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基于RGB颜色模型脱绒棉种分选控制系统设计研究

作　者: 张若宇
导　师: 坎杂
学　校: 石河子大学
专　业: 农业机械化工程
关键词: 脱绒棉种 RGB模型 RGB颜色传感器 FPGA 分选控制
分类号: S226.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

棉花种子是棉花生产最基本的生产资料,尤其随着新疆兵团精播技术的推广,需要更高品质的棉花种子。近年来,受各种因素的影响,脱绒棉种中“红种”比例大幅增加,影响了棉种的质量,阻碍了精量播种技术的发展。由于“红种”与成熟棉种在比重和空气特性上都比较接近,仅依靠传统工艺无法将此剔除,当前“红种”剔除主要依靠人工。人工选种劳动强度大、生产效率低、投入成本高、选种质量不均匀。然而“红种”与成熟种子有个重要的特征差异——表面颜色不同,因此,针对新疆兵团脱绒棉种的“红种”问题,探寻一种行之有效的颜色分选技术十分必要。本文是在RGB颜色模型硬件实现的基础上,对脱绒棉种分选控制系统进行设计研究。首先本文选取发芽势、发芽率做为评价棉种质量的两个重要指标,利用数字摄像和图像色彩分析技术对脱绒棉种颜色特征进行提取,并严格按照国家标准进行了种子发芽试验。采用单变量线性回归和逐步回归分析方法探讨了RGB颜色模型下脱绒棉种颜色特征与发芽势、发芽率之间的相关性,揭示了RGB颜色模型下脱绒棉种颜色特征参数与其发芽势和发芽率之间均存在显著的相关性,证实脱绒棉种质量与其表面颜色特征具有相关性,为脱绒棉种基于RGB颜色模型进行颜色分选提供了理论依据。基于上述研究,并针对加工环境下脱绒棉种的分选的要求,系统采取RGB颜色模型硬件实现的方式,选用了高速度、高精度、高可靠性的RGB颜色传感器,同时选用了高速喷嘴驱动控制电磁阀以及多通道信号实时采集和并行处理的核心芯片FPGA。同时,为确保系统分选的精确性、稳定性和分选效率,结合系统控制参数对脱绒棉种颜色分选关键机构进行了分析研究,推导建立了决定“V”型溜槽截面形状、水平倾角以及长度这三个关键参数的约束方程,确立了传感器和喷嘴的安装位置模型,并在此基础上,设计搭建了一个单通道试验台架,其溜槽板、传感器和电磁阀三者位置能够在理论位置的基础上自由调整。然后,以单片机AT89C51为主控制核心,以FPGA芯片为数据处理核心,重点对脱绒棉种颜色分选控制系统存储空间的扩展与分配、人机界面系统以及控制系统的核心部分——数据采集处理系统进行了设计,并实时地在QuartusII5.0环境下对主要模块进行了仿真验证。同时,针对加工环境下可能导致分选控制系统不能长期稳定可靠的运行的干扰因素进行了相应的抗干扰设计。最后对完成的分选控制系统进行仿真和调试验证,并在单通道试验台架上对系统进行多次的分选试验。结果表明,该系统运行可靠稳定,分选效果良好,基本能够满足脱绒棉种颜色分选的需要。

全文目录

中文摘要  5-6
Abstract  6-9
第一章绪论  9-15
  1.1 研究目的和意义  9-10
  1.2 国内外研究应用现状  10-14
    1.2.1 国内外主要分选技术  10-13
    1.2.2 目前颜色分选技术存在的问题及解决方案  13-14
  1.3 研究的目标及主要内容  14
  1.4 本章小结  14-15
第二章基于RGB 模型棉种质量与颜色特征的相关性分析  15-20
  2.1 引言  15
  2.2 脱绒棉种质量的评价指标  15-16
  2.3 试验材料与方法  16-18
    2.3.1 试验仪器设备及工具软件  16
    2.3.2 颜色特征参数的确定  16
    2.3.3 颜色特征参数的提取及发芽试验设计  16-17
    2.3.4 发芽势、发芽率测定方法  17-18
  2.4 结果分析与讨论  18-19
  2.5 结论与讨论  19
  2.6 本章小结  19-20
第三章颜色分选系统组成及主要硬件的选型  20-25
  3.1 引言  20
  3.2 脱绒棉种颜色分选系统组成及工作过程  20-22
    3.2.1 系统组成  20-21
    3.2.2 系统工作过程  21-22
  3.3 颜色识别元件的选型  22-23
  3.4 数据采集处理控制芯片的选型  23-24
  3.5 喷嘴控制电磁阀的选型  24
  3.6 本章小结  24-25
第四章脱绒棉种颜色分选关键机构的设计研究  25-33
  4.1 引言  25
  4.2 溜槽主要参数的确定  25-29
    4.2.1 棉种摩擦角测定  25
    4.2.2 溜槽截面形状的确定  25-26
    4.2.3 溜槽倾斜倾角度及其长度的确定  26-29
  4.3 传感器及喷嘴位置模型的建立  29-32
    4.3.1 传感器位置模型的建立  30
    4.3.2 喷嘴位置模型的建立  30-32
  4.4 颜色分选控制系统试验平台搭建  32
  4.5 本章小结  32-33
第五章颜色分选控制系统的设计与实现  33-47
  5.1 引言  33
  5.2 分选控制系统总体结构设计  33-34
  5.3 主控制系统的整体设计  34-36
    5.3.1 整体硬件设计  34
    5.3.2 微控制单元  34-35
    5.3.3 外部存储单元  35-36
  5.4 人机界面系统设计  36-40
    5.4.1 硬件电路设计  37
    5.4.2 AT89C51 与触摸屏之间的通信方案  37-39
    5.4.3 AT89C51 与触摸屏之间的通信软件设计  39-40
  5.5 数据采集处理系统设计  40-46
    5.5.1 数据采集处理系统总体方案  40-41
    5.5.2 模块化设计及模块复用  41
    5.5.3 基于QuartusII 开发环境的各模块硬件实现  41-46
  5.6 本章小结  46-47
第六章颜色分选控制系统的抗干扰设计  47-51
  6.1 引言  47
  6.2 颜色分选控制系统的抗干扰设计  47-50
    6.2.1 精选元件  47
    6.2.2 滤波电路  47-48
    6.2.3 光电隔离设计  48-49
    6.2.4 硬件看门狗电路设计  49-50
    6.2.5 接地技术  50
    6.2.6 布线技术  50
    6.2.7 其它抗干扰技术  50
  6.3 本章小结  50-51
第七章分选控制系统的仿真调试与分选试验  51-54
  7.1 引言  51
  7.2 系统仿真调试  51-52
    7.2.1 系统的仿真验证  51-52
    7.2.2 系统硬件调试  52
  7.3 颜色分选控制系统的分选试验  52-53
  7.4 本章小结  53-54
第八章结论与展望  54-56
  8.1 研究总结  54
  8.2 后续工作及展望  54-56
参考文献  56-59
致谢  59-60
作者简介  60-61
导师评阅表  61

基于RGB颜色模型脱绒棉种分选控制系统设计研究

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