棉花异性纤维智能检测系统

张栋，李英舒，刘宁欣，季霆，华亮

（南通大学电气工程学院，江苏南通226000）

异性纤维包括非棉纤维和非本色棉纤维，通常混在棉花原料中，对棉花制品的质量产生严重影响[1]。如何智能、快速并且高效地检测出棉花中的异性纤维已成为当前棉产品加工业的重要课题[2]。

常用的棉花异纤检测方法有超声波检测、光电式检测和光学CCD成像检测[3]。光电式检测成本较低，但是检测精度差、寿命短，且无法检测出与待检棉花颜色相同的异纤[4]。CCD成像法检测精度高：研究表明，使用光学CCD成像检测，头发的识别率为60%～70%，其他较粗的纤维如棕丝等可达90%以上[5]，但其成本相对较高，并且棉花厚度对检测精度影响较大[6]。超声波检测法与CCD成像法相比，由于超声波穿透力更强，在检测较厚棉花时，检出率相对更高；同时超声波检测法还具有结构简单，成本低廉等优点。与光电检测相比，超声波检测法可以检测出与棉花颜色相同或者相近的异性纤维。

目前，国外常见的异纤检测清除机厂家主要有：采用超声波和光电共同识别棉花异纤的toptex公司和利用CCD彩色摄像机扫描棉流的瑞士jossi公司[7]。国内常见的异纤检测清除机有：洛阳方智测控有限公司自主研发的异纤清除机、大连贵友科技公司的CS-3异物检测装置以及郑州机械有限公司的棉花异纤清除机等[8]。目前市面上还没有完全成熟的基于超声波的异纤检测装置。

本文通过研究棉花与异性纤维的超声波回波特性，设计了基于超声波的棉花异纤检测装置。相较于传统的棉花异纤检测装置和超声波检测方法，本文所采用的检测方法较传统的超声波回波检测法，融合电平信号检测，使其精度更高。设计的检测装置结构简单、成本低、自动化程度高。

1 系统检测原理

本系统通过分析超声波在遇到不同异性纤维和没有异性纤维时的回波信号和电平信号，来判断棉花中是否含有异性纤维。超声波测距模块在测距时，会返回给单片机一个一定脉宽的高电平电压信号[9]，该高电平信号持续的时间结合声速通过计算转换即为模块与障碍物之间的距离。超声波可以穿透棉花，当棉花中含有异性纤维时，模块返回的高电平脉宽小于棉花中不含异性纤维的高电平脉宽[10]，即模块距异性纤维的距离小于距传送带的距离。异性纤维相比传送带距模块探头的距离小，因此当棉花中有异纤时，超声波探头直接收到反射的回波信号反而强。采用并排超声波模块阵列的方法来检测，一定程度上解决异性纤维在棉花中的各种姿态的影响[11]。

本系统通过单片机内定时器，测量发出超声波到接收到超声波的时间。该时间的二分之一即超声波到异纤的距离，除于经温度补偿后的声速即可得到距离。系统融合温度补偿后的超声波测距公式如（1）所示：

式（1）中time代表计数器计数值；over_count表示溢出标志位数值；c为经温度补偿后的声速。补偿公式如（2）[12]所示：

式（2）中T代表当前温度。

2 硬件设计

图1 超声波检测系统

2.1 超声波发射电路

图2 为超声波发射电路原理图。本系统选HCSR04型超声波模块，将5个超声波模块并排置于传送带上方，探头朝下，距离传送带大约120 mm。5个超声波模块循环发射检测，通过STM32芯片的IO口循环依次给各模块TRIG引脚一个至少10 μs的高电平信号来触发测距。该高电平信号传至STC11单片机，STC11根据收到的TRIG发送信号，发送特定频率信号给MAX232芯片。MAX232内部有双路电荷泵电压转换器起到提高电压的作用[13]，从而产生并发射频率为40 kHz的超声波信号[14]，并在每次触发产生8个超声波脉冲。

2.2 超声波接收电路

本系统的超声波接收电路设计框图如图3所示。超声波探头直接接收到的信号为交流电压信号[15]，并且信号微弱含有噪声。本系统接收电路主要通过TL04运算放大器，进行信号的前置放大、带通滤波、中间级放大和比较整形。

超声波接收电路原理图如图4。超声波模块接收到的微弱信号经前置放大电路放大后传给带通滤波电路，将中心频率非40 kHz的噪声信号滤除[16]；中间级放大电路将滤波后的波形进行放大后经比较整形电路进行比较整形，最终形成5 V高电平0 V低电平的电压信号传入单片机。

3 软件设计

主程序流程图如图5所示，首先对系统进行模块初始化配置并通过按键启动程序，然后在LCD显示屏上显示超声波阵列各个探头的距离参数[17]，并通过与预设值对比，判断棉花中异纤是否存在，若存在则蜂鸣器警报，从而检测出棉花中各个位置的异纤。

超声波模块的软件流程图如图6所示，首先外围模块初始化，然后通过DS18B20温度传感器[18]获取当前的环境温度，做好对超声波信号温度补偿计算的准备，即通过声速补偿公式（2）计算出当前温度下的声速。

图2 超声波发射电路原理图

图3 超声波接收电路设计框图

图4 超声波接收电路原理图

通过I/O口输出持续10 μs的触发脉冲触发超声波模块测距，并打开定时器计算回波高电平持续的时间从而计算距离参数。计算距离时，使用融合温度补偿后的超声波测距公式（1）。

图5 主程序流程图

图6 超声波模块软件流程图

4 系统测试

系统整体实物图如图7所示。

图7 系统整体实物图

4.1 超声波测距模块发射电路测试

超声波测距模块发射电路触发后需给TRIG引脚一个至少10 μs的高电平信号。触发模块测距后会发送8个40 kHz的方波，测试图如图8所示。示波器中显示8个幅值为5 V，频率为40 kHz的方波。发射电路测试正常。

为进一步提高抑菌活性，降低使用量，扩大抑菌谱等，ε-PL通常与其他防腐剂复配使用，协同抑菌。程涛等[20]研究表明聚赖氨酸在食醋中的最佳用量为60 mg/kg，并且聚赖氨酸与EDTA、山梨酸钾作为复合防腐剂时，抑菌率达96%以上，能有效延长食醋保质期。

4.2 超声波测距模块接收电路测试

图8 8个超声波信号

超声波测距模块接收电路包括前置放大、带通滤波、中间级放大和比较整流电路，最终将整形后的信号送入单片机进行计算处理。接收电路测试选模块距离传送带108 mm处，采集各电路波形。

图9 各电路波形

由接收电路测试图9（a），可知接收到波形为交流信号。图9（b）信号经放大电路幅值得到放大。图9（c）为滤波后的波形，可以看出噪音明显降低。图9（d）为中间放大电路，信号得到放大。图9（e）为整形后的波形，从图中看出波形高电平5 V低电平0 V，为标准TTL电平。

图9（f）的TTL信号通过超声波测距模块的ECHO引脚输出给主控芯片，测量高电平的持续时间以此来计算测试距离。

高电平信号持续时间600 μs，室温20℃，带入式（2）求得距离103.9 mm近似等于超声波模块与挡板距离。电路测试正常。

4.3 系统整体测试

系统整体测试选定超声波测距模块阵列距离传送带120 mm，测试棉花厚度不均匀，厚度最大80 mm，最小70 mm。异性纤维选用30 mm*30 mm纸片、10 mm*10 mm纸片、10 mm*10 mm塑料片、10 mm*10 mm石块和小于10 mm*10 mm的异纤。异性纤维嵌入在棉花厚度10～80 mm范围内。

图10 各种物体的回波信号

由图10可知，大于10 mm*10 mm的异纤回波信号较强，小于10 mm*10 mm的异纤回波信号极其微弱。因此系统的检测精度为10 mm*10 mm。

5 结束语

通过分析超声波模块在没有异性纤维和有异性纤维情况下的回波和电平信号，判断是否含有异纤是本系统研究的关键所在。通过整体测试后，本团队发现基于HC-SR04超声波模块的棉花异纤检测装置可以有效的检测出棉花中含有的最小横截面积大于10 mm*10 mm的各种异性纤维，相较于其他基于超声波的棉花异纤检测装置具有检测精度高、成本低、结构简单等优点，但细小的异纤（如毛发或和其相似大小的异纤）仍无法识别。可通过各种方法的融合、改进器件的性能以及软件中加入有效的信息处理算法对微弱异纤的信号进行提取，从而识别细小异纤。

由于异纤的形态各不相同，其在棉花中的姿态差异，也影响系统的检测。设计出超声波阵列检测装置可有效的改善此问题。把多个超声波模块放于棉花经过的各个方向组成阵列可有效的检测出各个姿态的异性纤维。各个超声波模块之间如何协调运作以及更加有效的超声波阵列是以后研究的重点。