LED彩灯串基本发光性能自动检测器

西华师范大学 杨晓可

LED彩灯串在封装成品投入市场前需要对其基本发光性能进行检测，该工序的主要目的是剔除LED彩灯串中不发光和发光颜色不符合定制要求的LED灯，以提高产品的质量。目前，绝大部分生产商采用的检测方式为：在LED彩灯串通电的情况下以人眼对其基本发光性能的好坏进行判别。该方式不仅有一定的安全隐患，而且存在检测速度慢、效果不理想、成本高等问题。本产品通过openMV色彩识别模块对LED彩灯串发光情况进行逐一检测，协同其他系统模块共同实现了对LED彩灯串的自动化检测，有效的解决了传统检测方式中存在的问题，极大程度上提高了LED彩灯串检测的效率。

1 产品的特点及优势

（1）本产品通过openMV实现对LED彩灯串的检测，相对于传统检测方式检测效果更好，检测速率可调。

（2）只需5V直流电源即可驱动整个系统，安全可靠，且能长时间持续工作。

（3）以STM32F407为主控芯片，各模块具有良好的协调性，且成本较低。

2 系统结构设计及原理

LED彩灯串基本发光性能自动检测器包含openMV色彩识别模块、主控模块、电源模块、动力模块、制动模块5个基本模块，另外还有两个暗箱，用以防止检测时外界光的干扰。两暗箱分别记为暗箱A与暗箱B，暗箱A中内置有openMV模块，暗箱B内置有制动模块。工作时，两电机在STM32F407核心板的控制下牵引LED彩灯串上的LED灯逐一通过暗箱A，最终实现检测LED彩灯串的目的。当检测出异常LED灯时，制动模块自动断开动力模块的电源，停止检测，进而定位出异常LED灯在整个彩灯串中的具体位置。系统整体结构图如图1所示。

图1 系统结构框图

3 单元电路实现与原理

3.1 openMV模块

openMV是一个非常易用，开源且低价的机器视觉开发组件。本产品采用的openMV4以OV7725为感光元件，STM32F4H7处理器为内核，内置Micro Python解释器，且拥有IO，SPI，IIC，DAC/ADC，UART等众多外设资源，能够高效的实现对LED彩灯串基本发光性能的检测。

使用杜邦线在openMV的引脚上外接一个LED灯，用以在openMV检测出异常LED灯时发出警报。以检测红、蓝、黄三色LED彩灯串为例，当LED彩灯串中有不着或是发光颜色不符的LED灯出现时，openMV将无法识别，外接的LED灯将被点亮。openMV拥有完整的底层图像处理算法，可在Python环境下直接调用其机器视觉模块。首先需要对感光元件OV7725、时钟、LED灯等进行初始化，然后设定红、蓝、黄三种颜色的阈值，最后调用openMV的image.find_blobs（）函数将像素点与设定的阈值进行比较，若相符，则继续识别下一个LED灯，否则发出脉冲并通过延时函数使得外接的LED灯持续点亮示警。

3.2 主控模块

LED彩灯串基本发光性能自动检测器并未采用openMV自带STM32F4H7处理器为主控芯片，原因是STM3274H7外设引脚不多，且openMV要置于暗箱A中，不便于系统电路的连接。因此整个系统以STM32F407作为微控制单元（MCU）。STM32F407采用Cortex M4内核，资源充足，接口丰富，主频达到168MHz，能够很好的与其他模块进行交互。

主控模块的工作在于控制动力模块的两个步进电机并为其供电。对于步进电机的控制，主要是通过控制输人的PWM波的方法来完成的。由于步进电机转子的速度和角位移量与输入脉冲的频率和数量成正比且步进电机的旋转方向取决于通电电流的方向，则可以通过控制输入的PWM波的数目、频率及电动机绕组的顺序来控制步进电机转角、转速及转向。再通过STM32F407上的按键实现人机的交互。首先需要完成一系列的初始化操作，包括时钟、GPIO及按键IO口的使能，GPIO引脚、速度、模式的配置等，再通过调用步进电机驱动器，最后使用定时器产生PWM波即可控制动力模块的步进电机。主控模块控制步进电机的结构框图如图2所示。

图2 步进电机控制结构框图

3.3 电源模块

电源模块直接为主控板、openMV供电，间接为制动系统及动力系统供电，为保证输出电压可调，本产品采用以稳压芯片CW317与CW337为核心，自主设计的直流稳压电源作为系统的电源模块。该电源能够实现0～12V的直流电压可调，在保证系统电路安全的同时也避免了因电压不足而无法驱动各模块的问题。

3.4 动力模块

动力模块主要由两个改造后的28BYJ-48单极性步进电机构成。这两个电机与普通电机的不同之处在于输出轴上都焊接了一根15厘米的空心不锈钢钢管，从而在不过多加重电机负载的同时延长了其输出轴。两个电机均由主控模块直接供电与控制，能够实现正转、翻转、调速与暂停。当整个系统运作时，将一卷中间镂空的LED彩灯串插于暗箱A入口处电机的输出轴上，另一电机置于暗箱A的出口处，主控板控制两电机同向同速转动，即可牵引待测LED彩灯串上的LED灯逐一通过暗箱A，并由其中的openMV完成检测，检测完成的LED彩灯串将缠绕于暗箱A出口处电机的输出轴上。

3.5 制动模块

制动模块主要由openMV上引出的LED灯及光控继电器组成，为防止外界光干扰，二者均置于暗箱B内。制动模块位于主控模块和动力模块之间，由主控模块直接供电，其主要作用在于控制STM32F407核心板向步进电机供电线路的通断，当openMV检测出异常LED灯，其自带的STM32F4H7芯片将控制外接的LED灯持续点亮，与此同时，光敏继电器则会切断动力系统的供电。LED彩灯串基本发光性能自动检测器没有使用以openMV自带芯片STM32F4H7向核心板STM32F407发送中断信号进而切断步进电机电源的方式来显示检测出异常LED灯，一方面是因为暗箱A内的STM32F4H7不便于过多电路的连接，另一方面，当整个系统停止运行时，制动模块中LED灯是否持续点亮可以将系统电路故障与检测出异常LED灯这两种情况区分开来。

4 测试结果与总结

实际测试中，以含有发红、蓝、黄三种颜色光的LED彩灯串检测为例，检测彩灯串长20m共220灯，设置发白光、绿光、和不发光的LED灯各两只。检测结果为：净检测时长3分21秒，6只异常的LED灯都被检测出来。部分测试效果展示如图3所示。

图3 测试效果展示图

通过测试结果和工厂调研结果对比发现，本文涉及产品对LED彩灯串基本发光性能的检测效果和速度都优于传统的人工检测，达到了预期的目标，在筛选LED彩灯串中残次品领域有广阔应用场景，值得推广。

结束语：本文针对LED彩灯串中残次品筛选的问题，设计了基于openMV的LED彩灯串基本发光性能自动检测器。该设计由五个基本硬件模块及软件部分组成，具有电路简单、安全可靠、成本低效果好等众多优点，在实践生产中能产生良好的效益。