【《产品封装视觉检测系统架构设计分析案例概述》3900字】

产品封装视觉检测系统架构设计分析案例概述目录TOC\o"1-3"\h\u2618产品封装视觉检测系统架构设计分析案例概述 174571.1系统架构 147141.2软件开发环境 1230451.2.1Python开发环境 2144611.2.2Arduino平台 6148861.3硬件系统 151.1系统架构从设计的整体架构角度来看，这次系统构架主要是包含了两个重要的部分：一个是硬件部分，另一个部分是软件部分。硬件部分的组成是由：（1）计算机电脑（2）USB网路摄像头（3）ArduinoUNO单片机（4）电源（5）MeArm。其中电脑为上位端控制计算机，ArduinoUNO是由和上位端计算机通联的单片机。软件部分同样分为上下位端两部分，上位端电脑的软件环境是围绕Windows操作系统的Python程序开发环境。下位端的Arduono单片机的软件编程，则是基于AduinoID开发环境所组成。1.2软件开发环境Python程序通过对ArduinoUNO开发板进行命令行编程并对编程环境进行控制。Python适用于Windows,Mac,Linux操作系统，本文介绍的是运行Python开发环境的Windows操作系统，去编写Python计算程序。Python计算程序使用pySerial序列埠传输模块，通过USB接收信号并通过Arduino接收和序列传送的信号。在PySerial程序存储数据之后，根据计算结果输出决策讯号，再通过pySerial序列埠将模块发送到USB上，控制Arduino上的电机元件。因此，我们将在arduino中安装Python的开发环境。1.2.1Python开发环境安装Python的方法大致可分为两种：一种是直接安装Python软件，另一种是根据Anaconda提供的教程完成安装。Anaconda可以被理解为一个Python的升级优化版本，它的经济成本更低，现在已经被市场广泛使用。除了大量用户和企业使用之外，DataSciencePackages现在有超过1000种可供用户选择，其中包括两百多种流行的packages。在Windows、Linux和MacOS的不同作业系统环境中，可以方便地使用conda软件包，也是适用于虚拟环境管理器，这就使得对于复杂的机器学习环境和数据科学的安装、执行和升级变得容易快捷。因此，本文使用Anaconda作为Python编程代码的开发环境。在图1.1中，下面介绍AnacondaNavigator基于Anaconda生成的图形用户界面(GUI)，它可以完成对软件包的管理，直接实现虚拟环境的构建，以及对路径的有效管理。AnacondaNavigator可以与相关数据库结合起来，完成软件包的安装和升级，还可以在图形界面中打开JupyterNotebook、VisualStudioCode代码等等。VisualStudioCode代码编辑器随后会打开AnacondaNavigator图形界面(如图1.2)，最后作为本文选择的Python程序码编辑器。图1.1AnacondaNavigator图形界面图1.2visualstudiocode程序编辑器完成Anaconda环境创建之后，点击进入AnacondaPrompt，然后在正确的位置输入"python"，显示的代码说明Python的特定版本信息，编辑"exit()"字符自动退出编辑模式，如图1.3所示。图1.3使用AnacondaPrompt打开python解释器Terminal终端也可以在VisualStudioCode中输入'python'进入Python编辑模式(如图1.4)。图1.4VisualStudioCode中Python终端机界面的python解释器模式若完成了Python编程环境设置，那么接下来就是为Python安装能够通过COMport连接Arduino程序的pySerial序列埠通讯模块。当要为Anaconda安装的Python软件包和模块提供帮助时，要先使用Python1.4之后，再使用pip软件包管理器。根据软件包管理程序的应用选择设计适当的安装和卸载方式，可以打开AnacondaPrompt或VisualStudioCode的Terminal终端输入‘pipinstall包/模块名’，安装包/模块名，卸载包/模块名是‘pipUninstall包/模块名’。如若是Conda套件管理器，那么是要打开AnacondaPrompt或VisualStudioCode的Terminal终端输入“condainstall套件/模块名”，完成套件/模块名的安装，最后实现“condauninstall套件/模块名”的快速卸载。pySerial安装AnacondaPrompt(图1.5)图1.5在AnacondaPrompt中使用conda安装pySerial要将opencv-python安装在VisualStudioCode的Terminal终端上(如图1.6)图1.6让opencv-python安装在VisualStudioCode的Terminal终端上安装Python组件/模块之后，接着在AnacondaPrompt或VisualStudioCode的Terminal终端输入指令'condalist'，然后会显示出安装的组件和模块(图1.7)图1.7在AnacondaPrompt中使用‘condalist’指令显示出已安装的套件与模组pySerial安装和opencv-python我们可以通过condalist的清单中找到，到这我们安装完成了python的开发环境。1.2.2Arduino平台当完成了Python开发环境后，下面就需要在Windows系统环境中创建ArduinoIDE环境，我们通常会选择从Arduino官方网站上选取可以完成ArduinoIDE相关Windows版本，从而去下载和安装，然后点击运行，ArduinoIDE开发环境如图1.8。图1.8ArduinoIDE开发环境Arduino是一个由硬件和软件组成的开源平台，可用于快速开发交互式电子项目。Arduino的出现引起了许多不同行业的专业人士的关注，为创客运动的开始做出了贡献。随着创客运动和物联网概念的日益普及，Arduino已成为电子原型设计和MVP开发的主要平台之一。Arduino使用的编程语言，类似于C++。但是，可以将Arduino与Python或其他高级编程语言结合使用。实际上，像Arduino这样的平台可以很好地与Python配合使用，特别是对于需要与传感器和其他物理设备集成的应用程序。结合Python的基础知识，就可使用Python控制Arduino，从而开始使用Arduino。Arduino平台包括硬件与软件。Arduino硬件要运行示例，您需要通过连接电子组件来组装电路。通常可以在电子元件商店或Arduino入门套件中找到这些物品。以下为Arduino平台的硬件调试所用的零件：ArduinoUno或兼容板（图1.9）LED灯一个按钮10K欧姆电阻470欧姆电阻面包板多种颜色与尺寸的跳线一组图1.9是ArduinoUno板。Arduino是一个项目，其中包含许多用于不同目的的版本和模块，而ArduinoUno是其中最基本的。它也是整个Arduino系列中使用最频繁，文档最多的主板，因此本文选择ArduinoUno板作为Arduino平台的控制版。图1.9UNO板子组件5与6是电阻器。大多数电阻根据颜色代码由彩色条纹标识。通常，前三种颜色代表电阻的值，而第四种颜色代表其容差。对于470欧姆的电阻，前三种颜色是黄色，紫色和棕色。对于10K欧姆的电阻器，前三种颜色是棕色，黑色和橙色。组件7是面包板，可用于连接所有其他组件并组装电路。如同前述，Arduino平台包含硬件与软件部分，在准备好Arduino调试平台的硬件各部分零件后后，调试平台的另一部分是软件的部分。Arduino软件以ArduinoIDE为主，是一个用于对Arduino设备进行编程的集成开发环境。使用Windows安装程序来确保下载了在Windows上使用Arduino所需的驱动程序。查看Arduino文档以获取更多详细信息。经安装了ArduinoIDE并组装了所有的硬件，就可以开始调试并编程到Arduino平台。首先，使用USB电缆将Arduino开发板连接到您的PC，然后启动ArduinoIDE。要打开Blink示例草图，请访问“文件”菜单并选择“示例”，然后选择“01.Basics”，最后选择“Blink”内建范例代码（如图1.10所示）图1.10ArduinoIDE选择内建范例代码接着在ArduinoIDE上选择端口，端口的名称可能会有所不同，具体取决于您的操作系统。在Windows中，端口将被命名为COM4，COM5或类似名称(如图1.11所示)。图1.11在ArduinoIDE选择端口在Windows控制台/装置里确认USB的端口名称（如图1.12所示）。图1.12Windows装置里的端口当按下Upload时，ArduinoIDE会编译代码并将其上传到Aduino板上。如果要检查错误，则可以按“Verify”，这只会编译代码（如图1.13所示）。图1.13ArduinoIDE的代码编译与上传钮USB电缆提供串行连接，以上传程序并为Arduino板供电。在上传过程中，您会看到板上的LED闪烁。几秒钟后，上传的程序将运行，您将看到LED指示灯每秒闪烁一次。上传完成后，USB电缆将继续为Arduino板供电。该程序存储在Arduino微控制器的闪存中。您也可以使用电池或其他外部电源在没有USB电缆的情况下运行应用程序。Arduino具有几种不同类型的引脚，它们并非完全是物理引脚。而是，这些插针是插座中的孔，可以将跳线连接到这些孔，图1.14标示ArduinoUNO板上的引脚。图1.14ArduinoUNO板上的引脚图在图1.14中的橙色方框中：这13引脚可以用作输入或输出。它们仅适用于具有两种不同电平的数字信号：0为电压0V，1为5V电压。绿色方框中的6个引脚是模拟引脚，可以用作模拟输入，它们可以在0V到5V之间的任意电压下工作。蓝色方框中的5个引脚是电源引脚，它们主要用于为外部组件供电。开始使用外部电路原件调试，先连接一个外部LED来运行内建的闪烁范例示。内置LED连接到数字为13的引脚。因此，我们将一个外部LED连接到该引脚（如图1.15所示），然后检查它是否闪烁。图1.15ArduinoUNO板上的引脚图完成上位端电脑的开发环境，与Arduino平台的调试后，即可藉由Python的串行端口通讯套件pySerial让上位端电脑的Python与Arduino平台透过USB通联。pySerial提供初始化串行端口、传送和接收序列数据的指令，像read(),readline()和write()基本指令名称和语法，跟MicroPython的UART模组一样。先从Arduino传送序列资料给Python接收，让ArduinoUNO每隔一秒传送“hello!”的信息给上位端电脑的Python程序。Arduino端的程序如下：unsignedlongpreviousMillis=0;constlonginterval=1000;//设定间隔时间1000mscharchr;voidsetup(){Serial.begin(9600);}voidloop(){unsignedlongcurrentMillis=millis();if(currentMillis-previousMillis>=interval){previousMillis=currentMillis;Serial.println("hello!");}}pySerial模组接收串口资料的Python程式码如下，它将不停地接收与显示收到的序列资料，直到你按下Ctrl和C键为止（如图1.16所示）。importserial#引用pySerial模组COM_PORT='COM3'#指定通讯串口名称BAUD_RATES=9600#设定传输速率ser=serial.Serial(COM_PORT,BAUD_RATES)#初始化串行端口try:whileTrue:whileser.in_waiting:#若收到串口资料…data_raw=ser.readline()#读取一行data=data_raw.decode()#用预设的UTF-8解码print('接收到的原始资料：',data_raw)print('接收到的资料：',data)exceptKeyboardInterrupt:ser.close()#清除串行接口物件print('再见！')图1.16Python与Arduino建立信息通联

1.3硬件系统硬件设备的核心元件为ArduinoUNO开发板与SG90伺服马达，硬件内容如表1.1。SG90伺服电机连接ArduinoUNO，从而将其接入Python平台，Python程序输出PWM讯号透过USB传输线控制SG90伺服马达，控制关系如下：电脑上位机Python⟷（pySerial）⟷Arduino⟷（PWM讯号）⟷伺服马达表1.1硬件列表元件数量ArduinoUno开发板1块SG90伺服马达2颗16.5*5.5cm包板1块杜邦线1组USB线MeArm组件1条1组1.1.1伺服马达控制Python程序控制ArduinoUNO开发板上的SG90伺服电机的接线和测试，如下所示。将SG90伺服电机安装在ArduinoUNO开发板上调试，然后完成USB传输线和PC之间的连接。SG90伺服电机有三根电线，黑色，红色和黄色。红色线连接到Arduino5V，黑色线连接到ArduinoGND，D黄色线连接到Arduino板上的9号引脚，接线图如图1.17所示。图1.17Aduino板与sg90伺服马达调试电路接线图完成AduinoUNO板与伺服电机调试线路的连接，接着将将伺服电机调试程序上传至Arduino板上，程序代码如下：#include<Servo.h>//伺服库Servosg90;//伺服变量sg90intservo_pin=9;voidsetup(){sg90.attach(servo_pin);//将命令传递给arduino以控制伺服的引脚Serial.begin(9600);//开始串行通讯}voidloop(){if(Serial.available()){//是否有可用数据intinByte=Serial.read();//获取输入数据sg90.write(inByte);}}上位控制电脑中的Python调试代码如下。代码中‘COM3’，为ArduinoUNO透过USB连接至上位控制电脑的串口编号名称。Python调试代码执行后，能透过Python程序的角度输入