸量較小,最大的傳輸速率為每秒8幀信息,用9600波特率已經足夠,因此串口通信能夠很好的滿足要求。同時在各種通信標準中選擇簡單的RS-232標準進行通訊。針對蔬果干燥標準要求,研究找出整個控制系統的匹配模型,并對干燥控制裝置進行詳細的設計;采用相應的開發軟件,驗證視覺變量干燥控制系統的控制算法,同事構建整個系統控制干燥裝置軟平臺進行試驗[7]。

      圖像實時采集系統硬件設計

      系統硬件主要由光源、接收模塊、采集模塊和PC機等組成。

      控制系統光源系統在實驗室內模擬實驗,采用自然光源作為實驗用光源。控制系統將葡萄、紅棗等的大小、顏色在烘干前后要區分開來,由于圖像處理軟件的魯棒性很好,配合用自然光源可以滿足要求,無需區別葡萄、紅棗的紋理及其他細節需求,不必借助人工光源。因此,根據實驗要求自然光源能滿足實驗要求。

      圖像接收模塊圖像接收模塊用CMOS類型攝像機,此攝像機具有可以將接收圖像信號變成電壓信號輸出、速度塊,結構簡單、能源消耗較小。其內部器件傳感器參數:像素超過百萬,A/D轉換精度10位,分辯率1280×1024,40幀/秒,圖像窗口可無級設置幀率也隨之變化。

      數據采集在實時采集圖像的過程中,目標與攝像機之間是有相對運動的,為了獲得的較好的圖像,要確定好光圈的大小。1)光圈值的確定。物體在一定空間內成像都是清晰的,圖像質量也有保證,超出這個范圍時,對比度會下降,這個距離就是物體在景深范圍內。而景深和光圈的大小關系最密切。光圈越大,景深越小。因此在實時采集數據前,要根據烘干的葡萄、紅棗大小尺寸調整光圈大小,以保證不同大小的蔬果都能清晰可見,便于后期的圖像處理。2)曝光時間的確定。在光圈值確定了的情況下,曝光時間的長短與圖像的清晰度直接相關。如果光照不變,一般情況快門速度可以拍攝到清晰的照片。一般情況光源的強度不夠,快門速度應地減慢,否則會導致采集的圖像出現運動模糊。出現這種情況下,圖像處要進行圖像恢復操作。

      視覺圖像采集系統軟件設計

      系統軟件設計采用VB程序語言,包括主程序和各個子程序模塊,其中主程序下各子模塊程序相對獨立,這樣便于對程序修改、應用方便靈活。各個功能模塊主要包括系統初始化、串口參數設置及控制、圖像的實時顯示和歷史數據的顯示等。

      系統的初始化和串口通訊參數設置系統的初始化主要包括數字攝像頭、實時顯示界面、歷史數據顯示界面、內存畫圖等初始化等功能。實時顯示界面主要是適應攝像頭的分辨率,其對象內部的水平屬性設為1280,垂直屬性設為1024;歷史數據顯示界面對象內部的水平屬性設為600,而顏色值范圍為0~255,則垂直屬性設為255;內存畫圖主要是創建一個與窗體相兼容的設備場景,并創建一個與窗體同樣大小的矩形區域;數字攝像頭的參數設置主要通過InitialDevice函數完成。在窗體的Load事件中通過Status=BeginHVDevice(1,hhv)初始化攝像頭,通過調用InitialDevice()子過程對攝像頭的參數進行設置,分辨率初始化、采集方式設置為連續采集、增益設置各個分量的增益、AD轉換級別置成級別2。系統中串口通訊的作用是實現上位機依據圖像分析的結果向下位機發送“0001”或者“0000”命令,從而控制遠紅外加熱板的通電和斷電。串口控制模塊封裝了串口控制函數,如串口初始化、發出控制信號、接收信號、關閉串口。為了軟件的可擴展性,串口參數設置部分主要包括串口的選擇、波特率、數據位、校驗位和停止位的選擇,在此系統中,默認的設置時COM1、9600、8、None、1。當C點擊“打開串口”按鈕時,串口按照Combo1、ombo2、Combo3、Combo4、Combo5的Text屬性里的數值打開串口,在Timer1的Timer事件中,當符合參數要求時,通過“MSComm1.OutBufferCount=0,MSComm1.Output=outbte”兩條語句向串口發送數據,從而控制遠紅外加熱板的打開和關閉。

      后臺數據分析系統圖像的實時顯示,圖形畫面可現實干燥箱內的干燥狀況,工作人員可以實時監控數據。在VB本軟件使用的是PictureBox控件來完的,為了將采集來的畫面按比例顯示在窗口中,在程序中將此控件的度量單位設置成Pixel,寬度和高度分別設置成數字攝像頭當前采用的分辨率。依據在中等亮度的光刺激下視覺暫留時間為0.05~0.2s,畫面更換時間間隔即Timer控件的Inteval屬性設置為100ms。歷史數據的顯示,歷史數據現實畫面,通過此模塊可以了解現在是是處于遠紅外加熱階段是處于兩批蔬果更換間歇階段。軟件畫面中實現數據曲線顯示可以通過PictureBox控件或者MSChart控件,當數據更新較快時MSChart控件存在閃爍現象,且機器速度越慢閃爍現象越明顯,最終消閃的辦法還得通過內存,所以本軟件通過Picture控件通過內存直接畫圖。軟件包括4個按鈕:開始、結束、打開串口和關閉串口。系統運行后,實時顯示界面的外觀和位置已經設計好,歷史數據顯示界面的外觀和位置也已經設計好,數字攝像頭和串口都已經被初始化,但數字攝像頭還不能采集數據。點擊開始按鈕,攝像頭開始采像,并將每幀圖像的平均值存在txt文件里,但不能將分析結果傳給下位機;只有同時點擊打開串口按鈕,才會將不同于上次的分析結果傳給下位機。當結束軟件時,首先點擊關閉串口,停止向下位機發送數據,然后點擊結束按鈕,這是數字攝像頭停止采集圖像,并且軟件退出。

      系統的技術性能指標本文提出的計算機視覺對蔬果進行烘干的新辦法是一種快速而有效的辦法。分析了蔬果上位機干燥控制系統組成、參數,并提出了機器視覺軟件算法。視覺圖像通過HVApi的ConvertBayer2Rgb函數獲得此圖像每個像素參數,判斷與標定值的關系,如果大于標定值(根據烘干的果蔬要求的顏色、大小等),則認為是烘干開始,給下位機傳送打開命令,從而遠紅外加熱板通電;如果小于標定值,給下位機傳送關閉命令,遠紅外加熱板停止工作。下面列出部分主要代碼。

      結束語

      本文研究了基于視覺變量的遠紅外蔬果干燥的控制問題,給出了控制系統的結構與通訊方法,通過系統硬件和軟件的結合,實驗證明了基于視覺算法烘干的可行性,表明可以用于蔬果烘干系統的實時控制。

      作者:李建軍弋曉康王偉單位:塔里木大學機械電氣化工程學院

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