红枣分选系统设计及试验

仲小英

苏州健雄职业技术学院（太仓 215400）

红枣味道甘甜且具有较高的营养价值。中国红枣产量占世界总产量的90%以上，随着国家对农业经济的大力支持，红枣深加工产业快速增长[1-4]。红枣分级技术是提高产品品质和价值的关键技术，红枣分级仍主要依靠人工，也有一些机械式的分级设备，但都存在分级精度不高，稳定性不高的问题[5-6]，因此设计一种分级精度高、稳定性高的红枣分选设备具有重要意义。试验设计一种基于视觉技术的红枣分选装置，介绍其结构组成和控制方式。

1 装置总体结构

该装置基于视觉技术将红枣按照大小、颜色及表面缺陷等进行分级筛选[7-9]。为使分选过程全自动化，装置应该具有自动上料、单个输送、图像识别及分级等功能。为实现上述功能，该装置主要由自动上料系统、输送整形系统、图像采集及处理系统、分级机构等组成，其总体结构如图1所示。

图1 分选机结构示意图

其工作原理是：料斗中的红枣在输送带的作用下，经过整形定位，单个有序地进入检测系统，经过图像采集和处理，进入分选机构，在分选机构的作用下分别进入到相应的通道。其工作流程图如图2所示。

图2 分选机工作流程图

2 各部件设计

2.1 自动上料系统设计

根据红枣的外形特点，将上料传送带设计成带波浪的凹槽，它由普通输送带和折弯成型的波浪形PVC带组成，PVC带和普通传送带之间采用螺钉固定；传送带安装固定在带轮上，采用伺服电机驱动，所有传送部件均固定在支架上，支架前端为可调节支架，可以根据实际情况调整上料角度，此外，为防止上料过程中物料掉落，在传送带的两侧均固定有挡板；储料斗固定在传送带下方；在传送带的中间位置设置有限高毛刷，为保证每次只有单个红枣通过，自动上料系统结构如图3所示。

图3 自动上料系统结构简图

2.2 输送装置设计

输送装置的主要需要实现功能：承接上料装置掉入的物料；调整物料姿态，将其表面特征全面的呈现在图像采集系统的下方；将物料平稳输送到分级位置。

水果等的表面全信息呈现一般是采用双锥托辊基于摩擦滚动原理实现，其原理是通过双锥托辊的运行速度与传送带之间的速度差实现物料的自转，通过图像采集系统一定频率的连续采集获取物料的表面全信息。

根据红枣的尺寸特点及后续的分级机构布置，设计双锥托辊布局如图4所示。采用双排托辊，两排托辊之间距离60 mm，单排托辊间距50 mm。

图4 双锥托辊布局图

2.3 图像采集室设计

图像采集室主要由白炽灯、摄像机、光电开关等组成。为避免单一光源照射的局限性，在采集室的4个角装有4个相同的白炽灯作为光源，可以一定程度上避免在物料周围产生阴影，影响图像质量。摄像机装在采集室中间位置的正上方，镜头垂直朝下，在摄像机下方的右侧装有1个光电开关，保证每次物料停的位置刚好在摄像机正下方，确保照片质量一样。采集室内布局图如图5所示。

图5 图像采集室布局图

2.4 分级执行机构设计

分级机构的执行方式主要有机械式、电磁式以及气动式等几种类型[10-11]。气动式不但非接触不易伤果，且响应速度快、控制简单，越来越多地被利用在分级机构中，采用气动式进行分选。物料到达相应等级的分级气嘴时，对应气嘴的电磁阀开启，气嘴内喷射出的压缩空气将物料吹落到下方的物料分级箱中，在与气嘴间隔一段距离的正前方设有挡板，可将偏移路线的物料挡入到物料分级箱中。安装时需要调节气嘴的高度不高于物料的中心，以保证每次吹起都准确有效。其结构简图如图6所示。

图6 分级机构结构简图

3 控制系统设计

控制系统核心采用ARM开发板[12]，选用三星公司的S5PV210芯片，为Cortex-A8架构，主频1 GHz，视觉核心采用DSP开发板[13]，选用TI公司的TMS320DM642芯片，主频选600 MHz。总体硬件设计方案如图7所示[14-15]。

图7 控制系统方案图

设备启动后，启动摄像机，摄像机开始不断的拍摄图像并传送给DM642芯片。物料经过时，光电开关触发，发送低电平信号到DSP，DSP接收到信号后提取当前摄像机拍摄的YCbCr格式的图像，然后软件对图像进行处理，继而将处理结果通过UART发送给ARM。ARM根据处理结果控制相应分级气嘴继电器的开启，电磁继电器通过电磁开关进一步控制气源的开启。

软件系统设计方案如图8所示。主要分为上料模块、检测模块及分级执行模块。设计有操作界面，设有上料速度控制区、图像显示区、结果显示与统计区等。

图8 软件系统方案图

4 试验结果

制作样机并调试后，购买不同等级的红枣混合后进行试验，分别统计分选后正确个数与错误个数，并以不同运行速度进行试验，采集到的1组图像如图9所示。将数据整理分析后得到，分选速度在每颗0.5 s时，分选精度达到97%，随着速度提高，分选精度会降低，主要是因为速度提高后，上料系统的稳定性及图像的采集质量均会下降。

图9 采集到的红枣图像

5 结论

基于视觉检测设计一款红枣分选机，它主要由自动上料部件、传送及整形部件、图像处理及分选机构等部分组成，上料系统采用普通输送带和折弯成型的波浪形PVC带组合的方式完成自动上料，输送装置采用双锥托辊，分级机构采用气动方式。采用DPS和ARM相结合的视觉处理对红枣进行分选控制，通过制作样机试验得到，该分选机的分选速度达到每颗0.5 s，分选正确率达到97%，试验表明该分选机可以达到红枣分选的要求，具有较高实用价值，为分选机的设计提供理论和实践基础。