（机械设计及理论专业论文）基于图像识别的信息卡阅读机的研究.pdf

基于图像识别的信息卡阅读机的研究 摘要 目前广泛使用的数据采集、识别和录入设备是o m r ( o p t i c a lm a r kr e a d e r 光标阅读机) ，由于使用的光敏管性能的原因，使o m r 必须在特定规格信息卡 的条件下才能正确工作j 存在信息卡印刷位置精度高、纸张成本高、识别类 型单一的缺点，在很多领域无法应用。为此，本论文提出了基于图像识别技 术的信息卡识别方法，设计了一种基于图像识别的信息卡阅读机，实现了对 普通纸质、常规印刷信息卡的信息采集与准确识别，具有良好的推广应用前 景。 采用压缩弹簧抬升进卡仓的升纸盘，凸轮机构使升纸盘复位，实现升纸 盘的间歇上升，在搓纸辊地作用下信息卡被搓送，同步带把信息卡传送到摄 像位置；解决了送纸机构信息卡平稳、平整、准确的送卡要求，而且结构紧 簇、经济性好。弹簧位置可以调整，从而调整纸张与搓纸辊之间的压力。 采用单片机为核心的控制系统，用接近开关的输入信号和定时记数器进 行逻辑判断，控制阅读机5 个电机的转动，使阅读机多运动部件实现了运动 时间和空间的同步化，且结构简单，成本低，强弱电分离，具有一定的抗干 扰能力。 基于图像识别的信息卡阅读机采用单片机控制，送纸机构将被阅读的信 息卡准确、平整地送剑c c d 摄像头下，获取图像，图象传输到上位计算机里， 进行识别、信息录入；阅读后的信息卡由传送机构送到接卡仓，并在接卡仓 里正误卡分别归仓。该阅读机具有可识别信息卡类型多样，纸张成本低，信 息卡制作、印刷精度要求低的优点。 关键词：图像识别，单片。机，信息卡，阅读机，送纸机构，控制系统 r e s e a r c ho fo m rb a s e d o n i m a g e r e c o g n i t i o n f o rt h em o m e m ，t h ee q u i l ； m e n ta b r o a du s e dt oc o l l e c t ，r e c o g n i s ea n di n p u t l a r g e - s c a l ed a t ai so m r ( o p t i c a lm a r kr e a d e r ) ，b u tb e c a u s eo ft h ed e s i g n a n d f r a m e w o r ko f i t s e l g ，t h e r ea r es o m ef a u l t ，s u c ha s ，m ep o s i t i o n e r r o ro f i n f o r m a t i o n c a r d sp r e s si sr i g o r o u s ，t h ec o s tf op a p e ri s1 a 唱e ，t h ek i n do fi n f o r m a t i o nc a r di t c a nr e c o g n i z ei ss i m p l e x ，t h e r e f o r eo m rc a n tb eu s e di nm a n yf i e l d s i na l l u s i o n t ot h eq u e s t i o na b o v e ，t h ed i s s e r t a t i o nb r i n gf o r w a r da nm e t h o db a s e do ni m a g e r e c o g n i t i o nt or o c g n i s ei n f o r m a t i o nc a r d ，a n dc o m p l e t et h ed e s i g no fo m r b a s e d o ni m a g er e c o g n i t i o n s oa st or e s o l v et h ep q u e s t i o no fn o n s t a n d a r di n f o r m a t i o n c a r d sc o l l e c t i o n ，r e c o g n i t i o n u n d e rt h ec o n t r o lo fc o n t r o ls y s t e m ，t h eo m rc o n v e yt h ei n f o r m a t i o nc a r di n t h ei n p u ts t o r a g eo fp a p e rt ot h ec a m e r ap o s i t o ne x a c t l ya n dp l a c i d l y , t h e ng e tt h e i m a g eo fi n f o r m a t i o nc a r db yc c d i nt h ee n di n f o r m a t i o nc a r dw a sc o n v e y e dt o t h eo u t p u ts t o r a g eo fp a p e r ，a n dd i f f e r e n t i a t et h ei n f o r m a t i o nr e c o g n i z e dc o r r e c t l y a n dm i s t a k e n l y t h eo m rc a r lr e c o g n i z em a n yk i n do fi n f o r m a t i o nc a r d t h ec o s t o fi n f o r m a t i o nc a r di ss m a l l ，t h ep o s i t i o ne r r o ro fi n f o r m a t i o nc a r d sp r e s si s l o w - l y i n g f o rt h es a k eo f c o m p l e t i n gt h ep a p e ra d v a n c em e c h a n i s m f i c t i o ne x a c t l y a n do f f i r s t l y , d e s i g np a p e r a d v a n c em e c h a n i s m u s i n gs p r i n g ，c a m a n d s y n c h r o n o u sb e l t ；t h es p t i n gc a nb ea d j u s t e ds oa st oa d j u s tt h ep r e s s b e t w e e n i d l e rw h e e la n dp a p e r c h o o s et h et e c h n o l o g yo fm i c r o c o m p u t e rc o n t r o la st h em a i np o r t i o no fc o n t r o l s y s t e m c o n t r o ls y s t e mc o n t r o lt h em o v e m e n to fe l e c t r o m o t o r ，s e n s o r s ，a c t i o n ，t h e d i s p l a yo fl c m m o s to fa l lc o n t r o ls y s t e ms a s t i f yt h er e q u e s to fs c h e d u l i n g b e t w e e ne v e r ym e c h a n i s mb yt h eu s eo fi n p u ts i g n a la n ds c m t i m e r k e y w o r d s ：i m a g er e c o g n i t i o n ，s i n # ec h i pm i c r o c o m p u t e r ( s c m ) ，i n f o r m a t i o n c a r d ，o p t i c a lm a r kr e a d ( o m r ) ，p a p e ra d v a n c em e c h a n i s m ， c o n t r 0 1s y s t e m i i 第一章绪论 本课题是陕西省教育厅专项科研计划项目( 基于图像识别的信息卡信息获取技术研究 与开发) 的一部分，课题涉及光学、图像处理、软件工程、数据库、数据采集及处理、机 电一体化等多学科，研究内容具有一定的创新性、综合性和难度。 1 1 基于图像识别的信息卡阅读机的研究现状 1 1 1 光标阅读机的研究现状【1 】【2 】【3 】 光标阅读机( 0 m r ) 的发展已有4 0 年的历史，目前国外只有美、英、曰少数国家研制 生产光标阅读机，英国的d r s 公司( d a t a & r e s e a r c hs e r v i c e sp l c ) 系列产品有d r so m r 2 1 ( 手 动式) 、d r so m r 3 0 为平板式( f l a tb e d ) ，d r s0 1 r 4 0 8 0 为环绕分拣式( t u r na r o u n d ) 。o m r 8 0 是多台o m r 4 0 与p d p 系列机连接成的系统，4 0 8 0 可选择双面读取。后来推出o m r 3 5 为环 绕分拣式，结构变化很大。9 3 年后又推出一系列新产品，如d r s c d 4 0 0 ，8 0 0 和8 5 0 自动 型内藏c p u ，与主机采用标准串口连接，新系列c p u 选用4 8 6 ，5 8 6 ，结构全部为环绕分拣 敞开式，其速度均在每秒l 张信息卡。 美国n c s 公司( n a t i o n a lc o m p u t e rs y s t e m s ) 产品有o p s c a n5 2 0 ，5 3 0 ，7 ，1 0 3 0 ， 1 0 5 5 ，2 1 7 5 ，2 1 1 0 0 七个系列，后四种为环绕分拣式，前三种为平板式。5 2 0 系列实 际速度为1 8 0 0 卡d , 时；5 3 0 ，7 ，1 0 3 0 系列实际速度为2 7 0 0 卡d , 时；1 0 5 5 ，2 1 7 5 ， 2 1 1 0 0 系列实际速度分别为4 9 5 0 卡d , 时，6 7 5 0 卡q , 时，9 6 0 0 卡小时。 我国光电读入系统的开发起步很晚，第一台光标阅读机的研制应该追溯到1 9 8 3 年， 山东大学最先开展相关的研究工作，经过2 0 多年的发展，目前光标阅读机的种类也越来 越多。按照阅读信息卡的自动化程度可以将光标阅读机分为：全自动型( a 型) 和半自动 型( s 型) ；按照可阅读信息卡的尺寸规格可以分为：3 0 型( 3 0 路) 光电阅读机和4 0 型( 4 0 路) 光标阅读机。按照阅读信息卡密度( 制式) 分为：英制阅读头( 英) 光标阅读机和公 制阅读头( 公) 光标阅读机；按照可识别不同信息工具的涂点类型分为：全识别阅读机和 铅笔识别( 铅) 光标阅读机；按照与计算机通讯方式的不同分为：插卡型和串口型( s ) 光标阅读机。在光电探头上通常采用c c d 摄像方式、发光管和光敏管传感器。复旦大学研 制的f c d 一3 型光标阅读机和重庆大学研制的光标阅读机均采用c c d 方式，但没有推广使用， 其原因是价格高、体积大、难调正，稳定性差，速度慢。其他各家均采用光电传感器方式， 有国防科大的k d o m 肛1 1 全自动分拣环绕一i i 自动平板式o m r 、中科院泰兴公司的 t u r b o o h 自动平板式0 m r 、四川大学g d 一1 手动式o m r 。这类光标阅读机均在各省高考招 生中和其他领域获得应用。其中只有国防科大的k d o m r i i 为环绕分拣式，其它均为平板 式。在系统配置上，k d o m 肛i i 为内藏c p u 与主机连接为标准串口外，其他各家均无c p u ， 与主机连接采用总线方式。 尽管现在对于光标阅读机的研究已经相当深入，但是，都是在提高其阅读速度，准确 性等方面所做的具体工作，至于其本身在成本方面的缺点却涉及甚少。目前光标阅读机仍 然无法解决信息卡制作成本高、批量大、多类型信息卡的识别难题，难以在日常调查方面 得到大范围的推广应用。 1 1 2 基于图像识别的信总卡阅读机的研究现状 图像识别技术是一门新技术，在文字、字符、数字识别、指纹识别、医学图像识别、 安检等领域中有了较深入的应用，技术相对成熟，已经应用到实际产品中。如文献 4 中 介绍了人脸图像自动识别技术；文献 5 则介绍了图像识别技术在公路路面破损自动检测 的研究进展，还有将图像识别技术应用到食品检测，选煤等工业领域。然而将图像识别技 术应用到信息卡信息的识别的研究却比较少，能看到的是西安电子科技大学的一篇硕士论 文，但是该课题侧重于用图像识别技术识别信息卡的理论研究，主要研究灰度处理问题 和算法，而没有从应用的角度探讨、研究基于图像识别的信息卡阅读设备。 1 2 本课题的背景【7 】【8 】 随着经济的发展，各种调查活动的频繁，如社会调查、计算机阅卷、工业生产和流通 领域的过程管理、工业普查等，都会有大量的表格数据需要识别、录入，目前使用最多的 足o m r ( o p t i c a lm a r kr e a d e r 光学标记阅读机) ，d r 确实解决了一些信息卡数据录入的 问题，但是由于自身结构方面的原因，存在一些缺陷，主要表现为以下几点： 2 ( 1 )0 m r 对信息卡印刷和裁切精度要求太高，如印刷位置误差 6 0 此时失稳，所以重新选取参数，取d 2 = 1 2 m m ，长细比b = 5 ，这时稳定。 第八步进行弹簧的结构设计 由表1 6 4 计算全部尺寸 中径d 2 = 1 2 m m 内径d 1 = d 2 一d = 1 2 1 4 = 1 0 6 夕 柽：d = d 2 + d = 1 24 - 1 4 1 3 4 旋绕比c ；鲁；鲁迅s ， 节距p ；( 0 2 8 0 s ) 0 2 = 3 3 6 6 ，取p = 4 m m 长度h o 一1 9 x 4 + ( 1 5 、2 ) x 1 4 ；7 8 1 、7 8 8 取h 0 = 8 0 r a m 此时b a 詈= 6 6 7 c 。= 。3 n p c 。2 3 5 x 3 3 8 8 0 8 1 0 2 6 0 ，弹簧稳定 轴向间距6 = p d z4 1 4 = 2 6 i n m 工作长度凰；h o 一 8 0 37 7 r a m h 2 = h o 一九= 8 0 1 7 5 8e6 2 4 2 r a m 有效圈数n = 1 9 总圈数九1 = n + ( 2 、2 5 ) = 2 1 、2 1 5 螺旋角a = n ，嘲去一“m 辔i 茏一6 0 5 。 展开长度ll ；盟g x l 2 x 2 17 9 6 1 m m c o s 口 c o s 6 0 5 0 弹簧质鼽= 等咖华x 7 9 6 1 x 1 0 - s x7 7 0 0 _ 0 0 0 9 4 3 嗽 材料密度y = 7 7 0 0 k g m 3 最后需要绘制弹簧得工作图，在此省略。 2 凸轮设计 根据前期工作，凸轮从动件的运动如图3 - 1 所示。图中凸轮转动1 秒时，升纸盘开始 上升，在高点停留2 秒，然后下降1 秒，在原点停留1 秒。由此可知凸轮个周期的时间 是5 秒，即t = 5 秒，则凸轮轴的转速为n = 6 0 , r r = 1 2 r m i n 假设凸轮基圆半径为r 0 ：1 0 m m ，假设升纸盘最前断升高1 t 1 = 2 5 m m ，摆动妒= 2 4 0 ，凸轮 的形成h m m ，根据凸轮始终和升纸盘接触，经过计算得到凸轮高点处的半径为r = 2 4 5 m m 图3 1 从动件运动线图 f i g 3 - it h ed i s p l a c e m e n tc h a r to fc a m sd r i v e np a r t 从动件运动规律为停升停降，运动规律选择为摆线运动，理论上不存在冲击。 3 凸轮轴电机选择 凸轮轴转速为r l = 1 2 r m i n 与从动件基础时的径向受力最大为一6 0 n ，摩擦系数f ，由 机械零什手册查得淬火钢与聚碳酸酯得滑动摩擦系数，= 0 3 0 ，摩擦力为f f t 埘2 6 0 x o 3 0 = 1 8 n( 3 - 1 0 ) 则凸轮轴得转矩 t f r = 1 8 x 2 4 5 x 1 0 3 一o 4 4 ，”。4 4 0 r a n 聊 ( 3 - 1 1 ) 折算为t = 4 5 k g 锄 选用西安微特电机研究所生产的t d y 系列永磁低速同步电动机，型号为5 5 t d y 0 6 0 。同 步电机转速为n = 6 0 r m i n ，通过一对齿轮减速与凸轮轴连接，则齿轮的减速比i = 5 ，齿轮 设计省略。 5 5 t d y 0 6 0 的参数如表3 - 1 技术参数所示， 表3 - 15 5 t d y 0 1 5 0 技术参数 机座号电压v频率 同步转速输入电流最大转矩 电机重量k g 5 52 2 05 0 6 0 r m i1 30 0 8 a4 4 0 m n mo 7 二搓纸部分设计 1 9 该部分设计包括搓纸辊，分纸器及搓纸辊驱动电机的选型等内容。 1 搓纸辊的设计 在轴上装多个短辊子，并且短辊子的轴向长度不一直，而且对称分布，这样可以有效 地预防纸张歪斜现象，如图3 - 2 所示。图中辊子直径为中4 0 r a m ，中间辊子长度为5 0 r a m ，两 边辊子长度分别为3 0 r a m ，3 个辊子间距为5 5 m m 。可仿照打印机的辊子，搓纸辊材料为尼 龙。表面凸凹不平，排列均匀，从而增大与纸张的摩擦系数。 广一_ i 一 图3 - 2 搓纸辊 f i g 3 - 2t h er o l l e ro fa d v a n c i n gp a p e r 在升纸盘上与辊子对应部位，设置凹槽，这样的结构，可以防止因为升纸盘上表面平 度误差引起的偏压力的作用造成辊子轴弯曲，从而使压力波动，这样所有与纸张接触的短 辊子的压力会尽可能相等，这样有效地防止纸张歪斜，并保证纸张与辊子表面的压力均匀。 如下图3 3 所示。 图3 - 3 搓纸辊与升纸盘及纸张接触时的图 f i g 3 - 3t h e c h a r t o fr o l l e rt o u c hp a p e ra n da d v a n c ep a p e rt r a y 2 分纸器的设计 分纸器安装在搓纸辊下方的分离衬垫上，分纸器上面有整烈排列的凸起，可以防止送 纸时双张的出现。如下图所示。 斟3 - 4 分纸起主视斟 f i g 3 - 4t h es e p a r a t o r 分纸器在分离衬垫上的排列可以对称平行排列，也可以倾斜对称排列，这样更有助于 防止纸张倾斜。如图3 5 所示。 下图左边的分纸器对称倾斜排列，这样纸张与搓纸辊和分纸器接触时，轴向受力左有 抵消，防止纸张倾斜；同时，当两张纸粘在一起时，分纸器上的凸起，可以有效的防止下 面的纸张继续向前，从而防止双张的出现。 i 、 f l 刎n 3 搓纸电机的选型 图3 - 5 分纸器排列 f i g 3 - 5t h ed i s t r i b u t i n go fs e p a r a t o r 2 l 搓纸辊的转速对送纸的效果影响很大，现阶段各种打印机送纸速度无从考察，在此参 考l q - - 1 6 0 k 打印机的输纸速度进行设计。该打印机送纸速度为5 6 m m s ，本阅读机设 计搓纸辊直径为4 ，4 0 r a m ，搓纸时间为1 秒，当一秒搓送纸张移动5 0 m m ，则搓纸辊的线速 度y ；5 0 m 肺s ，则搓纸辊的转速由y ：r ，n 。3 0 0 , 玎 _ | l ：3 0 v 。3 0 x 5 0 ；2 3 8 ，m i n ( 3 1 2 ) v - t ? 疗x 2 0 取n = 2 0 r m i n ， 前面设计弹簧时假定纸张与搓纸辊的压力为n = 1 0 n ，纸张与搓纸辊的摩擦系数无文献 可查，在此选用木材与木材的摩擦系数，= 0 0 5 、0 0 8 来计算。 则搓纸辊所受摩擦力的转距t 为 t = u p = 1 0 x 0 0 5 2 0 x 1 0 。3 ；0 0 1 n m - 1 0 r a n ，竹= 0 v , g 删 选择西安微电机研究所生产的k t y z 型齿轮减速可逆永磁同步电动机。型号是 5 0 k t y z a ，转速n = 2 0 r m i n ，输出力矩为2 5 船- c m ，电压2 2 0 v 。使用连轴器直接与搓纸辊轴 连接。k t y z 系列电机为永磁同步电机和减速机构合成一体的划控制正反转的同步电机， 具有体积小，力矩大，噪音小，体积小等特点。 3 2 1 传送机构设计 传送机构由送纸轮，传送轮，出纸轮及传感器等组成。两个传送轮之间用同步带传送， 并且使用多条平行的同步带。出纸轮和送纸轮及传送轮都由步进电机驱动。选择左边的传 送轮为主动轮，出纸轮和送纸轮分别与左右传送轮之| 甘j 用齿轮机构传动。 两个传送轮中心距a = 3 8 0 m m ，传送轮直径d p 4 0 m m ，出纸轮和送纸轮与搓纸辊结构材 料相同。传送带轮直径和搓纸辊相同，转速相同，此处使用步进电机，以减小惯性，保证 传送带快速准确停留。 1 传送带的选型【2 1 j 传送带使用圆弧齿同步带，同步齿形带是工作面为齿形的环形传动带，将啮合原理应 用于带传动领域的一种同步传动。优点是： a 传动效率高，可达9 8 9 9 5 2 2 节能效果大，可节能2 4 带与轮问返向间隙小，严格同步不打滑，传动比精确 不需要润滑，既节省润滑油，又无污染 传动比达，速比可达1 0 使用速度范围大，可达5 0 m s 负载容量范围大，负载可从分马力至数百千瓦 传动设计的自由度大，由于同步带薄而轻，弯曲半径小，可缩小传动尺寸 啮合传动平稳、噪音小 带的伸长率小，一次调定张力后可继续使用，以后不必调整，且初张力小，带对轴的 压力小，运转时产生的摩擦热小，可延长电机和轴承的使用寿命。 查阅机械设计师手册，同步带按带体材料分为氯丁橡胶带和聚氨酯橡胶带，前者用 于功率大的传动，后者用于小负荷的轻型传动。根据工作载荷小的特点，本课题选择使用 聚氨酯橡胶带，带齿用圆弧齿。聚氨酯橡胶带的承载层为钢丝绳芯，基体为聚氨酯橡胶。 传送带选用圆弧齿，节距代号5 m ，节距p = 5 m m ，带宽2 0 m m ，根据中心距及带轮直径， 计算带长为8 8 5 m m ，则采用同步带规格代号是8 8 0 5 m 一2 0 。并将中心距调整为 a = 3 7 6 8 r a m 本课题传送带采用5 根圆弧同步带平行排列安装在传送带轮上，间距为6 0 m m ，组成 传送带，信息卡在5 根同步带上随同步带一起运动，这样使信息卡平整，有利于摄像头摄 像及后处理。同步带参数如表3 - 2 圆弧齿尺寸参数所示。 表3 - 2 圆弧齿尺寸参数 】节距代号 节距p带厚h ( m m )齿高h t ( m m l节线差a齿半径r ( m m ) l f 5 m ，m m3 8 0 m m2 0 60 5 7 01 4 9 圆弧同步带的结构形式如下图3 - 6 所示： & c n b r q h l l 囤3 - 6 同步带的尺寸及结构 f i g 3 - 6t h eo u t l i n ea n ds t r u c t u r eo fs y n c h r o n o u sb e l t 带轮选择用轮代号为p 2 6 5 m 一2 0 a f ，型号为a f 型。带轮的排列和同步带一致。 2 步进电机的选型 传送机构工作时，信息卡与同步带的摩擦力为1 0 n ，同时出纸轮和送纸轮也与纸有摩擦 力，假设也为i o n 。 则主动轮需要的转动力矩t = 3 f r ；3 x 1 0 x 0 0 2 n m = 0 6 n m = 6 1 k g c m 选用西安骊山电子业总厂生产的永磁感应子式步进电机。型号：5 7 b y g 0 0 2 ，电机的相 关参数如表3 3 该电机采用s m d 4 0 1 驱动模块，s m d 一4 0 1 驱动模块采用单极恒压驱动原理，驱动电 流可达1 a ，4 相8 拍励磁方式，步进电机采用半步运行( 即步距角为1 8 度，每个脉冲电 机转0 9 度。步进电机驱动器调整脉冲发生器，使传送带的转速为2 0 r r a i n 。 表3 - 3 步进电机参数 型号相数 电压电流转矩外型尺寸 输出轴接线 5 7 b y g 0 0 241 2 v0 6 a 6 o k g c m5 7 5 6 6 3 5 0 0 1 3 x 2 1a 3 2 3 摄像机构设计 摄像机构的设计包括2 个部分：c c d 摄像头固定及姿态调整装置；支撑机构。 用高清晰的c c d 摄像头摄像，通过与c c d 摄像头连接的图像采集卡，把图像传输到 电脑里，从而完成信息卡的识别，信息的采集。摄像头用美国鹰威公司生产的c c d 摄像 头，型号是e n v - 9 8 0 h ，电源为d c l 2 v ，5 0 0m a ，其重量为o 6 k g 。 2 4 1 位置调整及固定机构设计 将c c d 摄像头固定在套筒1 里，套筒上端与吊杆2 用螺杆、螺母联接，采用推力球轴 承3 支撑。位置调整由电机6 带动齿轮机构3 左右旋转，如图3 7 。在阅读机的工作面板 上有左右旋转的按钮。 旋转时电机6 的转速为l o r m i n ，通过齿轮机构减速后带动摄象头旋转。 电机采用5 0 k t y z 电机，型号是a ，转速用1 0 r m i n 。其安装尺寸和接线方法与搓纸 辊驱动电机一样。 1 一套筒，2 - - 吊杆，3 一齿轮，4 一轴承，5 - - c c d 摄像头，6 一电机，7 一支撑臂 图3 7 位置调整机构 1 。s l e e v e ，2 - s t e e v e ，3 - g e a r ，4 - a x l e t r e e ，5 - c c d ，6 - m o t o r , 7 - k n i g h t h e a d f i g 3 - 7 t h em e c h a n i s mo ft h ep o s i t i o na d j u s t m e n t 2 支撑机构设计 借鉴教学中常用的投影仪的镜头支撑结构，摄像机构由摇臂支撑，摇臂可以转动，平 时不用的时候可以折叠放在阅读机的面板上。经过详细的设计计算，其外形尺寸如图3 - 8 所示。镜头离工作台面高度为h = 5 2 0 m m 2 5 3 2 4 纸仓设计 勾 图3 - 8 摄像机构 f i g 3 - 8t h ep h o t o g r a p hm e c h a n i s m 纸仓包括进卡仓和接卡仓。其中进卡仓可以折叠，仿照打印机的结构；而接卡仓分为 上下2 个纸仓。 采取双层回转式接 仓的过程中，上面的接卡仓由电机带动可以摆动，当上位计算机 给出无法识别的信号后，单片机发出指令，使其摆动，保证信息卡落入其中。这样设定方 便操作人员随时将错误或者无法识别的信息卡拿出，完成人工识别，进而完成计算机录入。 纸仓设计时都使用工程塑料，如a b s ，作为塑料零件设计和制作。 一接卡仓 设计时将上层接卡仓( 错纸仓) 设计为半截式，使无法识别或错误的纸( 卡) 直接掉 出来，出人工阅读；而将正确部分的纸仓设计为抽屉式可拉出、推入的结构。其结构如图 3 - 9 所示。图中上面为下接卡仓工作时的位置，下图则为下接卡仓推入阅读机的状态。 上层接卡仓在5 0 k t y z a 同步电动机的带动摆动，设计要求电机0 2 秒转动1 2 。则电机 玎 的角速度2 蔷= 3 r a d s ，则其最小转速n i l o r m i n ， 选用转速为1 5 r m i n 的5 0 k t y z a 型电机，用联轴器直接联接。其技术参数和搓纸棍驱 动电机相同。 移 - 7 1 。7 。 ：= ：= ：= ：= = = ：= = = = ：j 图3 - 9 接卡仓 f i g 3 - 9t h ep a p e rw a r e h o u s e 二进卡仓 设计时使进卡仓部分像打印机那样可以展开、折叠、抽出。并且在上面设计一套齿轮 齿条机构( 1 ，2 ) ，左右有两个导向板3 ，移动一边时，因为齿轮、齿条机构的作用，两边 同时移动，可以保证信息卡在中问位置，而且起到导向作用，防止信息卡歪斜。如图3 - 0 所示。 通n u 必 _ 卜齿轮，2 一齿条，3 一导向板 图3 1 0 接卡仓 1 一g e a r ，2 - r o c k ，3 - o r i e n t e db o a r d f i g 31 0t h ep a p e rw a r e h o u s e 2 7 4 1 控制系统原理 第四章阅读机控制系统的设计 阅读机完整的工作过程是：信息卡放入升纸盘， 电机驱动凸轮转动，升纸盘上升，在搓送位置电机停 止转动，同时搓纸辊电机开始转动，带动搓纸辊转动， 搓纸辊的摩擦力使信息卡向前运动，经过送纸轮，到 达传送带，在传送带摩擦力作用下继续向前，到达摄 像位置，接近开关给出信号，传送轮停止转动( 步进 电机停止转动) ，信息卡在此位冕停留，摄像头摄像 ( 获取的图像传送给上位计算机，以备识别处理) ， 然后传送轮转动，信息卡继续向前，经过出纸轮进入 接卡仓；正确识别和无法识别的信息卡将进入不同的 接卡仓( 正误接卡仓由接卡仓电机带动实现位置转 换) 。 由上述过程，可以绘制出控制系统总的流程图 ( 如图4 1 ) 以单片机为核心构成基于图像识别的信息卡阅 读机的控制系统，控制各部分电机的转动及传感器的 信号。单片机要控制5 个电机的转动，处理3 个传感 器的信号，上位计算机给出的各种信号，控制l c d 驱 动器等。其控制系统框图为图4 一型所示。 开机检查( 初 始化) l 摄像指令l 1 升高升纸盘( 凸 轮5 电机转动、 士 搓纸辊转动( 搓纸电机转动) 传送轮转动( 传送电机转动) 0 搓送纸张到传送带 1 纸张n ：传送带上运动 七 ，一传感器检测 纸张到位，- y 4 传送带停止转动( 传送电机停转) 商一篇挈 香瓜。 图4 - 1 ：阔读机控制流程图 上位计算机 单片机 | 检纸传感器 接卡仓电机 摄像机构控制 传送带驱动电机 位置调整电机 位置传感器( 2 个) 送纸 机构 控制 控制l c d 驱动器 搓纸辊电机 升纸凸轮电机 图4 - 2 ：控制系统框图 f i g 4 - 2t h ef r a m eo fc o n t r o l l i n gs y s t e m 上下位机分别由p c 机与8 0 3 1 单片机充当。如果上下位机通信成功，下位机系统就 可以开始运行：控制电机的转动借助于继电器转化为继电器的控制；阅读机各机构的运动 时序采用单片机内的定时记数器并结合传感器信号来控制。 可以将阅读机的控制系统分为4 个模块 主控制系统模块 液晶显示模块 如图所示： 4 2 硬件设计 工作流程模块 串行通信模块 图4 - 3 控制系统功能模块 f i g 4 - 3t h e f u n c t i o n a lb l o c ko fc o n t r o l l i n gs y s t e m 控制系统硬件组成有m c s 一5 1 单片机、传感器、继电器、步进电机驱动器、l c d 驱动器 2 9 等部分。总体要求控制系统有1 6 个开关量输入，1 2 个开光量输出，5 个电机，1 个r s 一2 3 2 接口。 4 2 1 器件选择 一单片机 本课题选择用p 8 0 3 1 a h 单片机。该单片机使用8 b i t 的c p u ，1 2 m h z 的晶振，外部数据 程序存储器。其使用范围包括工业控制，交通灯，马达，l c d 等。作为并行i 0 口扩展， 使用8 2 5 5 a 芯片。 具体特性有： 8 b i t s8 0 3 1 c p u r a m 8 k b y t e sr a m r ( ) m e x t e r n a l5 6 kr o m 二显示器件 本课题采用深圳瑞特电子有限公司的r t l 2 8 3 2 b 液晶模块。该模块使用s i t r o n i x 公司 出品的s t 7 9 2 0 中文点阵液晶显示控制器内置8 1 9 2 个1 6 x1 6 点阵的中文字型库，为汉字 显示提供了方便，又为编程人员节省了自编汉字库的时间，解决了自建汉字库中汉字数量 受限的问题。s t 7 9 2 0 控制器提供了三种可选择的控制界面：8 位并行界面、4 位并行界面 及串行界面；在应用中使用s t 7 9 2 0 的8 位并行接口方式可以节约m c u 的硬件资源。 三传感器选择 信息卡检测传感器选用东崎电气有限公司生产的直流电容电感式接近开关t k 一1 2 n 8 c ， 约定距离为8 m m ，检测距离为0 - 6 4 m m ，输出电流2 0 0 m a 。接近开关频率、 2 0 0 h z ，则接近 丌关发送信号的时间为0 0 0 5 秒，而单片机发出指令使步进电机停止需要4 8 个振荡周期， 即4 微秒；则0 0 0 5 0 0 4 秒内传送带移动0 6 1 m ，由此可知，信息卡可以快速、准确定位。 摄像机构中c c d 摄像头位置调整时的传感器选用2 个电容式接近丌关。 网复位电路及时钟振荡电路 ( 1 ) 复位电路 单片机的复位方式有上电复位和手动按键复位2 种。复位电路中的电阻，电容数值的 设置，是为了确保r s t 引脚至少保持2 机器周期的高电平而完成复位过程。工作原理：上 3 0 电瞬间，r s t 端电压与v c c 相同，随着充电电流的减少，r s t 端的电位逐渐下降，只要r s t 端有足够长的时间的电压在阀值以上就可以复位。 ( 2 )时钟振荡电路 时钟是定时的基础。m c s 一5 1 单片微机有2 种方法产生所需要的时钟。 内部方式：利用内部反相器作振荡电路，外接晶振作定时元件；晶振频率在1 2 - 2 4 m h z 之 间任选。 外部方式：此时应把x t a l 2 接地，x t a l l 接振荡源。 本设计取晶振频率为1 1 0 5 9 2 m h z ，内部方式，并联的小电容起频率微调的作用。 4 2 2 单片机系统设计与制彬2 2 】【2 4 1 系统需要解决的问题 出前面分析知道，控制系统需要控制各个电机，处理传感器信号，控制l c d 的工作并 与上位计算机通信；而其自身z o 口有限，需要首先扩展i o 口。因此单片机系统需要解 决如下3 个问题 1 i o 口扩展 p 8 0 3 1 a h 因为i o 接口有限，而本系统要控制5 个电机和多个输入输出量，需要扩展 o 口。在本系统上采用2 个8 2 5 5 a 芯片扩展单片机的i 0 口。 2 电机控制嘶1 阅读机上既有步进电机又有直流电机，所以必须明确各种电机的控制方法。 首先要确定步进电机的控制。使用单片机对步进电机进行控制，方法有串行控制和并 行控制两种。串行控制中，单片机与步进电机功率驱动接口之阃只用2 条控制线，一条用 来发送脉冲( c p ) ，另一条用来发送指定旋转方向的电平信号。在并行控制中，单片机用 数条输出口线直接去控制步进电机各相绕组的驱动线路。电机功率接口不包含环形分配 器，环形分配器的功蒯必须由单片机来完成，而单片机实现脉冲分配器的功能又有两种方 法，一种是纯软件方法，即全部用软件来实现相序分配，直接输出各相导通或截止的信号， 另一种方法是软件与硬件结合的方法。本课题采用单片机控制继电器来控制步进电机的运 动。 3 1 直流电机的控制可用单片机控制继电器开合来控制电机的运动与停止。 3 串行通信心叩 在实际工作中，计算机的c p u 与外部设备之间之间常常需要进行信息交换，一台计算 机与其他计算机之间的也需要交换信息，所有这些信息交换都可称为通信。通信的基本方 式可分为并行通信和串行通信两种。并行通信是指数据的各位同时进行传送的通信方式， 优点是传送速度块，缺点是数据有多少位就需要多少根传输线；而串行通信是指数据一位 一位顺序传送的通信方式，优点是只需要一根传输线。 本课题中单片机与上位计算机( p c 机) 的通信，使用串行通信。p c 机有2 个串行接口 c o m l 和c o m 2 ，在单片机系统上设置9 针串行接口。利用m a x 2 3 2 元件，进行单片机t t l 电 平和r s 2 3 2 电平的电平转换，通过r s 2 3 2 c 接口与上位机进行串行通信。 二控制系统电路绘制 上面分析了控制系统的原理及需要解决的几个问题。在做好硬件选型及相关的技术问 题都解决之后，就可以设计阅读机的控制系统。 在p r o t e l 上绘制出电路图口，与实际产品有略有出入，电路图参看附录2 。下面分别说 明其各自特点。 1 主板 ( 1 ) 存储器i o 口地址分配 r o m ：u 60 0 0 0 h 一7 f f f h ( 2 7 2 5 6 ) 3 2 kd a t a s e g m e n t u 78 0 0 0 1 1 一d f f f h ( 2 7 2 5 6 ) 2 3 kd a t ao rp r o g r a m r a m ：u 52 7 c 6 48 k u 88 2 5 5 aa d d = e s o o h u 98 2 5 5 aa d d = e o o o h i 门od s 】2 8 7e o o o h e f f f h 表4 - 18 2 5 5 地址分配表 地址 功能 e 0 0 0 t ip o r ta ( u 9 ) e 0 0 1 hp o r tb ( u 9 ) e 0 0 2 hp o r tc ( u 9 ) e 0 0 3 hc o n t r o lr e g is t e r ( u 9 ) e 8 0 0 hp o r ta ( u 8 ) e 8 0 1 hp o r tb ( u s ) e 8 0 2 hp o r tc ( u 8 ) e 8 0 3 hc o n t r o lr e g is t e r ( u 8 ) ( 2 ) 接口简介： 下面分别介绍主板的各个部分外接接口 c o n l ： 使用9 针r s 2 3 2 扩展电缆直接从8 0 3 1 的9 针母口与p c 机连接，进行通信。 c o n 2 ： 用于与l c d 显示器连接，采用l o 针扁平缆，可显示系统工作状态。 c o n 4 ，c o n 5 ：l e d 发光2 极管跳线连接，方便模拟调试时显示。 c o n 6 ： 与u 88 2 5 5 a 连接，左边一排连8 2 5 5 的a 口，右边连b 口 c o n 7 ： 与u 98 2 5 5 a 连接，左边一排连8 2 5 5 的a 口，右边连b 口 主板的主要部件如表4 2 。 表4 - 2 主板零件表 序号标号名字 数量 1u 1嗽2 3 2 1 2 u 2p 8 0 3 1 a h1 3 u 3m a x 6 9 11 4 u 41 8 v 81 5u 5 2 7 c 6 4l 6u 5 ( 1 ) 7 4 l s 3 7 31 7 u 6 ，u 72 7 2 5 6 2 8 u 8 ，u 9 8 2 5 5 a2 9 u 1 0d s l 2 8 71 1 0u 1 17 8 0 5 1 1 1 r 0 ，r 1 ，r 42 2 0 0 h m 3 3 3 1 2r 3 3 3 0 0 h m 1 1 3r 5 5 6 k 1 1 4 r 6 ，r 7 4 7 k2 1 5r 8 ，r 0 1 0 k2 1 6 r p l r p 2 i o k + 8 ( 9 e i n ) 2 1 7r p 3 ，r p 4 3 3 0 0 h m + 8 ( 9 p i n ) 2 1 8d 1i n 4 1 4 81 1 9c 1 一c 3 。c 5 ，c 9 1 0 u f5 2 0 c 4 。c l l 1 0 0 u f2 2 1 c 6 ，c 7 2 7 p f2 2 2 c 8 ，c i o ，c 1 3 一c 2 0 1 0 u f1 0 2 3c o n l r s 2 3 2 9 p i n ( 母、 1 2 4c o n 2 s o c k e t 1 4 p i nl 2 5 c o n 6 ，c o n 7 s o c k e t 4 0 p i n 2 2 6c o n 4 c o n 5 s o c k e t 1 6 p i n 2 2 7 j 7 ，j 8 ，j 1 0s o c k e t 2 p i n3 2 8 j 3 ，j 6 ，】9 ，j 5s o c k e t l 3