（检测技术与自动化装置专业论文）基于图像处理技术的面粉麸星检测技术研究与实现.pdf

中文摘要 中文摘要 面粉中麸星含量的多少是评价面粉等级的一个重要指标，它不仅能够反映小麦 品种的优劣，而且能够体现出面粉生产工艺的水平。目前国内绝大多数与面粉制 品有关的科研院所、生产厂家等检测机构还是采用操作人员在放大镜的帮助下肉 眼识别的方式来完成检测工作，这种传统的人工检测方式往往达不到精度要求而 且费时费力，因此检测结果很难令人信服。 针对目前存在的这些问题，本文提出设计一个智能的面粉麸星检测系统，该系 统可以自动完成面粉装载、运输、拍照等一系列工作，同时该系统的上位机软件 可以实时的完成对面粉图像的处理和麸星的快速检测，从而有效避免了传统人工 检测方式中存在的诸多不足。 在麸星检测系统的硬件设计中，将光照度检测及控制技术添加到检测仪器中， 从而避免了其它仪器在检测时缺少对于检测环境实时监控的不足。在此基础上， 为了满足光照度准确检测的设计要求，研究运用改进的b p 神经网络来实现a d 采样数据与标准光照度值之间的数据拟合。仿真实验表明：这种改进的b p 算法可 以有效的避免局部极小化问题，提高了网络的收敛速度。 本文还对图像灰度化、二值化、平滑滤波、纹理分析、边缘检测等多种数字图 像处理技术进行了综合的比较研究，并参考模式识别的相关理论，提出了一种新 的麸星快速识别和归一化的算法。然后，根据这些图像处理算法的基本原理设计 编写了一款软件，该软件可以完成麸星个数、面积、面积百分比等参数的快速有 效检测。最后，本文指出了该系统目前存在的一些不足，有待于日后改进和完善。 关键词：麸星检测；图像处理；光照度；b p 神经网络 黑龙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h en u m l x = ro fb r a ns p e c k sc o n t a i n e di nt h ef l o u ri sa ni m p o r ti n d i c a t o rt oe v a l u a t e t h er a n ko ff l o u r , w h i c hn o to n l yr e f l e c t st h ep r o sa n dc o n so fw h e a tv a r i e t i e s ，b u ta l s o r e f l e c t st h el e v e lo ft h ef l o u rp r o d u c t i o np r o c e s s c u r r e n t l y , o p e r a t o r si nm o s to ft h e s c i e n t i f i cr e s e a r c hi n s t i t u t e s ，m a n u f a c t u r e r sa n do t h e rt e s t i n go r g a n i z a t i o n sr e l a t e dw i t h f l o u rp r o d u c t s ，s t i l lu s et h ew a yo fv i s u a l l yi d e n t i f i e dw i t ht h eh e l po fam a r r y i n g g l a s st oc o m p l e t et h ei n s p e c t i o nw o r k , w h i c hw a st h et r a d i t i o n a lm a n u a lt e s t i n gm e t h o d o f t e nd on o tm e e ta c c u r a c yr e q u i r e m e n ta n dt i m e - c o n s u m i n ge f f o r t , s ot h et e s tr e s u l t si s h a r d l yc o n v i n c i n g i nr e s p o n s et ot h e s ep r o b l e m s ，t h i sp a p e rp r e s e n t st od e s i g na n dd e v e l o pa n i n t e l l i g e n tm e a s u r es y s t e mo fb r a ns p e c k si nf l o u r t h i ss y s t e mc a l la u t o m a t i c a l l y c o m p l e t ef l o u rl o a d i n g ，t r a n s p o r t a t i o n , p h o t o g r a p ha n do t h e rw o r k s ，w h i l et h eh o s t c o m p u t e rs o f t w a r ec a nc o m p l e t er e a l t i m ei m a g ep r o c e s s i n ga n df a s td e t e c t i o no fb r a r t , e f f e c t i v e l yo v e r c o m e st h es h o r t c o m i n g si nt r a d i t i o n a lm a n u a lt e s t i n gm e t h o d i nt h eh a r d w a r ed e s i g no fb r a ns p e c k sm e a s u r es y s t e m ，t h et e c h n o l o g yo f i l l u m i n a n c ed e t e c ta n dc o n t r o li sa d d e dt ot h ei n s t r u m e n t , a n dt h u sa v o i d i n gt h e d e f i c i e n c yo fl a c ko f r e a l t i m em o n i t o r i n gf o rt e s t i n ge n v i r o n m e n ti no t h e ri n s t r u m e n t s o nt h i sb a s i s ，i no r d e rt os a t i s f yt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so fa c c u r a t i o nf o ri l l u m i n a c e d e t e c t i o n , r e s e a r c ht oa p p l yi m p r o v e db pn e u r a ln e t w o r kt oa c h i e v ed a t af i t t i n gb e t w e e n a ds a m p l i n gd a t aa n dt h es t a n d a r dv a l u e so fi l l u m i n a e e t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w s t h a tt h ei m p r o v e db pa l g o r i t h mc a ne f f e c t i v e l ya v o i dt h el o c a lm i n i m i z a t i o np r o b l e m ， a n di m p r o v et h en e t w o r kc o n v e r g e n c es p e e d t h i sp a p e ra l s oi m p l e m e n t sa c o m p r e h e n s i v ec o m p a r a t i v es t u d yw i t hav a r i e t yo f d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , s u c ha s ，t h ei m a g eg r a y - b a s e d , b i n a d z a t i o n , s m o o t h i n gf i l t e r i n g ，t e x t u r ea n a l y s i s ，e d g ed e t e c t i o na n d s oo n a f t e rt h er e f e r e n c et ot h e a b s t r a c t r e l e v a n tp a t t e r nr e c o g n i t i o nt h e o r y , an e wb r a ns p e c k sr a p i di d e n t i f i c a t i o na n d n o r m a l i z a t i o na l g o r i t h mi sp r e s e n t e d t h e n , d e s i g n sa l li n t e l l i g e n ts o f t w a r eb a s e do n t h e s eb a s i cp r i n c i p l e so fi m a g ep r o c e s s i n ga l g o r i t h m s t h i ss o t h v a r ec a l lq u i c k l yd e t e c t n u m b e r , a r e a , a r e ap e r c e n t a g ea n do t h e rp a r a m e t e r so fb r a ns p e c k s f i n a l l y , t h ep a p e r a l s op r o p o s e ds o m es h o r t c o m i n g si nt h es y s t e mw h i c ht ob ei m p r o v e da n dp e r f e c t e di n t h ef u t u r e k e y w o r d s ：b r a ns p e c k sd e t e c t i o n ；i m a g ep r o c e s s ；i l l u m i n a t e ；b pn e u r a ln e t w o r k i i i 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨蕉婆盍堂或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。 学位论文作者签名：备率删 签字日期：j o o 年产月卜日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解墨蕉堑盍堂有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权墨蕉江太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存、汇编本学位论文。 学位论文作者签名：名卑嵋 导师签名： 签字日期：二o o 年月，日签字日期：d 妙f r 口年够月6 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 蜗：心79 扣q o 豫 邮编： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 改革开放以来，人们的物质生活水平逐渐提高，尤其是进入二十一世纪以后， 随着中国经济的迅猛发展，老百姓的生活水平更是有了质一般的飞跃。物质水平 的提高使得当前人们追求的不再是吃什么更贵，而是吃什么更营养、吃什么更健 康。在中国，面食是非常重要的主食，尤其是在北方，几乎每个家庭平均三餐中 必有一餐的主食是面食。因此，时下老百姓十分关注各种面粉的质量，高质量的 面粉食品逐渐成为老百姓餐桌上必不可少的美食，而如何评价面粉的质量逐渐成 为研究人员感兴趣的问题。 目前评价面粉质量的参数众多，麸星一直是一个非常重要的参考指标。面粉麸 星即指成品面粉中肉眼可见的、颜色明显深于面粉的斑点，其主要成分是小麦等 农作物在加工成面粉的过程中未分离出去的麸皮，也有未清理干净的草籽皮、荞 麦皮、甚至还有比重、大小与小麦接近的煤渣等杂物【1 1 。面粉麸星的面积大小和数 量多少会严重影响面粉的白度与纯度，同时会影响面粉生产工艺过程中的其它相关 指标，诸如：面粉等级、粉中含麸率、出粉率等。此外，还可评价面粉生产过程 中磨粉机搭配调整是否得当、机器清理是否干净、筛理匹配是否合理、小麦制粉 工艺及设备是否先进、操作是否规范等事项【2 j 。 根据调查研究的情况，目前国内绝大多数与面粉制品有关的科研院所、生产厂 家等检测机构还是采用传统的人工方式检测面粉中的麸星。即：操作人员利用放 大镜( 5 倍或5 倍以上) 直接查找统计视野中可见的麸星p j 。但由于麸星的数量多 且面积小，因此，仅靠人工感官检测方式得到的数据结果往往达不到精度要求， 只能对面粉等级做出定性判定，却无法给出准确的定量判断。同时，由于面粉质 量不同、操作人员视觉疲劳、光线能见度等原因，在很多时候不同检测人员对同 一款面粉进行检测，得到的检测结果却大不相同，这些在实践过程中存在的缺点 黑龙江大学硕士学位论文 和不足严重制约了检测人员的工作效率。 随着计算机技术的飞速发展尤其是数字图像处理技术在检测仪器中的应用，仪 器自动化、智能化的程度不断提高。先进的检测仪器，不仅具有自动取样、自动 控制测试、自动数据处理功能，还具有自校正、自诊断功能，这种新兴的智能系 统，代表了新一代分析检测仪器的发展方向。在这样的背景下，本课题利用计算 机数字图像处理技术对面粉麸星的快速准确检测及多种图像处理方法进行深入的 研究，在此基础上设计一套智能的面粉麸星检测系统。 1 2 麸星检测技术的研究现状 粮食制品的品质检验一直是粮食工作的重要组成部分，它是采用科学、系统的 分析检测手段，依据相关理论和标准，对粮食及其加工品的质量、品质和卫生安 全进行全面、客观地分析、评价和判断的- j l 学科。粮食制品的品质检验既集成 了各种现代分析技术，也有自己独特的分析方法和手段，从而形成了一套从外部 到内部、从常量到微量、从单一指标到综合评价的完整检验方法和技术体系 4 - 引。 粮食制品的品质检验贯穿于粮食加工、销售、居民供应和消费的整个过程，是 开展粮食及其加工品质量管理的主要技术手段。通过检验粮食及其制品中营养物 质的种类、含量和分布，以及色、香、味、形、组织状态、口感，卫生安全性指 标，可以得出科学、系统、准确的检验及评价结果，这将对提高原粮及成品粮质 量，合理利用粮食资源，确保粮食卫生安全起到关键性作用网。 粮食是一种天然有机物质，组成、结构和生物化学变化复杂、多样，从而决定 了粮油检验技术的多样性、系统性、灵活性和发展性。粮食检验随着分析技术的 进步，对粮食特性认识和人们生活水平的不断提高，不断发展进步和完善。 按照检验方法分类，粮食的常规质量检验可分为感官检验和仪器检验两种；按 照检验指标分类，可分为粮食质量标准的全部指标和卫生标准中的粮食化学药剂 残留量、过氧化值等指标；按照检验内容分类，可分为物理特性检验、流变学特 性检验、化学成分分析等f 7 1 。 第1 章绪论 近年来，世界范围内围绕提高检验速度和精确度这个主题，发展较快的技术主 要是近红外技术、图像处理技术，电子鼻技术等。其中，数字图像处理技术随着 计算机的快速发展而得到飞跃式的提高，这就为实现用仪器对粮食作物及其制品 进行快速品相判断提供了坚实的技术保障。 在这样的大背景下，用精密仪器进行快速视觉评价成为近年来国内外研究的热 点课题，为了降低检验的主观误差，提高检验水平，各国都在积极开发客观的粮 食质量分析技术和仪器。由于数字图像处理技术在检测、分级等方面具有速度快、 精度高、信息量大、重现性好等优势，美国、加拿大、英国等发达国家以及中国 等发展中国家都十分重视其在粮食品质检测中的应用研究。为此许多专家学者在 运用图像处理技术进行快速视觉评价方面进行了大量研究【8 】。 1 9 9 6 年，英国b r a n s c a n 公司就利用图像处理技术开发了小麦粉麸星含量在线 检测仪b r a n s e a n ，可实时显示小麦粉的麸星含量，近年来又开发出了f l u o r o s c a n f 2 0 0 0 和f l u o r o s c a nf 4 0 0 0 系列检测仪 9 1 ；2 0 0 0 年，d b b e c h t e l 等人利用配有光 学显微镜、步进自动聚焦装置的图像分析系统研究小麦粉中淀粉颗粒大小的分布， 可检测到o 8 4 9 m 的淀粉小颗粒，用淀粉颗粒的分布来评价小麦的品质i l o j ；2 0 0 1 年，张弓等人运用图像处理技术分析小麦的纹理特征，对小麦、燕麦和大麦三种 谷物的平均识别率达到9 5 ；2 0 0 2 年，范璐等人利用小麦图像的色泽特征参数来 测定角质率和抗粉碎硬度指数，取得了良好的实验效果【n 】；2 0 0 4 年，鹤岗市良实 科技发展有限公司与哈尔滨工业大学计算机学院模糊识别科研室进行了校企合作 采用模糊识别的方法进行“面粉麸星识别系统课题研究；同年，赵文英等应用 计算机图像分析技术，在建立客观、定量描述面包纹理结构的方法方面进行了初 步的探讨，面包纹理结构感官得分与类间方差阈值分割算法所得分割图像的孔密 度值之间的相关系数为0 9 3 t 1 2 】；2 0 0 5 年，李同强等研究应用图像分析技术精确计 算麸星含型1 3 】；2 0 0 6 年；霍权恭等人用模式识别的方法建立了小麦粉粉色与麸星 的检测方法，测定结果与b r a n s c a n2 0 0 0m k 2 型麸星仪测定值显著相关， r = 0 9 9 1 0 吲；2 0 0 7 年，熊利荣等针对花生加工中人工筛选存在的问题，研究利用 图象处理技术检测花生的大小与完善性。 黑龙江大学硕士学位论文 从目前的研究现状来看，国内外的众多研究成果虽然在一定程度上解决了传统 检测方法检测精度差、检测效率低的问题，但是这些研究成果还是存在一定的缺 点和不足。首先，国外检测仪器普遍价格昂贵，一旦损坏维护成本极高，不适合 在国内推广使用；其次，国内大部分的研究尚处在软件层次并且检测精度有待进 一步提高，而市场上现存的少数检测仪器也难以满足智能化、自动化以及多参数 检测的要求。更需要着重指出的是，麸星检测对于检测环境的要求非常之高，只 有在检测环境标准化也就是对光照度精确控制的前提下得到的检测结果才具有现 实意义，这一点对于麸星检测标准的制定是至关重要的。但国内外现存的检测仪 器全都缺少对于检测环境中光照度的实时检测控制功能，在这种情况下得到的检 测结果并不具有完全的可靠性，也无法制定标准。综上所述，目前对于面粉麸星 检测的研究尚处在起步探索阶段，并没有出现自动化、智能化较高的检测仪器。 1 3 论文主要完成的工作 针对目前研究中存在的问题，在收集大量资料的基础上，本文着重进行了以下 几个方面的研究工作： ( 1 ) 设计了面粉麸星检测系统的硬件控制电路。在硬件控制系统中提出将光 照度检测及控制技术添加到检测仪器中，较好的完成了对于检测环境的实时监控； ( 2 ) 研究运用改进的神经网络完成电信号a d 采样数据与标准光照度值之间 的数据拟合，并给出了网络模型的构造过程和仿真结果； ( 3 ) 对图像灰度化、二值化、平滑滤波、纹理分析、边缘检测等多种数字图 像处理技术进行了更深一步的比较研究，并提出了一种新的麸星快速识别和归一 化计算方法； ( 4 ) 设计编写了可以实现麸星快速准确检测、快速连续拍照、人员信息及检 测信息智能管理的计算机应用软件。 量：兰塑丝蝥量兰蝥些竺圣至兰兰兰皇至型 第2 章面粉麸星检测仪的软硬件设计与实现 本课题所研究设计的面粉麸星检测系统可以快速的完成整个检测流程。首先， 操作人员将制作好的面片装入检测装置中；然后，通过上位机软件控寿0 装置运行， 完成面片的运送、定位、拍照以及检测环境的测控等操作；最后，用功能强大的 上位机软件对所拍摄的图片进行各种处理，并最终完成麸星的检铡。因此，该面 粉麸星检测系统设计成由检测仪和上位机检测软件两部分组成。本章将全面介绍 检测仪装置的软硬件设计及实现。 21 检测仪硬件设计 211 硬件总体结构设计 为了能够实现对检测环境的测控以及面片的运送、拍照等功能，麸星检测仪的 机械装置部分设计了几个主要的部件，包括可以灵活进出的托盘、控制托盘运动 的电机组件、摄像头安放支架等多个部件，其机械结构如图2 - 1 所示。而要想让这 一整套机械装置能够安全稳定顺畅的运行，就必须设计好相应的硬件控制电路和 软件控制程序。下面分别具体介绍硬件电路和软件程序的设计思想和实现过程。 a 内部机械结构 b 外部整体结构 圈2 - 1 麸星检测仪机械结构图 f i g2 1 t h e m e c h a n i c a ls t r u c t u r ed i a g r a mo f b r a ns p e c k s m c a s u r i n g d e v i c e 5 黑龙江大学硕士学位论文 检测仪控制系统硬件电路的总体设计思想为：以a t m e g a l 2 8 单片机作为核心 处理器，辅以多种模拟、数字电路功能模块，实现采集、放大、转换到最后显示 输出等一系列过程。因此，整个硬件系统由8 部分组成，分别为核心处理器模块、 光照度测控模块、通信模块、电机控制模块、液晶显示模块、按键控制模块、存 储模块和时钟日历模块，系统硬件原理框图如图2 - 2 所示。 图2 - 2 系统硬件原理框图 f i g 2 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f h a r d w a r es y s t e m 2 1 2 光照度测控电路的设计与实现 麸星检测对于检测环境的要求非常高，具体来说就是对于光照度的稳定性要求 非常高，这是因为光照度的不同对于麸星的判定有着至关重要的影响。通过大量 实验发现，只有光照度处在一个合理的范围内，所拍摄图像分割阈值和麸星特征 的提取才较为准确，光照度过高或过低都会使麸星的识别发生偏差。因此，在对 麸星进行检测时必须对当前的检测环境进行实时测控。这就意味着光照度测控电 路是整个硬件控制电路设计的重中之重，它涉及到光照度信号的转换、放大、采 集以及光照度大小的控制等多个方面，下面对各个过程的设计进行具体介绍。 2 1 2 1 光电传感器的选型及其工作原理 光照度，即通常所说得勒克司度( 1 u x ) ，表示被摄主体表面单位面积上受到的 光通量。1 勒克司度相当于l 流明平方米，即被摄主体每平方米的面积上，受距 第2 章面粉麸星检测仪的软硬件设计与实现 离一米、发光强度为l 烛光的光源，垂直照射的光通量【1 5 1 。光照度是衡量拍摄环 境的一个重要指标，其表达式为： e ：华 ( 2 1 ) 口s 从光照度的定义及表达式可以看出，其测量原理非常简单，关键是光电传感器 的选型。目前，光电检测技术中经常用到的一些光电检测器件有光电二极管、光 敏电池以及c c d 阵列等一些半导体器件。其中，光敏电池是一种自发式光电转换 元件，它不需要外加电源就能直接把光能转换为电能。光敏电池的种类很多，常 见的有硒、锗、硅、砷化镓、氧化铜等，其中硅光电池因为具有性能稳定、光谱 响应范围宽、转换效率高、线性响应好、使用寿命长、耐高温辐射、光谱灵敏度 和人眼灵敏度相近等优点而得到广泛应用，故选择硅光电池作为本系统的光电检 测器件f 1 6 1 。 硅光电池的工作原理是基于光生伏特效应。硅光电池其实就是在一块n 型硅 片上用扩散的方法掺入一些p 型杂质而形成的一个大面积p n 结，其结构如图2 3 所示。当光照射p 区表面时，如果光子能量大于硅的禁带宽度，则在p 型区内每 吸收一个光子便产生一个“电子空穴”对。p 区表面吸收的光子越多，激发的“电 子空穴 对越多，而流向内部的光子越少，这种浓度差便形成从表面向内部扩散 的自然趋势。由于p n 结内电场的方向是由n 区指向p 区，所以扩散到p n 结附近 的“电子空穴”对会分离。光生电子被推向n 区，光生空穴被留在p 区，从而使 n 区带负电，p 区带正电，形成光生电动势。如果用导线将p 区和n 区连接在一 起，电路中就会有光电流通过【1 7 1 。 图2 - 3 硅光电池结构示意图 f i g2 - 3s k e t c hm a po fs i l i c o np h o t o c e l ls t r u c t u r e 7 黑龙江大学硕士学位论文 2 1 2 2 光照度信号的转换 一般情况下，将光电传感器转换得到的数据直接作为最后的结果是不科学的， 因为这样得到的光谱响应度与国际照明委员会( c i e ) 推荐的人眼明视觉光谱光效 率并不一致，所以在设计光电转换模块时需按加法( 并接) 或减法( 串接) 添加修正滤 光片【1 8 。1 9 1 。通常，光谱响应度分为两种，一种为绝对光谱响应度，即在波长为允的 单色光辐射下，探测器产生的光电流输出或电压输出与该单色辐射通量之比，用 s ( 名) 表示，其表达式为： 轷怒 ( 2 - 2 ) b l 以， 另一种为相对光谱响应度，即波长为名的光谱响应度与参考波长为厶的光谱响 应度之比，用s ) ，表示，其表达式为： 概= 器 ( 2 3 ) 光谱响应度随波长的变化所形成的曲线，称为相对光谱响应度分布，如图2 _ 4 所示： 图2 4 光谱响应度分布 f i g 2 - 4s p e c t r u mr e s p o n s ed e g r e ed i s t r i b u t i o n 图中s ( 兄) 耐为光电传感器的光谱响应度分布，万( 兄p ( 允) 埘为经过修正滤光后的 光谱响应度分布。从图2 4 中可以看出，未经修正的光谱响应度s ( 允) 耐明显偏离明 第2 章面粉麸星检测仪的软硬件设计与实现 视觉光谱光效率v ( a ) ；而即使添加滤光片修正以后的光谱响应度万( a ) j ( 旯) 硝也与 1 ，( 名) 有所差别，由此而引起的测量误差称为匹配误差，一般通过下式来描述探测 石= 一，。 c 2 4 ， 式中s ( 兄) 耐为归一化以后的标准相对光谱响应度，它与所选标准光源的相对 s 私驴鼢罴卜，埘 ， 正c p ，伊，= ( 器一， 。c 2 - 7 ， 工= f 。i f ，( o ) l s i n 2 0 d o ( 2 - 8 ) 9 黑龙江大学硕士学位论文 由于余弦响应所引起的误差是不可避免的，因此在光电传感器上除添加修正滤 光片外还应加装余弦校正器。余弦校正器的制作材料通常为乳白玻璃或乳白有机 玻璃，形状有平板状、皿状、截球状、环球状、球壳状和平面型等，它们的修正 效果如表2 。1 所示。从表2 1 可以看出球壳状修正器的修正效果最佳，但其体积相 对较大，使用不方便，而平面型体积较小，修正效果完全可以满足测量精度的需 要，故选用平面型乳白玻璃余弦校正器【2 2 】。 表2 - 1 常用余弦校正器使用效果比较 t a b l e 2 1c o m p a r i s o no fc o m m o nc o s i n ec o r r e c t i o ni n s t r u m e n t se f f e c t 2 1 2 3 光照度信号的放大 在光照射下，硅光电池产生的电流将随光强的增大而增大。当其所接受到的 光强达到一定程度时，硅光电池即可看作为一个恒流源，假设p n 结为理想状态， 此时可用图2 5 的等效电路来表示豳】： 光照 i i l 7 i 肿。 l v乡+ 南 i rl t j，r i i 一 图2 - 5 硅光电池等效电路 f i g 2 5e q u i v a l e n tc i r c u i to fs i l i c o np h o t o c e l l 将硅光电池接通负载，待其达到稳定状态后，流入负载的电流厶与负载两端的 士 一 一 一 一 冽 慨 姒 一 o 一 一 暑| i 一 础 。 一 一 一 慨 一 。 懒 泓 一 椭 一 。 挑 铂 慨 一 揣 。 一 啪 慨 一 揣 。 一 啪 枞 揣 枞 。 蕈i 一一i l 。一一 状 状 状 状 状 板 状 球 壳 球 面 第2 章面粉麸星检测仪的软硬件设计与实现 电压之间的关系为： 厶= l 一厶( p 鲁一 q - 9 ， 其中， 厶为硅光电池在稳定工作状态时的负载电流，丘为光照时硅光电池产 生的恒定电流，厶为硅光电池p n 结的反向饱和电流，为硅光电池在稳定工作 状态时的负载电压，q 为电子电荷常数( 1 6 1 0 书c ) ，k 为玻尔兹曼常数 ( 1 3 8 1 0 。2 3 j k ) ，z 为绝对温度。 但是在实际应用中，还应考虑硅光电池等效电路中硅片内部阻抗与电极阻抗构 成的串联阻抗匙，还有由p n 结内部的不完整性而引起的并联阻抗r 跚，故实际的 硅光电池等效电路如图2 6 所示。 光照 f i g 2 - 6a c t u a l l ye q u i v a l e n tc i r c u i td i a g r a mo fs i l i c o np h o t o c e l l 在实际的应用电路中，负载电流厶和负载电压之间的关系如下所示： 一厶掣斗 1 厶= l 一厶i p 肼 一1i _ 生古型 ( 2 0 ) 由于需要同时满足信号放大和输出信号电流电压转换的要求，因此需采用运 算放大器作为电流电压变换器，这样既可以实现信号放大，又可以实现电流电压 变换。此外，由式2 - 9 可知，当硅光电池处于零偏压，即= 0 时，输出电流与光 照度成线性关系，输出电流为： k = 墨e ( 2 。1 1 ) 黑龙江大学硕士学位论文 其中，墨表示硅光电池的灵敏度，e 表示光照度，此时输出电流正比于光照度。 按照这个思想设计的电路如图2 7 所示1 2 4 - 2 5 1 ： 图2 7 硅光电池和运放的等效电路 f i g 2 - 7e q u i v a l e n tc i r c u i to f s i l i c o np h o t o c e l la n do p e r a t i o n a la m p l i f i e r 由图2 - 7 可知，运算放大器的输入阻抗乃即为硅光电池的负载电阻也，此时 设运算放大器的开环增益为4 ，那么运放的输入阻抗为： 乙= 击 由于开环增益4 在通常情况下很大，所以乙o ，那么硅光电池的负载电阻 吃= 0 ，这就相当于硅光电池工作时处于短路状态，此时输出光电流与输入光照度 之间为线性关系，但由于反馈电阻、噪声等因素的影响，需要对电路进行改进， 改进后的信号采集及放大电路如图2 8 所示： a d c 采集通道 c 2 图2 8 改进后的信号转换放大电路 f i g 2 - 8i m p r o v e ds i g n a lc o n v e r s i o na n da m p l i f yc i r c u i t 第2 章面粉麸星检测仪的软硬件设计与买现 图2 8 所示的反馈电路可使硅光电池对输入的光功率具有很高的分辨率，并且 能在一定程度上抑制电路噪声。硅光电池的输出即为前置放大器的输入，这可以 看作是光强调制的电流源，通过高阻抗运放进行电流一电压转换后，得到与光强成 正比的电压输出。由于工作在短路方式，该电路大大降低了p n 结正向电流引起的 影响。同时还应明确，当r f 过大时会引起放大器自激，因此应选择具有高精度自 稳零斩波功能的集成运算放大器。此外，改进后的光电检测电路在放大器的输出 和检测电路的输出之间增加了一个r c 滤波电路，其后又增加了跟随电路，这样就 有效的抑制了电路中存在的噪声。 从上述信号采集放大电路的设计思想可知，运放的选型极其重要。由于影响微 弱信号测量灵敏度的首要因素是运放偏置电流，其次是噪声电压和零点漂移要实 现微弱信号测量，因此选用i c l 7 6 5 0 作为主选运放。i c l 7 6 5 0 是一款高精度、低 漂移、高输入阻抗的集成运放，它内置有两个放大器，其中一个用于放大，另一 个专用于补偿漂移，这种动态调零原理消除了c m o s 器件固有的失调和漂移，对 微弱信号来讲是比较理想的前置放大器。 2 1 2 4 光照度信号的采集 在设计光照度信号采集模块时，由于光信号的幅值范围较大，检测精度要求较 高，采集时间较短，因此对a d c 的性能提出了很高的要求。针对这样的要求，选 用a d i 公司的高精度a d 转换芯片a d 9 7 4 作为转换器件，其拥有o v + 4 v 、0 v , - , + 5 v 以及1 0 v 三种可选转换电压范围，比其它a d c 转换电压范围要宽；它的精度达 到1 6 位，转换速度最高可达到2 0 0 k s p s ，足以满足系统对精度和速度的要求，新 型a d c 芯片a d 9 7 4 与一般a d c 芯片相比，仅需单一+ 5 v 供电，同时支持内部基 准电压和外部基准电压，其外围电路简单，因而可简化电路设计。同时，a d 9 7 4 支持标准s p i 接口也易于与单片机进行连接，而且占用单片机端口较少。a d 9 7 4 与a t m e g a l 2 8 之间的电路连接如图2 - 9 所示： 黑龙江大学硕士学位论文 i i i i i i i i i i i i 篁i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i i i i 盲i i i i i i i i + j v a t m e s a l 2 $ k 口的 冉 v c c删a 0v i b n h = 删肼 iv l a q = 一r e s 耵 唧 b u s y b i p l 氆【 g n dp g od a t a g n d i 睦幸一 x i a l ip g ld a t a 叫【a g n d 2 p g 2 髓 c a p x “u l 2秭 w r i i x ；n d l 丽还p w r d ，f l 。c s v v , o 井部考潭 圬崩 r 球咖五而 图2 - 9 a d 9 7 4 与a t m e g a l 2 8 单片机接口电路图 f i g 2 9i n t e r f a c ec i r c u i tb e t w e e na d 9 7 4a n da t m e g a l2 8 对于a d 采样电路来说，参考基准源的设计是至关重要的。a d 9 7 4 具有一个 片内温度补偿带隙电压基准，在工厂调节为+ 2 5 v ( _ 2 0 m y ) ，a d 9 7 4 在规定的温 度范围内的精度由电压基准的漂移特性决定。本系统在设计时选择使用外部2 5 v 电压基准源。当在1 6 位应用领域选择外部基准时，应特别注意噪声和温度漂移， 这些重要的技术指标会对a d c 的性能产生很大的影响。因此，选用a d i 公司的 a d 7 8 0 芯片作为外部高精度基准电压源，a d 7 8 0 是一个带隙基准，具有极低的温 漂、低起始误差和低输出噪声。在低功耗的应用领域中，a d 7 8 0 可提供静态电流、 高精度以及低温度漂移的解决方案。a d 7 8 0 与a d 9 7 4 之间的电路连接如图2 1 0 所示。 + 5 v a d 7 8 0k o 4 v m v o u tr 礤 o 1 n l u 歹 一卜一 1 1 姗 i2 二! u g n d 一 图2 - 1 0 a d 7 8 0 与a d 9 7 4 接口电路图 f i g 2 - 1 0i n t e r f a c ec i r c u i tb e t w e e na d 7 8 0a n d a d 9 7 4 2 1 2 5 光照度强弱的控制 本课题研究设计的面粉麸星检测仪内部采用高亮度白色发光二极管提供照明， 主要是作为摄像头拍照时的光源。之所以这样做是因为通过对白光源、兰光源等 多种光源的光谱特性以及对面粉粉色测定影响的研究结果表明：以色温为4 7 0 0 k 第2 罩面粉麸星检测仪的软硬件设计与买现 的白光源作为图像采集照明光源时，图像灰度平均值与面粉麸星具有显著的相关 性，而且采用白光源取得的图像便于用国际通用的r g b 等方法表示其颜色。因此， 选用了性能稳定、功耗低、无闪烁的高亮白色发光二极管作为图像采集的照明光 源【凋。 通常情况下，要求麸星检测仪内部照明光源的光照度必须稳定在一个固定的数 值，但是当检测仪外部工作环境发生变化时，很有可能会影响到发光二极管的正 常工作；再者，当检测仪长时间工作后，也可能会因为线路老化、松动等原因导 致发光二极管无法工作。因此，在正常的拍照过程中必须对麸星检测仪内部的光 照度值进行检测并加以控制，使其稳定在规定的数值范围内。 为了达到光照度实时控制的目的，并且配合摄像头镜头为圆形的特点，设计照 明光源为内8 颗和外8 颗的双环型阵列结构。正常工作时，内环的8 颗发光二极 管作为光源，当检测到光照度值发生异常变化时，再控制外环适当位置上的发光 二极管点亮来补偿光照度恢复正常值 2 7 1 。为了节省单片机的i o 接e l ，使用两片 7 4 h c 5 9 5 芯片级联来间接控制发光二极管的工作，这部分的电路连接如图2 1 1 所 示： 图2 1 17 4 h c 5 9 5 与a t m e g a l 2 8 接口电路图 f i g 2 - 11i n t e r f a c ec i r c u i tb e t w e e n7 4 h c 5 9 5a n da t m e g a l 2 8 1 5 黑龙江大学硕士学位论文 2 1 3 通信模块的设计与实现 通常情况下，设备与计算机进行通信大都使用两种接口方式：r s 2 3 2 接口和 u s b 接口。随着计算机技术的发展，支持热插拔的u s b 标准接口的应用越来越广 泛，并有取代r s 2 3 2 接口之势，但制作标准的u s b 接口相对复杂且不便于控制， 因此实际应用中一般都是采用u s b - - r s 2 3 2 桥接器件进行转换，使仪器与计算机 之间通过u s b 接口连接，却用u a r t 的方式进行通信，这样既便于连接，又便于 通信。本系统选择使用的芯片为c p 2 1 0 2 ，它是一款高度集成的u s b r s 2 3 2 桥接 器，可提供一个使用最小化元件和p c b 空间来实现r s 2 3 2 转换u s b 的简便解决 方案。该芯片包含一个u s b 2 0 全速功能控制器、u s b 收发器、振荡器和带有全部 调制解调器控制信号的异步串行数据总线【2 8 1 。c p 2 1 0 2 与a t m e g a l 2 8 之间的电路 连接如图2 1 2 所示。 图2 1 2c p 2 1 0 2 与a t m e g a l 2 8 接1 2 1 电路图 f i g 2 - 12i n t e r f a c ec i r c u i tb e t w e e nc p 2 10 2a n da t m e g a l2 8 2 1 4 步进电机控制模块的设计与实现 由于面粉麸星检测仪中设计有装载面粉检测样品的托盘装置，而托盘在丝杠上 运行需要驱动装置，因此在硬件控制电路中设计有电机控制模块。为了便于单片 机控制，选择使用步进电机。在选择型号时，从步距角、静力矩以及电流这三大 因素考虑，本系统选用型号为4 2 b y g 2 5 0 c s a s s 池0 1 5 1 的两相混合式步进电机， 其静态相电流为1 鲥，保持转矩为0 5 4 n m ，定位转矩为0 0 2 5 n m ，空载启动频率 为1 5 k h z ，转动惯量为8 2 9 c m 2 ，完全可以满足本系统的要求 2 9 1 。 第2 章面粉麸星检测仪的软硬件设计与实现 电机驱动器选用的是与之配套的两相混合式步进电机细分驱动器s h 2 0 4 0 2 a ， 该驱动器采用h 桥双极恒相流驱动，拥有最大列的八种输出电流和最大6 4 细分 的八种可选运行模式，并且输入信号采用光电隔离，可适应多种控制模式。 该驱动器共有4 路控制信号输入端，即：公共端、脉冲信号输入端、方向信号 输入端和脱机信号输入端。在设计时，采用共阳方式驱动，也就是驱动器的公共 端直接与v c c 相连，其它3 路控制信号直接与单片机的3 个普通i o 接口相连即 可。a t m e g a l 2 8 、驱动器以及步进电机之间的电路连接如图2 1 3 所示。 + 5 v a t m e g a l 2 8 驱动器 步进电机 公共端a+a 十 h 4 脉冲信号输入 a a p p b 5方向信号输入b +b + p b 6脱机信号输入班1 3 - d c + i x ： 2 4 v 图2 - 1 3 驱动器与a t m e g a l 2 8 接口电路图 f i g 2 - 1 3i n t e r f a c ec i r c u i tb e t w e e ns t e pm o t o rd r i v e ra n d a t m e g a l 2 8 2 1 5 其它硬件电路设计 2 1 5 1 液晶显示模块 考虑到a t m e g a l 2 8 的接口资源丰富，并且本系统使用的外围器件较少，所以 选择使用h s l 2 8 6 4 1 5 c 型液晶模块，该液晶显示模块内建有简体和繁体中文字型 库，同时支持并行和串行控制方式，非常便于控制。 2 1 5 2 按键控制模块 在单片机应用系统中，为了实现人机