（通信与信息系统专业论文）光电分选机分选系统的设计与实现.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 光电分选机广泛应用在颗粒状物料品质检测与分级领域，该设备可以提高物料的品 质等级，增加其附加值，提高加工技术的自动化程度，能够带来很好的社会与经济效益。 因此对光电分选机的研究有着重要的现实意义。 分选系统是光电分选机的重要组成部分，它的任务是利用光电技术将物料中的次品 分类检出并剔除。本文将分选系统按照具体功能划分成信号检测系统、分选控制系统和 气枪驱动系统等3 个子系统，分别实现其功能，完成了光电分选机分选系统的设计。 信号检测系统采用硅光电池作为光电传感器，在高速下落物料中识别不合格物料， 向分选控制系统发送检出信号。设计了光信号拾取电路；利用d a 转换器a d 8 8 2 0 和模 拟乘法器a d 8 3 4 设计了1 6 通道的增益可调放大电路；设计了信号检出电路。 分选控制系统的设计，采用x i l i n x 公司的f p g a 芯片x c s 3 0 作为控制器，对数据 进行高速并行处理。制定与主控制器间的通信协议，用v e r i l o g 硬件描述语言实现了对 数据报文的滤波；控制s r a m 的读写操作，实现了各个通道气枪喷射延迟时间的单独 可调；实现了对a d 8 8 2 0 写入时序的控制；设计了检测指示电路，实现了对检测指示电 路的驱动；接收主控制器数据，产生周期可调的打击信号发送给气枪驱动系统。 气枪驱动系统以c p l d 芯片x c 9 5 1 0 8 为核心，接收分选控制系统的打击信号，控 制高速电磁阀( h s v ) 快速开启与关闭，剔除不合格物料。设计了高速电磁阀驱动电路； 用c p l d 产生了有利于高速电磁阀快速动作的驱动脉冲。 本文采用v e r i l o g 语言和原理图混合编程的方法进行硬件电路描述，利用i s e4 2 软 件对所设计的各部分电路进行仿真、综合、实现和配置下载。经过大量的实验，验证分 选系统能够正确实现所要求的功能。最后组装了小型样机进行选米实验，达到了很好的 分选效果。 关键词：光电分选机；检测；f p g a ；c p l d ；高速电磁阀 光电分选机分选系统的设计与实现 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fp h o t o e l e c t r i cs o r e rs o r t i n gs y s t e m a b s t r a c t p h o t o e l e c t r i cs o r t e r sa r ew i d e l yu s e di nd e t e c t i n ga n dg r a d i n go fg r a i n ym a t e r i a l s i t s a p p l i c a t i o nc a ne n h a n c em a t e r i a l s q u a l i t y ，i n h e r et h e i ra d d e dv a l u ea n db r i n gg o o d e c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s s ot h er e s e a r c ho ft h ep h o t o e l e c t r i cs o r t e rh a st h ei m p o r t a n t p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e a sa l li m p o r t a n tp o r t i o no ft h ep h o t o e l e c t r i cs o r t e r , s o r t i n gs y s t e mi saw a yt os o r ta n d r e m o v ei n f e s t e do b j e c t sb yu s i n gp h o t o e l e c t r i c a lt e c h n o l o g y t h et h e s i sc o m p l e t e st h ed e s i g n b yc a r v i n gt h es o r t i n gs y s t e mi n t ot h r e ep a r t sa c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o nw h i c ha r es i g n a l d e t e c t i n gs y s t e m ，s o r t i n gc o n t r o ls y s t e ma n da i rg u nd r i v i n gs y s t e m 1 f 1 1 es i g n a ld e t e c t i n gs y s t e mu s e st h es i l i c o np h o t o e l e c t r i cc e l la st h ep h o t o e l e c t r i cs e n s o r t od i s t i n g u i s hi n f e s t e do b j e c t sf r o mt h ef a l l i n gg r a i n ym a t e r i a l si nh i g hs p e e d n l et h e s i s d e s i g n sl i g h ts i g n a lc o l l e c t i n gc i r c u i t ；a d o p t sd ac o n v e r t o ra d 8 8 2 0a n da n a l o gm u l t i p l i e r a d 8 3 4t od e s i g n1 0 一c h a n n e lp r o g r a m m a b l eg a i na m p l i f i e r ；d e s i g n ss i g n a ld e t e c t i n gc i r c u i t t h ed e s i g no fs o r t i n gc o n t r o ls y s t e mu s e sx c s 3 0f p g ab yx i l i n xa st h ec o r ec o n t r o l l e r t op r o v i d ep a r a l l e lh i g h - r a t ed a t ap r o c e s s i n g 1 1 l et h e s i sc o n s t i t u t e sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s w i t hm a i nc o n t r o ls y s t e m u s e s v e r i l o gl a n g u a g et oi m p l e m e n td a t am e s s a g ef i l t e r ； i m p l e m e n t se a c hc h a n n e l sa i rg u ne j e c t i n gd e l a yt i m ea d j u s t i n gb yc o n t r o l l i n gs r a m s r e a d - w r i t ew o r k ；i m p l e m e n t st h et i m es e q u e n c ec o n t r o lo fa d 8 8 2 0 ；d e s i g n sd e t e c t i n gs h o w c i r c u i t ；i m p l e m e n t st h ed r i v i n gf u rd e t e c t i n gs h o wc i r c u i t ；m a k e sm j u s t a b l ec y c l ee j e c ts i g n a l t ot r a n s m i tt oa i rg u nd r i v i n gs y s t e mw h i l er e c e i v i n gd a t af r o mm a i nc o n t r o ls y s t e m b a s i n gu p o nx c 9 51 0 8c p l dt h ea i rg u nd r i v i n gs y s t e mr e c e i v e se j e c ts i g r l a lf r o m s o r t i n gc o n t r o ls y s t e m ；c o n t r o l st h eh s vs w i t c h i n gi nh i g hs p e e dt oe j e c ti n f e s t e do b j e c t s 1 1 1 et h e s i sd e s i g n sd r i v i n gc i r c u i to fh s v ；m a k e sd r i v i n gi m p u l s ew i t hc p l di nf a v o ro f h s v sf a s to p e r a t i o n i nt h et h e s i s ，t h eh a r d w a r ed e s c r i p t i o ni st o t a l l yr e a l i z e di nv e r i l o gl a n g u a g ea n d s c h e m a t i cd i a g r a m u s i n gi s e4 2s o f t w a r eh a sc o m p l e t e dt h es i m u l a t i o n , s y n t h e s i s ， i m p l e m e n t a t i o na n dc o n f i g u r a t i o no fe v e r yc i r c u i t b yt h er e p e a t e de x p e r i m e n t s ，t h es o r t i n g s y s t e mi sc o m p l e t e da n dm e e t st h et h e s i s b e s i d e s ，ap r o t o t y p ei sd e s i g n e df o rs o r t i n gr i c e ， a n do b t a i l l sag o o de f f e c t k e yw o r d s ：p h o t o e l e c t r i cs o r t e r ；d e t e c t i o n ；f p g a ；c p l d ：h i g h s p e e ds o l e n o i dv a l v e 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 彗稿 日期：2 ：圭：! 三：翌 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：皇桶作者签名：豇早 导师签名 ，纽堑 兰! ：7 年l 月上日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 光电分选机研究的意义 传统的对颗粒状物料的分选及检测，大多是依靠物料的硬度、弹性碰撞及低频振动 等特性，一般没有高速电子计算机技术的支持，故它们的分选速度不快，精确度也不高。 近年来，伴随着高新技术的飞速发展，产品品质的分选与检测也逐步地与现代科学技术 相结合，出现了利用光电技术、核磁共振技术、机器识别技术等进行检测的新方法。而 其中光电技术方法以其检测方法简单、分选速度快、系统集成度高、成本低等特点，得 到了最广泛的应用。 光电分选机是一种从运动的颗粒流中将杂质进行识别和喷除的光，机、电一体化的 高新技术设备【l 。j ，具有自动化程度高、灵敏度高、稳定、可靠等特点。物料颗粒从几 十甚至上百个溜槽顺势滑下，途径光电传感器后，信号检测处理系统利用颗粒物料的光 学特性，将颜色不正常、表面有缺陷或内部变质的次品及外来夹杂物无损地检出并分离； 是应用于不合格产品与合格产品因粒度f 分接近而无法用传统的分选设备分离或因密 度基本相同而无法用比重分选设备分离场合的最佳设备f 3 】。它可以用来分选米类、豆类， 芝麻、瓜籽仁，葡萄干、塑料丸等多种物料。经过分选后的物料，品质明显提高、市场 竞争力大大增强，能够带来巨大的经济与社会效益。 在我国，分选机己首先应用于分选大米中的有色米粒和杂质，在碾米加工业中占据 主导地位，农副产品分选、金属分选和矿石分选等其它加工业也正在积极推广应用。目 前国内市场上的分选机品牌已有2 0 多种，但在结构设计和应用技术上，还有许多值得改 进的地方 4 1 。目前，分选枫在我国的农产品出口、食品加工出口及化学品、矿产品等领 域的应用已进入了个快速增长期，市场上对分选机的需求每年都在成倍增长，产品已 远远不能满足市场需求。 在分选机研究方面，国外公司起步较早。美国e s m 公司及s o r t e x 公司分别于2 0 世纪 3 0 年代及4 0 年代研制了这种设备，日本佐竹公司于1 9 7 9 年首次推出这种产品，且目前生 产的g s 系列大米分选机性能优越，技术指标稳定，得到广泛应用。日本安西制作所于2 0 0 2 年4 月成功开发出世界首创的用于分选低粘度小麦的专用分选机a u ，2 0 0 4 年开发并生产 搭载高速c c d 的大型号分选机d c 。国内主要是引进或者改造国外的分选机，主要有： 中美合资安徽安美达色选机械有限公司引用美国技术生产的a m d 系列光电色选机，浙 江齐鲤机械有限公司和韩国韩亚自动化( 株式会社) 联合开发制作的d i g n q l c s 系列大 米分选机等。另外，核工业理化工程研究院自主研究生产的分选机1 9 9 6 年1 1 月通过了国家 光电分选机分选系统的设计与实现 鉴定，但在结构设计上还有许多值得改进的地方，各项技术指标与国外产品相比还有一定 的差距l ，j 。 老式的分选机多采用单面检出，一次分选技术，它只从一个方向对物料进行观测， 对于背面有缺陷的颗粒或物料在重叠时被遮挡的颗粒就不能检测到而被漏过。因而，从 原理上讲它是不完善的。双面检测从前后两个方向同时观测，它克服了单面检测的缺陷， 因而是更为先进、更为完善的分选机，同时能够较大幅度地提高产量，更增加了分选机 的稳定性和可靠性。一次分选机对物料只选一遍，在次料中含有较多的正常物料，通常 是用户积攒一定数量时再用分选机重新分选一次，既费力，又费时，比较麻烦。如果想 进行一次分选而不进行二次分选，那就是将产量降低到一定程度来减少废料中合格物料 的带出比，这个办法付出的代价太大，一般都不愿使用。而带二次复选的分选机是把一 次分选后含有较多正常颗粒的次料自动重新再选一次，它自身配置有提升机等回料装 置，相当于有两台机器同时进行两级分选。因而，带二次复选的分选机可以最大限度地 减少废料中合格物料的含量，省去了不少人力和时间，同时还有利于产量和分选精度的 提高州。 综上所述，在我国无论从市场需求、科技研发的角度考虑，光电分选机的研发都具 有非常重要的意义，中国需要有更多自主知识产权的光电分选机振兴民族产业，适应国 际竞争。故本文提出了基于双面检出、二次分选技术，由f p g a 、c p l d 和p i c 单片机 等多个控制器联合控制，触摸屏作为人机交互界面的光电分选机设计，本课题着重研究 该分选机的核心部分之一，分选系统的设计与实现。 1 2 本文主要研究内容 本文主要对光电分选机的分选系统进行了设计与实现。分选系统的任务是选出与分 离不合格的物料，针对该任务，本文进行了以下工作： ( 1 ) 信号检测系统的设计 光学系统的设计，包括背景板颜色的选择以及照明光源的选择： 选择低噪声的集成运放，使用低噪声供电电源设计光电转换电路； 利用d a 转换器和模拟乘法器设计一个增益可调的放大器，实现对各个通道增 益的单独调节，并设计电路将调节后的增益反馈给主控制器； 设计判别电路，实现分选机的选出功能； ( 2 ) 分选控制系统的设计 控制系统处理芯片的选择； 以f p g a 为核心的硬件电路设计； 大连理工大学硕士学位论文 控制系统软件设计，制定通信协议，实现对主控制器发送数据的报文滤波，对 信号检测系统控制码的输出，不合格信号分通道分前后指示，各通道打击信号的独立延 迟以及下发打击命令等功能； ( 3 ) 气枪驱动系统的设计 以c p l d 为核心的硬件电路设计； 高速电磁阀驱动电路的设计； 用c p l d 产生驱动高速电磁阀快速开关的控制脉冲； ( 4 ) 整机调试 在以上硬件及软件部分设计完成后，本文还联合分选机主控制系统进行整机调试， 验证各系绔功能均正确实现。组装一台小型样机进行分选大米的实验，证明整机系统能 够很好的实现对颗粒物料的分选。 光电分选机分选系统的设计与实现 2 光电分选机系统 2 1 光电分选机简介 ( 1 ) 工作过程简介 分选机工作前，用户通过人机交互界面( 触摸屏) 设定物料的分选参数。分选过程 中，物料首先由进料斗通过电磁振动给料器配送到各个分选通道中，然后滑过溜槽，并 依靠重力落到固定位置，进入光学系统。光学系统在灯光的照射下，由正反两面的光电 传感器分别对物料进行动态扫描，并将光电传感器输出的信号经过放大处理，经过判别 给出打击信号，该信号产生的延时时间正好等于不合格物料从视镜下落至喷射气枪之间 的时间差，当次品到达喷射器位置时，气枪喷嘴喷射高速气流，将次品吹出，使其落入 次品槽，而合格品继续下落并进入合格品槽，从而完成物料的一次分选。为了提高分选 精度，落入次品槽的物料可以进行二次分选，同时在分选过程中，还可以通过触摸屏对 分选参数进行反复调节，以使分选效果达到最佳。图2 1 为分选过程示意图f 卯。 o 一合格品一次品 1 ) 料斗；2 ) 电磁振动给料器；3 ) 滑道；4 ) 光源：5 ) 背景板；6 ) 光电传感器；7 ) 触摸屏 8 ) 喷射气枪；9 ) 合格品槽；1 0 ) 次品槽 图2 1 分选过程示意图 f i g 2 1s k e t c hm a po f t h es o r t i n gp r o c e s s 大连理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 系统结构简介 光电分选机按照系统功能结构进行划分，可分为供料系统、光学系统、剔除系统及 电控系统四个组成部分。其整机结构框图如图2 2 所示。本文将电控系统的一部分、光 学系统和剔除系统定义为分选系统进行设计。 一面磊焉溉。 触撰捌k a 絮柠制幕绕 二电磁摭删缭睾嘻系绕e df j t 科系绕 霜一蓐芦面 ili ：b 坯巫墨 供料系统 供料系统的作用是调节待选物料分选流量，为光学系统的观察检测和剔除系统的剔 除工作提供保障。它将待选物料调节整理，使其流速与个体姿态保持相对稳定，保证物 料在观察区内能被逐个地观察检测，在分选区能被方便地分选剔除。 光学系统 光学系统是光电分选机的关键部位，其作用主要是对待选物料进行光学检测分析， 为分选系统提供准确无误的分选信息。它一般由光源、背景板、接收器和镜头组成，目 前常用的光源有荧光灯、氙灯和钠灯等：背景板选用的颜色应接近于合格品颜色，且可 通过手动或自动调节其角度，使背景板产生的反射信号与合格品产生的反射信号近乎等 效，以达到较好的分选效果；接收器即光电传感器，可将接收面上的光信号转换成电信 号，目前应用于分选机上的主要有硅光电池及电荷耦合器件( c c d ) ，用硅光电池来检测 光信号，它的最大优点是成本低廉，生产、调试和制作容易，后续的信号处理部分电路 简单，与之相匹配的光学系统采用简单的电眼，由两片简单的透镜组成，不需要调整， 成本也较低【6 】。 剔除系统 剔除系统主要是将光学系统检测发现的次品分选剔除。对于颗粒状物料常见的剔除 主要是用压缩气流喷吹，当物料进入剔除系统后，合格品沿着正常轨道排出，次品则被 籀零 光电分选机分选系统的设计与实现 气枪喷嘴发出的脉冲式压缩气流吹离正常运动轨道，而落入次品槽。所以要获得准确无 误的分选，就要求从分选控制系统接收到检出信号到剔除机构动作这一延时时间要与物 料从检测点到气枪喷嘴的运动时间相匹配。 电控系统 电控系统包括主控制系统、分选控制系统，信号检测系统、电磁振动给料系统和气 枪驱动系统。它控制着整机各机构的工作，主要是对分选流量进行调节，检测和识别次 品物料和合格品物料，启动剔除机构完成分类操作，对分选参数进行存储，而且还可进 行故障的自诊断及处理，从而降低对操作人员的依赖性，提高系统的自动化程度。 电控作为系统连接的桥梁，通过接口电路将供料系统、光学系统和剔除系统与上位 机触摸屏连接起来。这样在分选机工作时，就以触摸屏为人机交互界面，对系统各功能 模块进行设置和监控，从而实现对整个光电分选机的统一管理。 2 2 总体电路结构设计 通过对光电分选机工作过程和系统结构的分析，光电分选机的控制系统是由主控制 系统、分选控制系统、信号检测系统、电磁振动给料系统和气枪驱动系统协同工作的系 统。主控制系统直接或间接控制和管理其它系统，及控制温度、电源电压、开关信号、 指示灯等外围电路等。分选控制系统是协调主控制系统对信号检测系统和气枪驱动系统 控制的核心机构，在分选机电路中体现为 r + 1 ( 匿1 5 ) 个分选控制板。信号检测系统采用 双面光学传感器检出技术对 h - 1 个分选滑道的物料进行检测和识别处理，信号检测系统 包括2 + 1 ) 个前信号板和2 ( 1 ) 后信号板。每个信号板带有1 6 个硅光电池进行扫描工 作并进行光电转换处理；然后对1 6 路扫描后放大的信号再次进行放大处理，并分别进 行判别，产生检出信号。电磁振动给料系统按照主控制系统设定的工作参数进行工作， 将物料调节整理，保证物料在观察区内能被逐个地观察检测。气枪驱动系统接收分选控 制系统的打击信号后，控制高速电磁阀将高压气流喷出，把物料中的次品分选剔除，系 统每个溜槽都对应有一个气枪喷嘴，这样当不合格品下落到气枪喷嘴前面时，就可以通 过控制高速电磁阀的打开，将不合格物料喷出合格物料下落的队列。图2 3 示出了光电 分选机控制系统总体结构图。 分选机选用的g p 触摸屏带有r s 4 8 5 接口，所以主控制系统与触摸屏问的通信采 用了基于r s 4 8 5 的异步串行通信方式；主控制系统与分选控制系统和电磁振动给料系 统间的通信都采用了同步串行通信的方式，这种通信方式有别于常用的两线制，其增加 了条数据使能信号线，可不必搜索同步符，同时接收方接收数据时采用时钟脉冲计数 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 和使能信号双重检测的方法，从而提高了通信的可靠性；主控制系统与其它系统之间的 通信，则是通过分选控制系统的转发来实现的。 图2 3 光电分选机总体结构图 f i g 2 3t h ec o n f i g u r a t ： 2 no f p h o t o e l e c t r i cs o r t e r 光电分选机分选系统的设计与实现 3 信号检测系统的设计 3 1 光信号的拾取 3 1 。1 背景板与光源的选择 一般光电分选机光学检测系统都有专设的背景板，被测颗粒都要置于一个背景( 即 基准色) 中进行检测，典型的背景板是一系列从浅到深的颜色片。根据光电等效原则， 在光源的照射下，总有一片背景板单位面积上产生的反光信号，与合格品单位面积上产 生的反光信号等效。因此选择适当背景板，可达到合格品通过时，硅光电池上不产生电 脉冲，只有反光信号异常的次品通过时彳会产生。 分选机能有效识别各种异色粒，还需要选择合适的照明光源。按照选别对象的光学 特性，即在不同波长的光源照射下有不同的光学性能，合格品与次品的差异越大就越容 易被识别。在这里以选择大米为例，作为合格品的白米与作为不合格品的浅黄米、异色 米在不同波长光源照射下的反射率不一样。经过试验得知，在4 5 0n m 左右波长光源下 它们的差异最大。采用反射率大的灯光波长选别大米时，有下面3 种照射方式：只让传 感器一侧的光源点灯的反射选别；对于传感器，只让大米的后侧光源点灯的透射；使两 方向的光源都点灯的复合方式。选择照射波长范围的时候，需要考虑反射、透射、复合 的所有分光特性。图3 1 是各种光源下选别各种异色粒时的例子l ”。通过上面的分析， 本文采用了蓝色波长的l e d 作为照明光源。 厦鲁 lf j 煮射j菱爵) 二_ i 巡竺，i | i 乙； r 臻懈赫、品赫j 。一- ”i 槲艟t 浚蛭紫：r _ 妻惫。，毋杰叠 。f ! ：、肇管“ ，_ j ：- 。 o 红 匮塑墅! ， 埭缸 匦匿豆圈 圈3 1 不同照射条件下的选别情况 f i g 3 1d i s t i n g u i s h a b i l i t yu n d e r d i f f e r e n ti l l u m i n a t i o n 萄嗑 大连理工大学硕士学位论文 3 1 。2 硅光电池的原理与性能分析 硅光电池是一种利用光生伏特效应制成的光电转换器件，它具有性能稳定，光谱范 围宽，频率特性好，换能效率高，能耐高能辐射等特点。 从晶体管理论可知，当把n 型半导体和p 型半导体结合在一起时，n 型半导体中的 电子和p 型半导体中的空穴就会互相扩散。结果在p n 区交界面附近形成了一个很薄的 空间电荷区，产生内电场，方向由n 区指向p 区。当光线照射p n 结时，p n 结将吸收 入射光子。如果光子能量超过半导体材料的禁带宽度，则由半导体能带理论可知，在 p n 结附近会产生电子和空穴。在内电场的作用下，空穴移向p 区，电子移向n 区，移 动的结果，在n 区聚集大量的电子而带上负电，在p 区聚集大量的空虚而带上正电。于 是在p 区和n 区之间产生了电势，称为光生电动势。如果用导线和电阻把n 区和p 区 连接起来，回路中就会有光电流i 流过，电流方向是由p 区流向n 区，这就是硅光电池 受光照时产生光生电势和光电流的简单原理。 ( 1 ) 光照特性 图3 2 为硅光电池的光照特性，它指光生电动势和光电流与照度的关系。由图可以 看出，硅光电池的电动势，即开路电压u o c 与照度工成非线性关系，在照度2 0 0 0 1 x 照 射下就趋向饱和了。硅光电池的短路电流 s c 与照度成线性关系，而且受照的面积越大， 短路电流亦越大。当硅光电池作为测量元件时，应以电流源的形式来使用。 厶( 1 x ) 图3 2 光电池的光照特性 f i g 3 2l l l u m i n a n e ec h a r a c t e ro f s i l i c o ns o l a rc e l l 图3 3 示出硅光电池的光照特性与负载电阻的关系。从图中可以看出，负载吼越小， 光电流和照度的线性关系越好，而且线性范围也较广。所以硅光电池作为测量元件时， 光电分选机分选系统的设计与实现 所用负载电阻的大小，应根据照度和光强而定。当照度较大时，为保证测量有线性关系， 所用负载电阻应较小。 o 5 晚4 瓴3 o 2 o 1 o l ( 1 x ) 图3 3 光照特性与负载电阻的关系 f i g 3 3t h er e l a t i o nb e t w e e ni l l u m i n a n c , ec h a r a c t e ra n dl o a dr e s i s t a n c e 负载电阻增大时，光电流变小，而且关照特性的线性区域亦变小，这是因为硅光电 池的内阻随照度和电压改变。硅光电池的内阻一般属于低阻范围，其大小与受光面积和 光强有关，在1 0 0 m w c m 2 的入射光强下，硅光电池每平方厘米的内阻范围在1 5 2 0 q 间。 ( 2 ) 伏安特性 硅光电池的伏安特性如图3 4 所示，图中画出了负载电阻凰为0 5 k d 、1 k q 、3 k o 的负载线。硅光电池的负载线由u = r l l 决定。负载电阻短接或很小时，负载线垂直或 接近于垂直。它与伏安特性的交点为等距离，电流正比于照度，数值也比较大。硅光电 池的灵敏度为6 8 m a l m 。 0 6 饥5 口 o 3 轨2 o i 01 0 0 铷3 4 u ( 科) 图3 4 光电池的伏安特性 f i g 3 4v o l t - a m p e r ec h a r a c t e ro f s i l i c o ns o l a rc e l l 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 频率特性 硅光电池的p h i 结或阻挡层面积大，极间电容大，因此频率特性较差。如图3 5 所 示，在光照强度较强或负载电阻较小的情况下。它的最高截止频率最高可达1 0 3 0 k h z 。 在低照度时频率特性要变差，这是因为在低照度时硅光电池的内阻增大的缘故。 于o a k ) 图3 5 光电池的频率特性 f i g 3 5f r e q u e n c y c h a r a c t e r o f s i l i c o ns o l a r c e l l ( 4 ) 光谱特性 硅光电池的光谱特性决定于采用的材料。硅光电池可以应用的范围为4 0 0 0 1 1 0 0 0 c d 。 峰值波长在8 5 0 0 c d 附近。 ( 5 ) 温度特性 硅光电池的开路电压随温度升高而降低，温度每升高1 c ，电压下降2 - 3 m v ，短路 电流随着温度的升高，开始增大，当温度超过7 0 c 左右，温度升高，电流下降嘲。 根据硅光电池的上述特性，选择合适的光源，在光照特性的线性区内拾取电流信号， 这样就能得到反映物料表面特性的模拟信号。 3 1 3i v 转换电路 硅光电池拾取的电流信号是非常微弱的，在输入到信号判别电路之前，设计了专门 的电路对拾取信号进行i v 转换。电路选用低噪声的集成运放l m 3 5 8 ，来实现i v 转换， 具体电路如图3 6 所示。 硅光电池和运算放大器的两个输入端同极性相连，运算放大器两输入端间的输入阻 抗z l n 是硅光电池的负载电阻，可表示为 z k ；r f ( 1 + a ) ( 3 1 ) 式中，a 是放大器的开环放大倍数；廊是反馈电阻。 光电分选机分选系统的设计与实现 当a = 1 0 4 ，r f = i o o k q 时，z m = l o q ，可以认为硅光电池是处于短路工作状态，能 输出近于理想的短路电流。处于交流放大状态的运算放大器，其输出电压砜与输入短 路光电流成比例，并有 碥= 五。r f( 3 2 ) 的关系，即输出电压信号与输入光电流成正比。此外，该电路因输入阻抗低而响应速度 较高，并且放大器噪声极低，信噪比提高【9 】。 - v c c 图3 6i v 转换电路 f i g 3 6i vc o n v e r s i o nc i r c u i t 为了进一步提高电路的信噪比，采用低输出噪声的电压转换器m 5 2 3 0 l 为运放提供 电源，电路设计如图3 7 所示1 1 0 1 。 v ill a妒笋斗- 辞啦盟+ - v 厂 】 矗，ll * 2暖教， + m ：7 - 1 0 、： 、 m 5 渤 | r ： v 固。等 + z 4 7 0 扎 】z 露_ + 厂：、 t s l i l o 一 一，：、 、三 、： 飞 潮7 图3 7 电源电路原理图 f i g 3 7p o w e rs u p p l yc i r c u i ts c h e m a t i c 大连理工大学硕士学位论文 输出电压是由外电路电阻如决定的， + v o = 1 8 x ( 1 + r 2 3 3 k ) ( 3 3 ) 一= ( + v o ) r 4 r 3 ( 3 4 ) 在设计中，恐选择8 2 k q ，这样为i n 转换电路提供的电压约为6 2 v 。 3 2 信号放大电路的设计 由信号采集电路输出的1 6 路信号，将传送到信号判别电路上进行判别，来确定是 否是合格物料。判别前，需要对1 6 路采集信号进行放大，由于各个通道的灵敏度不一 定相同，因此实现对各个通道增益的单独调节是非常必要的。为了实现这功能，设计 了如图3 8 所示的电路，这是其中1 0 路信号的放大电路。 图3 ，8 放大电路原理图 f i g 3 8a m p l i f y i n gc i r c u i ts c h e m a t i c 图3 8 示出了通道l 的信号被放大的电路，采集电路输出信号进入模拟乘法器 a d 8 3 4 ，与d a 转换器a d 8 8 2 0 输出的增益信号相乘，再通过运放放大，就实现了对采 集电路输出信号的可调增益放大。 a d 8 3 4 是一款四象限模拟乘法器，实现的运算功能是 阡2 = x 2 y j ( 3 5 ) 光电分选机分选系统的设计与实现 将两路输入的电流信号相乘，再除以另一个输入的电流信号，输出信号也是以电流形式 给出的。a d 8 3 4 的内部功能如图3 9 所示，由图中可以看出，在输入端串入电阻很容易 实现电压到电流的转换。输出端外接运放，将电流信号转换成电压信号1 1 】。 图3 9a d 8 3 4 乘法器功能图 f i g 3 9a d 8 3 4m u l t i p l i e rf u n c t i o n a ld i a g r a m a d 8 8 2 0 是1 2 通道输出，3 线s p i 控制输入的8 位d a 转换器，1 2 个通道的输出 模拟量可单独调节，其中l o 个通道的输出信号，分别经过l m 3 5 8 组成的电压跟随器， 以减小能量的损失，连接到模拟乘法器的一个输入端。另外两个通道的输出将作为阈值 信弓，在检出电路中对放大后的信号进行判别。单独调节一个通道的输出电压，是伴随 着时钟信号，通过向s d l 引脚写入1 2 位的串行数据来完成的。这1 2 位数据包括前四位 地址位，高位在前，接下来是8 位数据位，也是高位在前。表3 1 表示出了串行数据的 字格式【1 2 】。 表3 1 串行数据字格式 t a b 3 1s e r i a l - d a t aw o r df o r m a t a d d rd 舛7 二4 b l lb l ob 9b 8b 7b 6b 5b 4b 3b 2b 1b 0 a 3a 2a 1a 0d 7 d 6d 5 d 4 d 3d 2d l d o m s bl s bm s bl s b 2 ”2 1 02 92 32 72 62 52 42 32 22 12 0 大连理工大学硕士学位论文 a d 8 8 2 0 内部有1 2 个d a c 寄存器，用来存储各通道转换的数字量，有效接收8 位数 据的d a c 寄存器的地址，通过公式( 3 6 ) 可以计算得出： 撵嘣c = 彳3 8 十d 2 4 十矗l 2 斗省o + l ( 3 6 ) 精确的串行数据时序如图3 1 0 所示。对a d 8 8 2 0 的操作，是由分选控制板上的f p g a 按照这个时序来实现的。 m ：) 捱黝固旋鹣鳅嫒弘 一：飞八n n 八八n 八八八八八厂 酾： i 一竺竺l 竺厂 y o u r ：_ w、一 图3 1 0a d 8 8 2 0 的时序图 f i g 3 ，1 0a d 8 8 2 0t i m i n gd i a g r a m 1 6 个通道的采集信号经过放大后，主控制器需要获得任一通道的放大信号在触摸屏 上显示，供用户观测实际放大情况，以便进一步对增益进行调节。信号板上采用两片模 拟多路输出选择器h c f 4 0 5 1 来实现十选一的功能。电路设计如图3 1 l 所示。 图3 1 1 十选一电路原理图 f i g 3 1io n eo u to f t e nc i r c u i ts c h e m a t i c 一片h c f 4 0 5 1 只有8 个开关端，因此使用两片，将低8 个通道的放大信号分别连 接u l 的x 0 到x 7 开关端，高8 个通道的放大信号分别连接u 2 的x 2 到x 7 开关端， u l 的公共端x 与u r 2 的x 0 、x 1 相连。表3 2 是设计的十选一电路的真值表。从表中可 以看出，通过操作u 2 _ i n h 、u 2b 、u i c 、u i b 、m _ a 等五条控制线，可将1 6 个通 道放大后的信号按要求从u 2 的x 端输出。对h c f 4 0 5 1 的操作，也是由分选控制板上 光电分选机分选系统的设计与实现 的f p g a 根据主控制板发送的命令来完成的。一块分选控制板控制前后两块信号板，因 此主控制器得到的信号，是前后两个通道的放大信号经过两条信号线传上去的。 表3 2 十选一电路真值表 t a b 3 2t r u t ht a b l eo f o n eo u to f t e nc i r c u i t u 2i n hu 2bu lcu lbu lao u t 3 3 信号检出电路的设计 信号检测系统经过了光信号的拾取，采集信号的放大后，接下来要完成的任务就是 在放大的信号中分辨出不合格物料的信号，向分选控制板发送检出信号。通过前面对背 景板理论的分析可知，当选择了合适的背景板后，合格物料感应出来的信号是很小的， 只有不合格物料才会在当前背景板下产生较大的或正或负的脉冲。 无论出现正脉冲还是负脉冲，只要是明显区别与一般波形，就应该产生检出信号。 根据这个要求，设计了如图3 1 2 所示的检出电路。高电平阈值通过由l m 3 5 8 组成的放大 器输入到比较器l m 3 9 3 _ a 的同相输入端，低电平阈值也通过f h l m 3 5 8 组成的放大器后输 入到l m 3 9 3 _ b 的反相输入端，待判别的放大信号分别送到l m 3 9 3a 的反相输入端和 l m 3 9 3 b 的同相输入端。l m 3 9 3 _ a 同相输入端的电压大于反相输入端电压时，输出为 高电平，此时说明放大信号没有超过高电平阈值，在这一组比较器中比较得出是合格物 料，此时，如果l m 3 9 3 一b 的同相输入端电平也大于它的反向输入端电平，则l m 3 9 3b 的输出端也为高电平，说明放大信号也没有小于低电平阈值，这样在两个阈值范围内的 信号才是合格的。当以上两组比较器中有一组输出为低电平，无论是因为待判别的放大 信号大于高电平阂值，还是小于低电平阈值，都是不合格信号，需要产生检出信号。因 此检出信号是由两组比较器的输出端相与后得到的。比较器l m 3 9 3 的内部结构如图3 1 3 m m m附|兮町腿眇m z伽眦咪伽嘶伽哪哪姗z 0 1 0 l o l o i o l x o o l l 0 o l l o o x 0 o o o l l o o x o o 0 o o o 0 o l x 0 o o o o 0 o o d d 1 大连理工大学硕士学位论文 所示1 1 3 】，从图中可以看出l m 3 9 3 的输出端采用的是集电极开路输出结构，这样可以方便 的将两组比较器的输出端直接相连后再加一上拉电阻，实现线与功锹1 4 1 。 - 1 2 v 图3 1 2 信号检出电路 f i g 3 1 2s i g n a ld i s t i n g u i s h i n gc i r c u i t 图3 1 3l m 3 9 3 原理图 f i g 3 1 3s c h e m a t i c d i a g r a mo f l m 3 9 3 光电分选机分选系统的设计与实现 4 分选控制系统的设计 4 1 整体硬件设计 分选控制系统设计的目的首先是为分选机分选系统提供一个完整有序的通信平台， 接收来自主控制器的指令，对分选系统内其它子系统进行控制，其次在分选控制系统中 还要实现对气枪喷射延迟时间的调节，以满足分选控制系统接收到检出信号到剔除机构 动作这一延时时间与物料从检测点到气枪喷嘴的运动时间相匹配。本课题设计并实现了 一种以f p g a 为核心的分选控制板，由若干个分选控制板连接组成了整机的分选控制系 统。图4 1 是分选控制板的框图，由这样 ，+ l c 鹏；1 5 ) 个分选控制板连接起来就组成了完 整的分选控制系统。 图4 1 分选控制板框图 f i g 4 is t r u c t u r ec h a r to f s o r d n gc o n t r o lb o a r d 6 0 针插座与前面及后面信号板相连，其中有3 2 针接收来自前、后信号板各1 6 个通 道的检出信号，6 针控制前、后信号板的a d 8 8 2 0 ，1 0 针控制前、后信号板的十选一电 路，2 针接收前、后信号板所选通道的放大信号，另外l o 针作为与前、后信号板的公共 大连理工大学硕士学位论文 地。在分选控制板上还有一个通信指示灯，使用的一个0 8 0 5 封装的l e d ，当主控制器 下发给分选控制器命令时，f p g a 控制通信指示灯点亮。分选控制板设计有两个电源接 口，是为了方便若干个分选控制板相连