色选机的设计与实现.docx

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色选机的设计与实现

中南大学

本科生毕业论文（设计）

题目基于ADP6.0组态软件的色选机

的设计与实现

学生姓名姜伟

指导老师雷向东

学院信息工程学院

专业班级计算机科学与技术

摘要

当前，中国是世界上最大的大米生产国与消费国，全国65%以上的人口以大米为主食。

随着人们的生活水平不断的提高，人们对大米的食用的品质也愈来愈高，不仅对大米的口感要求提高，且对外观质量要求也随之提高。

为了得到精白的大米，满足食用安全性和外观质量，必须去除石头、黑粒、黄粒、病斑粒，生芽粒，霉变粒，完整谷粒。

但现有的光电色选设备就难以满足这个要求，为了在这个行业面临着这样一个难题：

即如何满足我们大米加工需要的质量，并利用某种设备使我们的加工更加有效率，并让大米生产商获得更大的利润。

色选机（ColorSorter）就是在这种情况下应运而生的。

它主要用于大米加工筛选操作，即筛除不良品，并对不良品进行分类。

在本文中，我们主要讨论如何利用ADP6.0组态软件进行人机界面设计（系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介）和色选机主要结构的设计。

其开发过程主要包括人机界面和机械结构开发两个方面。

这两个方面要求其设备色选精度高、产量大、人机交换流畅、色选功能强大、工作稳定。

而人机界面设计则要求做到各项功能要完备、操作要简便、易学易用等特点。

本文介绍了以大米加工为代表的大米色选机的产生背景与研究意义，具体讲述了如何使用ADP6.0设计人机界面，主要功能模块的设计，主要功能模块的代码实现方法，色选机的工作原理，色选机主要部件及其作用。

人机界面程序基于ADP6.0组态软件模块化设计，主要有快速设置管理界面和工程师管理界面。

前者包括流量设置、色选精度设置、背景板亮度设置、清扫设置、方案帮助、色选方案存储、系统帮助等；后者包括综合设置、平移设置、日光灯设置、增益设定、流量控制设定、通讯检测、CCD初始化设定、MODBUS设定、密码锁设定、显示控制设定、延时设定等。

该软件系统利用层次化、结构化的自顶向下设计方法、可维护性、可重用性和可扩展性都大大提高。

色选机主要部件包括震动喂料器、滑道、光电箱、高频喷阀、分料斗等。

色选机主体支架采用Z字型，结构精密器件和控制系统安装在封闭式箱体内，防尘，安全性好。

关键词：

ADP6.0，色选机，人机界面。

ABSTRACT

Atpresent,Chinaistheworld'slargestrice-producingcountriesandconsumingcountries,morethan65percentofthepopulationofstaplefoodisrice.Aspeople'slivingstandardsimprove,thequalityofriceconsumptionisrising,notonlyforthetasteofthericerequirementstoimprovetheappearancequalityrequirementsalsowillincrease.Refinedwhitericetomeetfoodsafetyandappearancequality,youmustremovethestone,blackgrain,yellowgrain,thelesiongrain,rawbudgrain,moldygrain,wholegrains.Existingelectro-opticalcolorsortingequipmentitwillbedifficulttomeetthisrequirementintheindustryfacesaproblem:

namely,howtomeettheneedsofourriceprocessingquality,anduseofcertainequipmenttomakeourprocessingmoreefficient,andletthericemanufacturerstoobtaingreaterprofits.

ColorSortercameintobeinginthiscase.Itismainlyusedforthescreeningofriceprocessingoperations,screenoutdefectiveproductsanddefectiveproductsclassification.Inthispaper,wemainlydiscusshowtouseADP6.0configurationsoftwareforthemediumofinteractionandinformationexchangebetweenthehuman-computerinterfacedesign（systemanduser）andthemainstructureofthecolorsorter.Itsdevelopmentprocess,includingthetwoaspectsofthehuman-machineinterfaceandthedevelopmentofmechanicalstructures.ThesetwoareasrequiretheirequipmentSortingaccuracyishigh,production,human-computerexchangeofsmooth,powerfulcolorselection,andjobstability.Man-machineinterfacedesignisrequiredsothatvariousfunctionsmustbeinplace,theoperationshouldbesimple,easytousefeatures.

ThisarticledescribesthebackgroundandresearchsignificanceoftheColorSorterofriceprocessing,specificallyabouthowtouseADP6.0designhuman-computerinterface,themainfunctionmoduledesign,themainfunctionmodulesofcodeimplementation,colorsortertheworkingprincipleofthecolorsortermaincomponentsandtheirrole.Man-machineinterfaceprogrambasedonADP6.0configurationsoftwaremodulardesign,andquicklysetupthemanagementinterfaceandengineermanagementinterface.Theformerincludestheflowsettings,theaccuracyofthecolorselectionsetting,thebrightnessofthebackgroundplateset,cleaningset,programhelp,colorselectionprogramstoragesystemtohelp;thelatterincludingacomprehensiveset,pansettings,fluorescentsettings,gainsetting,flowcontrolsettings,communications,detection,CCDinitializationsettings,settheMODBUSlocksettings,anddisplaycontrolsettings,delaysettings.Thesoftwaresystemusesahierarchical,structuredtop-downdesign,maintainability,reusabilityandscalabilityaregreatlyenhanced.Themaincomponentsofthecolorsortervibrationfeederchuteandphotoelectricbox,high-frequencyjetvalve,sub-hopper.ThecolorsortermainstentusingtheZ-shapedstructureprecisiondevicesandcontrolsystemsinstalledinclosedcabinets,dust,andsecurity.

KEYWORDS:

ADP6.0,colorsorters,human-machineinterface.

第一章绪论

大米色选是粮食加工流程的一个重要部分。

我国历来盛产稻米，历史悠久，品种繁多，分布广泛，产量高，总产量居世界首位。

我国丰富的稻谷资源，为大米色选机提供了充足的原料，大米色选机的市场巨大。

如何有效使用色选机把大米中的不良物品快速地剔除掉呢？

因此，针对不同工作领域的色选机就应运而生了，它也自然就成为人们的研究热点。

本章是绪论部分，主要介绍色选机的产生背景和研究意义、ADP6.0组态软件的简介与发展以及本次的研究工作和组织结构。

1.1课题的产生背景与研究意义

随着我国国民经济的迅速发展，人们生活水平的日益提高，人们对主食的要求也逐步从粗放型大米转向精细型大米的发展。

因此，要求粮食加工行业运用现代化高新技术对稻谷进行加工利用，生产出更有营养，色泽更加光亮的大米。

本节阐述色选机的产生背景和研究意义。

1.1.1产生背景

一个现代化的大米加工生产线在正常运转时必定需要色选才成生产出精白的大米。

传统的光电色选机效率低下，色选精度低，浪费大量的人力物力财力。

不但安装操作极其不方便，而且极容易出现机器故障，从而造成不必要的损失。

因此，实现一个效率高、操作方便、安全稳定性高的色选机是十分必要的。

充分利用自动化控制技术对大米不良品筛选进行自动化控制，将会使筛选工作大大减轻，同时，方便友好的人机用户界面、简便的操作成为大米加工人员的得力助手。

此系统就是基于这种背景才开发的，大米的种类非常多，如果用光电识别不同的不良品将会十分繁琐，所以此系统将会大大的提高筛选效率。

1.1.2研究意义

随着碾米工业的发展，传统的光电色选机对浅黄粒、乳白粒、透明粒、杂质的筛选精度，输出产量，已不能满足当下的发展需求了。

本课题的的产生背景决定了其研究意义主要体现在以下几个方面：

第一，极大地提高色选精度。

采用高性能的CCD摄像图，双面高速扫描采集，结合特定的图像分析处理软件，能更快速准确识别微黄、水黄、病斑、乳白、透明等不良微小颗粒，色选精度大于>99.8%。

第二，大幅度提高了生产效率。

CCD与传统光电色选相比，整机宽度不变的情况下完成320路信号同时在线处理，新型CCD高精度传感器的应用及微型喷阀，实现了大产量的要求。

第三，采用彩色大屏幕的人机界面，通过ADP6.0组态软件设计人机交互程序，用户通过人机界面来控制机器运转及了解机器的工作状态，自动化设计一次性参数设定,这样就大大简化了操作人员的载荷，体现了人性化设计理念，方便用户维护作业。

1.2ADP6.0系统的简介与发展

色选机软件管理系统是一种典型的ADP6.0组态软件设计出的控制管理系统。

同其它组态软件一样，ADP6.0系统也是在不断发展变化的。

本节阐述ADP6.0系统简介和发展。

1.2.1ADP6.0系统的简介

所谓ADP6.0系统，主要指的是进行人机交互信息操作的系统。

这种系统主要用于自动化程序撰写及人机画面设计，并对实时数据进行相关处理。

ADP6.0系统通常用于交互信息。

例如，可以利用ADP6.0系统显示设备状态，如指示灯、按钮、文字、图形、曲线、数据、文字输入操作、打印输出、生产配方存储、设备生产数据记录故障信息等，找出目前需要调整的数据，并将信息及时反馈给操作管理人员，使他们了解当前设备是否正常运转。

换句话说，ADP6.0系统的最终目的是使操作管理人员及时了解设备现状，把握设备安全运行。

1.2.2ADP6.0系统的发展

早期ADP6.0系统主要是用汇编语言来编写的。

由于汇编语言依赖于计算机硬件，程序的可读性和可移植性都比较差，所以为了提高系统软件的可读性和可移植性，最好改用高级语言。

于是，类似C语言的ADP6.0系统就应运而生了。

基于C语言的ADP6.0系统，弥补了传统汇编语言ADP6.0系统的不足，充分体现语言简洁，使用方便特点。

随着高新技术的不断发展，人机交互系统自动化控制将成为人类新社会的技术基石。

基于C语言的ADP6.0系统必将成为人机交互信息系统新一代系统软件编写组态软件，前景极为乐观。

1.3应用于课题的主要技术

“工欲善其事，必先利其器”，选择何种技术对于系统的制作是非常重要的。

合适的技术不仅可以是系统的性能得到最大程度的实现，而且往往还可以事半功倍。

本节主要阐述应用于本系统的主要技术。

1.3.1FPGA技术

1.3.1.1FPGA简介

现场可编程门阵列FPGA（FieldProgrammableGateArray）是美国Xilinx公司于1984年首先开发的一种通用型用户可编程器件。

FPGA既具有门阵列器件的高集成度和通用性，又有可编程逻辑器件用户可编程的灵活性。

.任何一个硬件工程师对FPGA都不会陌生，就好比C语言对于软件工程师来说是必修课程一样，只要是电子相关专业的学生，都要学习可编程逻辑这门课程。

FPGA的英文全称是FieldProgrammableGateArray，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。

FPGA是电子设计领域中最具活力和发展前途的一项技术，它的影响丝毫不亚于70年代单片机的发明和使用。

FPGA能做什么呢？

可以毫不夸张的讲，FPGA能完成任何数字器件的功能，上至高性能CPU,下至简单的74电路，都可以用FPGA来实现。

FPGA如同一张白纸或是一堆积木，工程师可以通过传统的原理图输入法，或是硬件描述语言自由的设计一个数字系统。

通过软件仿真，我们可以事先验证设计的正确性。

在PCB完成以后，还可以利用FPGA的在线修改能力，随时修改设计而不必改动硬件电路。

使用FPGA来开发数字电路，可以大大缩短设计时间，减少PCB面积，提高系统的可靠性。

FPGA的这些优点使得FPGA技术在90年代以后得到飞速的发展，同时也大大推动了EDA软件和硬件描述语言（HDL）的进步。

1.3.1.2FPGA开发流程

开发FPGA需要了解两个部分：

1.FPGA开发软件2.FPGA本身。

由于FPGA软件已经发展的相当完善，用户甚至可以不用详细了解FPGA的内部结构，也可以用自己熟悉的方法：

如原理图输入或VHDL语言来完成相当优秀的FPGA设计。

所以对初学者，首先应了解FPGA开发软件和开发流程。

了解FPGA的内部结构，将有助于提高我们设计的效率和可靠性。

　　下面我们以基于Xilinx公司的Xilinx1.0软件来简单说明一下FPGA的开发流程。

开发流程如图1.1所示。

图1.1FPGA的开发流程

（1）建立工程是每个开发过程的开始，Xilinx1.0（以下简称Q2）以工程为单元对设计过程进行管理。

（2）建立顶层图。

可以这样理解，顶层图是一个容器，将整个工程的各个模块包容在里面，编译的时候就将这些模块整合在一起。

也可以理解为它是一个大元件，包含各个模块，编译的时候就是生成一个这样的大元件。

（3）采用Xilinx1.0公司提供的LPM功能模块。

Q2软件环境里包含了大量的常用功能模块，例如计数器、累加器、比较器、译码器等等；如果不懂得在工程中采用这些现有的功能模块真是太浪费了。

以本人的经验，一个设计中一般只有极少部分的模块需要自己从零设计。

（4）自己建立功能模块。

当然，有些设计中现有的模块功能不能满足具体设计的要求，那就只能自己设计啦。

可以用硬件描述语言也可以用原理图的输入方法。

可以把它们独立地当作一个工程来设计，并生成模块符号（Symbol），然后在顶层图中使用这个模块的符号，并将源文件（实现该模块的原理图或VHDL文件）拷到顶层图所在的工程目录下。

这个过程好比你要做一个电路，现在市面上没有你想要的某个芯片，你就只能自己做一块这样的一块芯片，然后添加到你的电路板上。

（5）将顶层图的各个功能模块用连线连起来。

这个过程类似电路图设计，把各个芯片连接起来，组成电路系统。

（6）系统的功能原理图至此已经基本出炉了，下一步要为该设计选择芯片载体，才能真正在物理上实现系统的功能。

这一步的主要工作是：

（1）选择芯片型号；

（2）为顶层图的各个输入输出信号分配芯片的管脚；（3）设置编译选项，目的是让编译器知道更多的信息。

（7）编译。

这个过程类似软件开发里的编译，但实际上这个过程比软件的编译要复杂得多，因为它毕竟最终要实现硬件里的物理结构，包含了优化逻辑的组合、综合逻辑以及布线等步骤。

在类似Q2这样的集成环境里面，这些过程都可以一气呵成，集成环境帮你自动完成了几个步骤的工作。

当然，你也可以用其它工具来实现各个步骤的工作，这些内容超出了本教程陈述的范围。

（8）编译后会生成*.sof或*.pof文件，前者可以通过JTAG下载到FPGA内部，设计无误的话即能实现预期的功能，但断电后FPGA里的这些信息会丢失；后者可以下载到FPGA的配置芯片（EEPROM或FLASH芯片），掉电后这些配置信息不会丢失，重新上电以后通过该配置芯片对FPGA的内部RAM进行配置。

（9）对于复杂的设计，工程编译了以后可以采用Q2的仿真功能或其它仿真软件（如ModelSim）对设计反复进行仿真和验证，直到满足要求。

1.3.2VHDL硬件描述语言

1.3.2.1VHDL简介与发展

硬件描述语言（HDL）是一种用形式化方法来描述数字电路和设计数字逻辑系统的语言。

它可以使数字逻辑电路设计者利用这种语言来描述自己的设计思想，然后利用电子设计自动化（在下面简称为EDA）工具进行仿真，再自动综合到门级电路，再用ASIC或FPGA实现其功能。

目前，这种称之为高层次设计（High-Level-Design）的方法已被广泛采用。

据统计，在美国硅谷目前约有90％以上的ASIC和FPGA已采用硬件描述语言方法进行设计。

硬件描述语言的发展至今已有二十多年的历史，并成功地应用于设计的各个阶段：

仿真、验证、综合等。

到80年代时，已出现了上百种硬件描述语言，它们对设计自动化起到了极大的促进和推动作用。

但是，这些语言一般各自面向特定的设计领域与层次，而且众多的语言使用户无所适从，因此急需一种面向设计的多领域、多层次、并得到普遍认同的标准硬件描述语言。

进入80年代后期，硬件描述语言向着标准化的方向发展。

最终，VHDL语言适应了这种趋势的要求，成为IEEE标准。

把硬件描述语言用于自动综合还只有短短的六、七年历史。

最近三四年来，用综合工具把可综合风格的VHDL模块自动转换为电路发展非常迅速，在美国,台湾已成为设计数字电路的主流。

1.3.2.1VHDL设计流程

采用VerilogHDL输入法最大的优点是其与工艺无关性。

这使得工程师在功能设计、逻辑验证阶段，可以不必过多考虑门级及工艺实现的具体细节，只需要利用系统设计时对芯片的要求，施加不同的约束条件，即可设计出实际电路。

实际上这是利用了计算机的巨大能力在EDA工具的帮助下，把逻辑验证与具体工艺库匹配、布线及时延计算分成不同的阶段来实现从而减轻了人们的繁琐劳动。

开发流程如图1.2所示。

图1.2VHDL的开发流程

现代集成电路制造工艺技术的改进，使得在一个芯片上集成数十乃至数百万个器件成为可能，但我们很难设想仅由一个设计师独立设计如此大规模的电路而不出现错误。

利用层次化、结构化的设计方法，一个完整的硬件设计任务首先由总设计师划分为若干个可操作的模块，编制出相应的模型（行为的或结构的），通过仿真加以验证后，再把这些模块分配给下一层的设计师，这就允许多个设计者同时设计一个硬件系统中的不同模块，其中每个设计者负责自己所承担的部分；而由上一层设计师对其下层设计者完成的设计用行为级上层模块对其所做的设计进行验证。

图1-3为自顶向下（TOP-DOWN）的示意图，以设计树的形式绘出。

图1.3自顶向下（TOP-DOWN）的示意图

自顶向下的设计（即TOP_DOWN设计）是从系统级开始，把系统划分为基本单元，然后再把每个基本单元划分为下一层次的基本单元，一直这样做下去，直到可以直接用EDA元件库中的元件来实现为止。

对于设计开发整机电子产品的单位和个人来说，新产品的开发总是从系统设计入手，先进行方案的总体论证、功能描述、任务和指标的分配。

随着系统变得复杂和庞大，特别需要在样机问世之前，对产品的全貌有一定的预见性。

目前，EDA技术的发展使得设计师有可能实现真正的自顶向下的设计。

1.4研究工作和本文的组织

做系统是一个比较繁杂的工作，不仅要在宏观上整体把握系统结构，而且还要将细节设计好。

本节概要介绍本文的主要工作，并给出全文的组织结构。

1.4.1研究工作

1.做系统需求分析。

要设计一个系统，准确而充分的需求分析是必不可少的。

首先要分析系统要完成什么功能，以及为了实现这些功能要查阅什么资料和使用什么工具。

2.系统设计。

在对系统做完需求分析后，就可以做系统设计了。

首先要做系统模块设计，即根据功能将系统分成几个模块。

其次，要确定系统开发环境。

另外，根据需求分析做底层程序设计。

然后，将各个模块编码实现。

3.系统人机界面设计。

由于这个系统自动控制，面向对象是生产管理人员。

所以简单友好、方便易用的界面是必须的，而且也非常重要。

4.对毕业设计工作进行总结。

总结和评价毕业设计课题，提出改善方案和总结毕业设计工作。

1.4.2本文的组织

本文内容按照如下形式进行组织：

第一章，绪论。

首先阐述了课题的产生背景和研究的意义，接下来介绍ADP6.0系统的简介与发展，最后介绍毕业设计的研究工作和本文的组织结构。

第二章，系统分析。

主要分析系统的设计目标、体系结构、功能和安全管理。

第三章，系统设计。

首先进行系统总体功能设计，接着将系统操作界面和工程师界面两部分分别进行设计。

第四章，色选机主要电路设计。

包括线阵CCD采集系统设计，主控板设计，高频驱动板设计。

第五章，主要功能窗口与代码实现。

这一章分九个小节分别展示系统各个功能的最终实现。

第六章，总结与展望。

总结毕业设计工作并对将来课题的研究工作进行了展望。

第二章系统分析

色选机又称色彩选别机，它是利用光电原理，通过高分辨率