西華師范大學(xué) 楊曉可

LED彩燈串在封裝成品投入市場(chǎng)前需要對(duì)其基本發(fā)光性能進(jìn)行檢測(cè)，該工序的主要目的是剔除LED彩燈串中不發(fā)光和發(fā)光顏色不符合定制要求的LED燈，以提高產(chǎn)品的質(zhì)量。目前，絕大部分生產(chǎn)商采用的檢測(cè)方式為：在LED彩燈串通電的情況下以人眼對(duì)其基本發(fā)光性能的好壞進(jìn)行判別。該方式不僅有一定的安全隱患，而且存在檢測(cè)速度慢、效果不理想、成本高等問題。本產(chǎn)品通過openMV色彩識(shí)別模塊對(duì)LED彩燈串發(fā)光情況進(jìn)行逐一檢測(cè)，協(xié)同其他系統(tǒng)模塊共同實(shí)現(xiàn)了對(duì)LED彩燈串的自動(dòng)化檢測(cè)，有效的解決了傳統(tǒng)檢測(cè)方式中存在的問題，極大程度上提高了LED彩燈串檢測(cè)的效率。

1 產(chǎn)品的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

（1）本產(chǎn)品通過openMV實(shí)現(xiàn)對(duì)LED彩燈串的檢測(cè)，相對(duì)于傳統(tǒng)檢測(cè)方式檢測(cè)效果更好，檢測(cè)速率可調(diào)。

（2）只需5V直流電源即可驅(qū)動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)，安全可靠，且能長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作。

（3）以STM32F407為主控芯片，各模塊具有良好的協(xié)調(diào)性，且成本較低。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及原理

LED彩燈串基本發(fā)光性能自動(dòng)檢測(cè)器包含openMV色彩識(shí)別模塊、主控模塊、電源模塊、動(dòng)力模塊、制動(dòng)模塊5個(gè)基本模塊，另外還有兩個(gè)暗箱，用以防止檢測(cè)時(shí)外界光的干擾。兩暗箱分別記為暗箱A與暗箱B，暗箱A中內(nèi)置有openMV模塊，暗箱B內(nèi)置有制動(dòng)模塊。工作時(shí)，兩電機(jī)在STM32F407核心板的控制下牽引LED彩燈串上的LED燈逐一通過暗箱A，最終實(shí)現(xiàn)檢測(cè)LED彩燈串的目的。當(dāng)檢測(cè)出異常LED燈時(shí)，制動(dòng)模塊自動(dòng)斷開動(dòng)力模塊的電源，停止檢測(cè)，進(jìn)而定位出異常LED燈在整個(gè)彩燈串中的具體位置。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 單元電路實(shí)現(xiàn)與原理

3.1 openMV模塊

openMV是一個(gè)非常易用，開源且低價(jià)的機(jī)器視覺開發(fā)組件。本產(chǎn)品采用的openMV4以O(shè)V7725為感光元件，STM32F4H7處理器為內(nèi)核，內(nèi)置Micro Python解釋器，且擁有IO，SPI，IIC，DAC/ADC，UART等眾多外設(shè)資源，能夠高效的實(shí)現(xiàn)對(duì)LED彩燈串基本發(fā)光性能的檢測(cè)。

使用杜邦線在openMV的引腳上外接一個(gè)LED燈，用以在openMV檢測(cè)出異常LED燈時(shí)發(fā)出警報(bào)。以檢測(cè)紅、藍(lán)、黃三色LED彩燈串為例，當(dāng)LED彩燈串中有不著或是發(fā)光顏色不符的LED燈出現(xiàn)時(shí)，openMV將無法識(shí)別，外接的LED燈將被點(diǎn)亮。openMV擁有完整的底層圖像處理算法，可在Python環(huán)境下直接調(diào)用其機(jī)器視覺模塊。首先需要對(duì)感光元件OV7725、時(shí)鐘、LED燈等進(jìn)行初始化，然后設(shè)定紅、藍(lán)、黃三種顏色的閾值，最后調(diào)用openMV的image.find_blobs（）函數(shù)將像素點(diǎn)與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，若相符，則繼續(xù)識(shí)別下一個(gè)LED燈，否則發(fā)出脈沖并通過延時(shí)函數(shù)使得外接的LED燈持續(xù)點(diǎn)亮示警。

3.2 主控模塊

LED彩燈串基本發(fā)光性能自動(dòng)檢測(cè)器并未采用openMV自帶STM32F4H7處理器為主控芯片，原因是STM3274H7外設(shè)引腳不多，且openMV要置于暗箱A中，不便于系統(tǒng)電路的連接。因此整個(gè)系統(tǒng)以STM32F407作為微控制單元（MCU）。STM32F407采用Cortex M4內(nèi)核，資源充足，接口豐富，主頻達(dá)到168MHz，能夠很好的與其他模塊進(jìn)行交互。

主控模塊的工作在于控制動(dòng)力模塊的兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)并為其供電。對(duì)于步進(jìn)電機(jī)的控制，主要是通過控制輸人的PWM波的方法來完成的。由于步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的速度和角位移量與輸入脈沖的頻率和數(shù)量成正比且步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向取決于通電電流的方向，則可以通過控制輸入的PWM波的數(shù)目、頻率及電動(dòng)機(jī)繞組的順序來控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向。再通過STM32F407上的按鍵實(shí)現(xiàn)人機(jī)的交互。首先需要完成一系列的初始化操作，包括時(shí)鐘、GPIO及按鍵IO口的使能，GPIO引腳、速度、模式的配置等，再通過調(diào)用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，最后使用定時(shí)器產(chǎn)生PWM波即可控制動(dòng)力模塊的步進(jìn)電機(jī)。主控模塊控制步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 步進(jìn)電機(jī)控制結(jié)構(gòu)框圖

3.3 電源模塊

電源模塊直接為主控板、openMV供電，間接為制動(dòng)系統(tǒng)及動(dòng)力系統(tǒng)供電，為保證輸出電壓可調(diào)，本產(chǎn)品采用以穩(wěn)壓芯片CW317與CW337為核心，自主設(shè)計(jì)的直流穩(wěn)壓電源作為系統(tǒng)的電源模塊。該電源能夠?qū)崿F(xiàn)0～12V的直流電壓可調(diào)，在保證系統(tǒng)電路安全的同時(shí)也避免了因電壓不足而無法驅(qū)動(dòng)各模塊的問題。

3.4 動(dòng)力模塊

動(dòng)力模塊主要由兩個(gè)改造后的28BYJ-48單極性步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成。這兩個(gè)電機(jī)與普通電機(jī)的不同之處在于輸出軸上都焊接了一根15厘米的空心不銹鋼鋼管，從而在不過多加重電機(jī)負(fù)載的同時(shí)延長(zhǎng)了其輸出軸。兩個(gè)電機(jī)均由主控模塊直接供電與控制，能夠?qū)崿F(xiàn)正轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)、調(diào)速與暫停。當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)作時(shí)，將一卷中間鏤空的LED彩燈串插于暗箱A入口處電機(jī)的輸出軸上，另一電機(jī)置于暗箱A的出口處，主控板控制兩電機(jī)同向同速轉(zhuǎn)動(dòng)，即可牽引待測(cè)LED彩燈串上的LED燈逐一通過暗箱A，并由其中的openMV完成檢測(cè)，檢測(cè)完成的LED彩燈串將纏繞于暗箱A出口處電機(jī)的輸出軸上。

3.5 制動(dòng)模塊

制動(dòng)模塊主要由openMV上引出的LED燈及光控繼電器組成，為防止外界光干擾，二者均置于暗箱B內(nèi)。制動(dòng)模塊位于主控模塊和動(dòng)力模塊之間，由主控模塊直接供電，其主要作用在于控制STM32F407核心板向步進(jìn)電機(jī)供電線路的通斷，當(dāng)openMV檢測(cè)出異常LED燈，其自帶的STM32F4H7芯片將控制外接的LED燈持續(xù)點(diǎn)亮，與此同時(shí)，光敏繼電器則會(huì)切斷動(dòng)力系統(tǒng)的供電。LED彩燈串基本發(fā)光性能自動(dòng)檢測(cè)器沒有使用以openMV自帶芯片STM32F4H7向核心板STM32F407發(fā)送中斷信號(hào)進(jìn)而切斷步進(jìn)電機(jī)電源的方式來顯示檢測(cè)出異常LED燈，一方面是因?yàn)榘迪銩內(nèi)的STM32F4H7不便于過多電路的連接，另一方面，當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)停止運(yùn)行時(shí)，制動(dòng)模塊中LED燈是否持續(xù)點(diǎn)亮可以將系統(tǒng)電路故障與檢測(cè)出異常LED燈這兩種情況區(qū)分開來。

4 測(cè)試結(jié)果與總結(jié)

實(shí)際測(cè)試中，以含有發(fā)紅、藍(lán)、黃三種顏色光的LED彩燈串檢測(cè)為例，檢測(cè)彩燈串長(zhǎng)20m共220燈，設(shè)置發(fā)白光、綠光、和不發(fā)光的LED燈各兩只。檢測(cè)結(jié)果為：凈檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)3分21秒，6只異常的LED燈都被檢測(cè)出來。部分測(cè)試效果展示如圖3所示。

圖3 測(cè)試效果展示圖

通過測(cè)試結(jié)果和工廠調(diào)研結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，本文涉及產(chǎn)品對(duì)LED彩燈串基本發(fā)光性能的檢測(cè)效果和速度都優(yōu)于傳統(tǒng)的人工檢測(cè)，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，在篩選LED彩燈串中殘次品領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用場(chǎng)景，值得推廣。

結(jié)束語：本文針對(duì)LED彩燈串中殘次品篩選的問題，設(shè)計(jì)了基于openMV的LED彩燈串基本發(fā)光性能自動(dòng)檢測(cè)器。該設(shè)計(jì)由五個(gè)基本硬件模塊及軟件部分組成，具有電路簡(jiǎn)單、安全可靠、成本低效果好等眾多優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)踐生產(chǎn)中能產(chǎn)生良好的效益。