一种新型禽蛋检测与装箱自动化装置

作者：张毅

  国外在禽蛋收集检测装箱自动化方面已开展了大量研究，蛋品的自动化收集、分类、技术以及装箱等设备比较先进。如1991年，Elster R．T运用直方图均衡化与SOBEL算子相结合的方法检测鸡蛋表面是否有裂纹，将鸡蛋分为合格品和次品两种，但判别准确度不高，速度很慢。国内的公茂法在1995年时利用机械敲击法研制的检测系统，将敲击鸡蛋产生的声音信号经选频、调理A/D转换后送入单片机处理，为防止噪声干扰，将声音传感器安装到一特制的共振敲击筒上，根据声音信号的大小判断蛋壳有无裂纹。近几年，在华中农业大学的文友先指导下，此方面有了很多研究成果：鸡蛋外形生物力学特性，分析鸡蛋常见破损原因、破损形式和破损部位等。国内现有的禽蛋检测和装箱自动化装置鲜有报道，并且目前的装置自动化程度低、可靠性实用性差，并不能给养殖户带来实际的经济效益。根据大量的实地调研，在实际的生产过程中，对蛋的破损检测主要靠人工肉眼观察、敲击辨听，禽蛋的装箱也全靠人工捡拾来完成。这种人工检测和装箱的方式不仅效率低、精度差、劳动强度大，而且成本也高，用机器自动检测并装箱代替人工所产生的效益是相当可观的。因此，研究设计一种适用于工厂化和小型化养

殖产业的禽蛋检测及装箱自动化装置，对于推动禽蛋养殖产业技术升级，减少劳动量、降低劳动强度，以及提高养殖户收入等都具有重要的现实意义。

1  总体结构设计

1.1总体设计要求

  (1)禽蛋的破损检测自动化，并且准确率达95%；(2)装箱的自动化，并且为保证可靠性，必须定位精度控制在1.5 mm以内；(3)具有良好的稳定性和可靠性；(4)适用于工厂化规模养殖，也适用于小型养殖场。

1.2总体结构设计

  系统的整体机械结构为：两台57式步进电机分别通过联轴器连接主动滚筒从而带动两条并列平行的传送带进行传送禽蛋和箱子，在两条传送带的上方横跨一组由两台42式步进电机驱动的同步带十字滑台，一条长滑台水平固定于传送带两边的支架上，另一条短滑台通过转接板垂直固定在长滑台游块上，短滑台上固定了一条滑杆，滑杆的底端连接抓蛋的吸盘组。

  系统的电气控制分为检测和装箱两部分：检测部分由摄像头采集待检禽蛋的图像，由DSP处理图像来分辨蛋壳是否损坏；装箱部分由MSP430单片机控制步进电机、电磁阀等实现传送带和吸盘的相应动作。

系统整体运行流程为：

2控制系统设计

2.1控制系统组成

系统整体实物如图1所示。

系统电气接线图如图2所示。

2.2控制系统硬件选择

2.2.1 TMS320DM642开发板

  在众多的DSP芯片中，最成功的当数TI公司的TMS系列。其中TMS320DM642是一款32位定点DSP芯片，主要面向数字媒体的处理。

2.2.2  MSP430单片机

  MSP430系列单片机是美国德州仪器(TI)  1996年开始推向市场的一种16位超低功耗单片机，其中包括一系列器件，它们由MSP430单片机的CPU，以及针对不同的应用而提供的外围模块组成。MSP430系列单片机具有16位RISC结构，运算能力较强，并具有丰富的片内外设，具有非常广阔的应用范围。

2.2.3键盘

  采用了现在流行的薄膜按键，其外观如图3所示。

  键盘回路电阻50 Ω，具有防潮、防尘、防油污及有害气体，密封性强、耐酸碱抗震，使用寿命长、耐弯折等优点。而且可以撕开背胶直接贴在控制面板上，既方便又美观。

2.2.4步进电机

  步进电机是一种特殊的电机。它由电源供给脉冲电信号，每当一个脉冲电信号加于电机的控制绕组时，其转轴就转过相通的角度。由于这种电机的转动是断续地一步一步进行的，所以称为脉冲电动机或步进电动机。

  设计用了两种步进电机，同步带滑台采用42式两相四线混合式步进电机，其外观图与参数如图4所示。

  传送带用的是57式两相四线混合式步进电机，其外观图与参数如图5所示。

2.2.5步进电机驱动器

  由于步进电机的结构特性，它需要多相时序控制电流供电才能工作，而控制器往往无法输出合适的电流，这就需要根据步进电机的相关参数配个合适的驱动器。设计选用了江西景德镇珩源科技有限公司的M542H型步进电机驱动器，如图6所示。

  驱动器可实现正反转控制，通过3位拨码开关选择8档细分控制（1，2，4，8，16，32，64和128），通过3位拨码开关选择6档电流控制( 0.5，1，1.5，2.0，2.5和3.0 A)。适合驱动57、42型两相、四相混合式步进电机，能达到低振动、小噪声、高速度的效果驱动电机。

厂家为防止该驱动器上的高速光耦6N137芯片（图7）内发光二极管被烧坏，在6N137的引脚3上焊接了一个330 Q的限流电阻。为了能够用单片机I/O口微弱电流直接控制该驱动器，把该限流电阻短路掉了（如图6画圈处）。

2.2.6真空发生器

  在拟定真空系统方案时，考虑到真空泵的价格比较贵，而选用了空气压缩机+真空发生器的组合形式。真空发生器的真空发生原理如图8所示。

  压缩空气经过喷嘴，产生高速排放，经扩散产生侧面吸引力。

  设计所选的是妙德CV-10HS型号，如图9所示。真空发生器的技术参数为：口径，1.0 mm;吸人量，27 R/min;到达真空度，91.8 k Pa;空气消费量，44 R/min；供给空气压力，0.5 M Pa。

2.2.7 CCD摄像机

  CCD（英文全称：Charge-coupled Device，中文全称：电荷耦合元件），可以称为CCD图像传感器。CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。CCD上有许多排列整齐的光电二极管，能感应光线，并将光信号转变成电信号，经外部采样放大及模数转换电路转换成数字图像信息。CCD摄像机由CCD芯片，时序脉冲发生器及驱动电路，视频的采样与保持电路，视频处理电路，同步信号发生器，电源变换电路等构成。

  设计采用的是深圳邦视安科技有限公司的型号为BSA-Q300SL的CCD彩色摄像机，如图10所示。

  其主要相关参数为：摄像元件，1/4 Sony colorCCD；水平清晰度，420 TVL;信噪比，48 db;电压，DC 12 V。

2.3  主要器件清单

3  系统软件部分设计

3.1 TMS320DM642开发环境与程序设计

  TMS320DM642开发环境CCS全称Code ComposerStudio，是T公司做的一个集成开发环境(IDE)，支持TI的微控制器和嵌入式处理器组合，包括一套用于开发和调试嵌入式应用的工具。它包括一个优化的C／C++编译器，编辑器的源代码，项目建设环境，调试器，轮廓和许多其他功能。随着TI公司DSP芯片的不断升级，CCS也已更新了几代版本，设计所采用的版本是CCS v3.1。在正确安装完此软件之后，要根据所用的DSP芯片类型先进行软件配置。

打开“CCS Setup”，如图11所示。

  由于设计采用的仿真器型号是XDS510-USB2.0，在正确配置好相应的文件之后，才可以打开CCS软件进行在片的硬件仿真与调试等。打开CCS软件之后，就可以进行程序的编写、调试等工作。

CCS开发环境界面如图12。

  DSP程序流程图为：

  原始图像->灰度化->中值滤波->图像锐化->阈值二值化->边缘检测斗破损检测

图像处理各环节图像如图13～图15。

3.2 MSP430F149开发环境与程序设计

  MSP430F149常用的开发环境IAR EmbeddedWorkbench，是瑞典IAR Systems公司开发的一种用于开发应用各种不同的目标处理器的，灵活的集成环境。它提供一个窗口界面方便用户迅速地开发和调试。Embedded Workbeneh支持多种不同的目标处理器，如ARM，AVR和MSP430等。设计所用的版本是IAR Embedded Workbench Evaluation for MSP430 V5.30.1。其工作界面如图16。

程序流程图如图17和图18。

4试验

  在试验中，人工将50枚鸡蛋随机放置在传送带上并且是在摄像机视觉区域内，其中12枚鸡蛋被人为不同长度的打破。由于三个方向的丝杠运动轨迹规划采用插补算法，所以破损蛋最长处理时间达1.6 s，未破损蛋最长处理时间达2s，系统平均处理时间为1.3 s／枚。其中各个方向的定位精度在1 mm以内，试验时鸡蛋采用人工放置，实际应用中可以与现在成熟的鸡蛋装置配合使用，可提高工作效率。

5结论

  1）开发了一套实现禽蛋检测与装箱的自动化装置，该系统改变了已有的庞大的机构或需要人工检测人工装箱的状况。

  2）该装置的硬件配置、工作流程、元器件及机构参数能够满足禽蛋的破损品质检测及装箱的功能要求。

  3）采用真空吸盘组为末端执行器的直角坐标机械手搬运禽蛋可以实现检测和装箱过程的柔性输送。

4）试验结果表明，该装置的硬件软件工作稳定，各部分协调性好，可靠性高。

6摘要蛋禽规模化养殖是一种具有较高经济效益的常规养殖产业，禽蛋产量大、人工装箱工作量大、禽蛋收集装箱自动化水平低。为解决蛋禽工厂化规模养殖的禽蛋装箱难题，设计了一种禽蛋检测与装箱自动化装置。该装置主要是通过摄像头采集禽蛋图像，经DSP处理判断禽蛋蛋壳是否出现破损，并用吸盘组把检测通过的禽蛋由三个自由度的丝杠控制运动路线实现装入箱中。MSP430单片机是整个装置的控制核心，通过薄膜按键选择工作模式，1602液晶屏实时显示装置的工作状态，单片机I/O口变换高低电平产生脉冲，使步进电机转动，从而带动装置完成相应传动动作，单片机通过控制继电器的吸合，进而控制电磁阀的开合，使装置完成吸盘、吸蛋和放蛋的动作。试验结果表明，该装置水平、垂直和前后定位精度在1.5 mm以内，好壳蛋检测准确率达96.4%，具有良好的稳定性和可靠性，适合于蛋禽工厂化及小型化养殖。