張棟，李英舒，劉寧欣，季霆，華亮

（南通大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇南通226000）

異性纖維包括非棉纖維和非本色棉纖維，通常混在棉花原料中，對(duì)棉花制品的質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響[1]。如何智能、快速并且高效地檢測(cè)出棉花中的異性纖維已成為當(dāng)前棉產(chǎn)品加工業(yè)的重要課題[2]。

常用的棉花異纖檢測(cè)方法有超聲波檢測(cè)、光電式檢測(cè)和光學(xué)CCD成像檢測(cè)[3]。光電式檢測(cè)成本較低，但是檢測(cè)精度差、壽命短，且無(wú)法檢測(cè)出與待檢棉花顏色相同的異纖[4]。CCD成像法檢測(cè)精度高：研究表明，使用光學(xué)CCD成像檢測(cè)，頭發(fā)的識(shí)別率為60%～70%，其他較粗的纖維如棕絲等可達(dá)90%以上[5]，但其成本相對(duì)較高，并且棉花厚度對(duì)檢測(cè)精度影響較大[6]。超聲波檢測(cè)法與CCD成像法相比，由于超聲波穿透力更強(qiáng)，在檢測(cè)較厚棉花時(shí)，檢出率相對(duì)更高；同時(shí)超聲波檢測(cè)法還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。與光電檢測(cè)相比，超聲波檢測(cè)法可以檢測(cè)出與棉花顏色相同或者相近的異性纖維。

目前，國(guó)外常見(jiàn)的異纖檢測(cè)清除機(jī)廠家主要有：采用超聲波和光電共同識(shí)別棉花異纖的toptex公司和利用CCD彩色攝像機(jī)掃描棉流的瑞士jossi公司[7]。國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的異纖檢測(cè)清除機(jī)有：洛陽(yáng)方智測(cè)控有限公司自主研發(fā)的異纖清除機(jī)、大連貴友科技公司的CS-3異物檢測(cè)裝置以及鄭州機(jī)械有限公司的棉花異纖清除機(jī)等[8]。目前市面上還沒(méi)有完全成熟的基于超聲波的異纖檢測(cè)裝置。

本文通過(guò)研究棉花與異性纖維的超聲波回波特性，設(shè)計(jì)了基于超聲波的棉花異纖檢測(cè)裝置。相較于傳統(tǒng)的棉花異纖檢測(cè)裝置和超聲波檢測(cè)方法，本文所采用的檢測(cè)方法較傳統(tǒng)的超聲波回波檢測(cè)法，融合電平信號(hào)檢測(cè)，使其精度更高。設(shè)計(jì)的檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、自動(dòng)化程度高。

1 系統(tǒng)檢測(cè)原理

本系統(tǒng)通過(guò)分析超聲波在遇到不同異性纖維和沒(méi)有異性纖維時(shí)的回波信號(hào)和電平信號(hào)，來(lái)判斷棉花中是否含有異性纖維。超聲波測(cè)距模塊在測(cè)距時(shí)，會(huì)返回給單片機(jī)一個(gè)一定脈寬的高電平電壓信號(hào)[9]，該高電平信號(hào)持續(xù)的時(shí)間結(jié)合聲速通過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)換即為模塊與障礙物之間的距離。超聲波可以穿透棉花，當(dāng)棉花中含有異性纖維時(shí)，模塊返回的高電平脈寬小于棉花中不含異性纖維的高電平脈寬[10]，即模塊距異性纖維的距離小于距傳送帶的距離。異性纖維相比傳送帶距模塊探頭的距離小，因此當(dāng)棉花中有異纖時(shí)，超聲波探頭直接收到反射的回波信號(hào)反而強(qiáng)。采用并排超聲波模塊陣列的方法來(lái)檢測(cè)，一定程度上解決異性纖維在棉花中的各種姿態(tài)的影響[11]。

本系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)內(nèi)定時(shí)器，測(cè)量發(fā)出超聲波到接收到超聲波的時(shí)間。該時(shí)間的二分之一即超聲波到異纖的距離，除于經(jīng)溫度補(bǔ)償后的聲速即可得到距離。系統(tǒng)融合溫度補(bǔ)償后的超聲波測(cè)距公式如（1）所示：

式（1）中time代表計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值；over_count表示溢出標(biāo)志位數(shù)值；c為經(jīng)溫度補(bǔ)償后的聲速。補(bǔ)償公式如（2）[12]所示：

式（2）中T代表當(dāng)前溫度。

2 硬件設(shè)計(jì)

圖1 超聲波檢測(cè)系統(tǒng)

2.1 超聲波發(fā)射電路

圖2 為超聲波發(fā)射電路原理圖。本系統(tǒng)選HCSR04型超聲波模塊，將5個(gè)超聲波模塊并排置于傳送帶上方，探頭朝下，距離傳送帶大約120 mm。5個(gè)超聲波模塊循環(huán)發(fā)射檢測(cè)，通過(guò)STM32芯片的IO口循環(huán)依次給各模塊TRIG引腳一個(gè)至少10 μs的高電平信號(hào)來(lái)觸發(fā)測(cè)距。該高電平信號(hào)傳至STC11單片機(jī)，STC11根據(jù)收到的TRIG發(fā)送信號(hào)，發(fā)送特定頻率信號(hào)給MAX232芯片。MAX232內(nèi)部有雙路電荷泵電壓轉(zhuǎn)換器起到提高電壓的作用[13]，從而產(chǎn)生并發(fā)射頻率為40 kHz的超聲波信號(hào)[14]，并在每次觸發(fā)產(chǎn)生8個(gè)超聲波脈沖。

2.2 超聲波接收電路

本系統(tǒng)的超聲波接收電路設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。超聲波探頭直接接收到的信號(hào)為交流電壓信號(hào)[15]，并且信號(hào)微弱含有噪聲。本系統(tǒng)接收電路主要通過(guò)TL04運(yùn)算放大器，進(jìn)行信號(hào)的前置放大、帶通濾波、中間級(jí)放大和比較整形。

超聲波接收電路原理圖如圖4。超聲波模塊接收到的微弱信號(hào)經(jīng)前置放大電路放大后傳給帶通濾波電路，將中心頻率非40 kHz的噪聲信號(hào)濾除[16]；中間級(jí)放大電路將濾波后的波形進(jìn)行放大后經(jīng)比較整形電路進(jìn)行比較整形，最終形成5 V高電平0 V低電平的電壓信號(hào)傳入單片機(jī)。

3 軟件設(shè)計(jì)

主程序流程圖如圖5所示，首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模塊初始化配置并通過(guò)按鍵啟動(dòng)程序，然后在LCD顯示屏上顯示超聲波陣列各個(gè)探頭的距離參數(shù)[17]，并通過(guò)與預(yù)設(shè)值對(duì)比，判斷棉花中異纖是否存在，若存在則蜂鳴器警報(bào)，從而檢測(cè)出棉花中各個(gè)位置的異纖。

超聲波模塊的軟件流程圖如圖6所示，首先外圍模塊初始化，然后通過(guò)DS18B20溫度傳感器[18]獲取當(dāng)前的環(huán)境溫度，做好對(duì)超聲波信號(hào)溫度補(bǔ)償計(jì)算的準(zhǔn)備，即通過(guò)聲速補(bǔ)償公式（2）計(jì)算出當(dāng)前溫度下的聲速。

圖2 超聲波發(fā)射電路原理圖

圖3 超聲波接收電路設(shè)計(jì)框圖

圖4 超聲波接收電路原理圖

通過(guò)I/O口輸出持續(xù)10 μs的觸發(fā)脈沖觸發(fā)超聲波模塊測(cè)距，并打開(kāi)定時(shí)器計(jì)算回波高電平持續(xù)的時(shí)間從而計(jì)算距離參數(shù)。計(jì)算距離時(shí)，使用融合溫度補(bǔ)償后的超聲波測(cè)距公式（1）。

圖5 主程序流程圖

圖6 超聲波模塊軟件流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)整體實(shí)物圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)整體實(shí)物圖

4.1 超聲波測(cè)距模塊發(fā)射電路測(cè)試

超聲波測(cè)距模塊發(fā)射電路觸發(fā)后需給TRIG引腳一個(gè)至少10 μs的高電平信號(hào)。觸發(fā)模塊測(cè)距后會(huì)發(fā)送8個(gè)40 kHz的方波，測(cè)試圖如圖8所示。示波器中顯示8個(gè)幅值為5 V，頻率為40 kHz的方波。發(fā)射電路測(cè)試正常。

為進(jìn)一步提高抑菌活性，降低使用量，擴(kuò)大抑菌譜等，ε-PL通常與其他防腐劑復(fù)配使用，協(xié)同抑菌。程濤等[20]研究表明聚賴氨酸在食醋中的最佳用量為60 mg/kg，并且聚賴氨酸與EDTA、山梨酸鉀作為復(fù)合防腐劑時(shí)，抑菌率達(dá)96%以上，能有效延長(zhǎng)食醋保質(zhì)期。

4.2 超聲波測(cè)距模塊接收電路測(cè)試

圖8 8個(gè)超聲波信號(hào)

超聲波測(cè)距模塊接收電路包括前置放大、帶通濾波、中間級(jí)放大和比較整流電路，最終將整形后的信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算處理。接收電路測(cè)試選模塊距離傳送帶108 mm處，采集各電路波形。

圖9 各電路波形

由接收電路測(cè)試圖9（a），可知接收到波形為交流信號(hào)。圖9（b）信號(hào)經(jīng)放大電路幅值得到放大。圖9（c）為濾波后的波形，可以看出噪音明顯降低。圖9（d）為中間放大電路，信號(hào)得到放大。圖9（e）為整形后的波形，從圖中看出波形高電平5 V低電平0 V，為標(biāo)準(zhǔn)TTL電平。

圖9（f）的TTL信號(hào)通過(guò)超聲波測(cè)距模塊的ECHO引腳輸出給主控芯片，測(cè)量高電平的持續(xù)時(shí)間以此來(lái)計(jì)算測(cè)試距離。

高電平信號(hào)持續(xù)時(shí)間600 μs，室溫20℃，帶入式（2）求得距離103.9 mm近似等于超聲波模塊與擋板距離。電路測(cè)試正常。

4.3 系統(tǒng)整體測(cè)試

系統(tǒng)整體測(cè)試選定超聲波測(cè)距模塊陣列距離傳送帶120 mm，測(cè)試棉花厚度不均勻，厚度最大80 mm，最小70 mm。異性纖維選用30 mm*30 mm紙片、10 mm*10 mm紙片、10 mm*10 mm塑料片、10 mm*10 mm石塊和小于10 mm*10 mm的異纖。異性纖維嵌入在棉花厚度10～80 mm范圍內(nèi)。

圖10 各種物體的回波信號(hào)

由圖10可知，大于10 mm*10 mm的異纖回波信號(hào)較強(qiáng)，小于10 mm*10 mm的異纖回波信號(hào)極其微弱。因此系統(tǒng)的檢測(cè)精度為10 mm*10 mm。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析超聲波模塊在沒(méi)有異性纖維和有異性纖維情況下的回波和電平信號(hào)，判斷是否含有異纖是本系統(tǒng)研究的關(guān)鍵所在。通過(guò)整體測(cè)試后，本團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)基于HC-SR04超聲波模塊的棉花異纖檢測(cè)裝置可以有效的檢測(cè)出棉花中含有的最小橫截面積大于10 mm*10 mm的各種異性纖維，相較于其他基于超聲波的棉花異纖檢測(cè)裝置具有檢測(cè)精度高、成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但細(xì)小的異纖（如毛發(fā)或和其相似大小的異纖）仍無(wú)法識(shí)別?？赏ㄟ^(guò)各種方法的融合、改進(jìn)器件的性能以及軟件中加入有效的信息處理算法對(duì)微弱異纖的信號(hào)進(jìn)行提取，從而識(shí)別細(xì)小異纖。

由于異纖的形態(tài)各不相同，其在棉花中的姿態(tài)差異，也影響系統(tǒng)的檢測(cè)。設(shè)計(jì)出超聲波陣列檢測(cè)裝置可有效的改善此問(wèn)題。把多個(gè)超聲波模塊放于棉花經(jīng)過(guò)的各個(gè)方向組成陣列可有效的檢測(cè)出各個(gè)姿態(tài)的異性纖維。各個(gè)超聲波模塊之間如何協(xié)調(diào)運(yùn)作以及更加有效的超聲波陣列是以后研究的重點(diǎn)。