用于纱线质量评估的光电检测系统设计与开发

摘要

中国作为全球的纺织大国，国内的纺织业是我国国民经济的重要支柱。但是由于我国纺织技术缺乏先进的技术及其创新型工艺，目前我国生产的纺织面料以中等和中等偏下产品为主，与海外生产的高档面料存在较大的差距。在充分调研国内现有的纱线质量评估现状的基础上，本文提出了将光电检测法作为基础方法，以纱线的通断瑕疵、粗细瑕疵、扁平瑕疵、颜色瑕疵作为检测对象，对光电式纱线检测方法进行了较细致的技术研究。本文的主要工作如下:
　　(1)分别为纱线的通断瑕疵、粗细瑕疵、扁平瑕疵和颜色瑕疵设计检测光路、信号调理电路和单片机代码，并完成各个模块的PCB设计和实物制作。其中，对通断瑕疵和粗细瑕疵的检测是由绿色激光光源和以OPT101芯片为核心的光电检测电路实现。扁平瑕疵的检测光路由水平方向检测光路和垂直方向检测光路组成，其中水平方向检测光路由绿色激光光源、绿色滤光片和光电传感器组成;垂直方向检测光路由红色激光光源、红色滤光片和光电传感器组成。颜色瑕疵的检测光路以4个白色LED作为光源，利用TCS230芯片测试纱线的反射光信号从而测得纱线的RGB颜色信息。
　　(2)提出了针对四类纱线瑕疵的集成化检测方案，并对该方案进行了软硬件设计与实现。其中，集成化检测方案的设计思想是在不影响检测性能的前提下，合并简化四类纱线瑕疵的检测光路和检测电路。集成化检测方案采用红色激光光源、绿色激光光源和白色LED光源作为系统的光源，同时在接收端分别使用红色滤光片和绿色滤光片，以防止光源相互干扰。检测电路采用STC15W4KS234单片机作为处理器，以OPT101为核心传感器检测纱线通断、粗细、扁平瑕疵，以TCS230芯片为核心传感器检测颜色瑕疵。单片机软件首先进行水平方向光电传感器的AD转换，然后进行垂直方向上光电传感器的AD转换，最后对颜色传感器采样处理。
　　(3)对四类纱线瑕疵的集成化检测方案进行了逐一的进行实验验证，搭建了一个三光源三传感器的综合式纱线瑕疵检测系统。测试对象为毫米级纱线。在纱线通过检测系统时，通过OPT101输出的电平变化进行通断、粗细、扁平瑕疵检测，通过TCS230输出的RGB数值变化进行颜色瑕疵检测。测试结果表示，所设计的集成化检测系统能对0.2毫米粗细的纱线成功实现通断、粗细、扁平瑕疵检测，以及在颜色差别相对较大条件下的颜色瑕疵的检测。

目录

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摘要

图目录

表目录

第一章 绪论

1．1 研究课题的背景及意义

1．2 纱线瑕疵的种类及产生的原因

1．3 常见的纱线质量检测方法及原理

1．3．1 电容式电子清纱器检测原理

1．3．2 光电式电子清纱器检测原理

1．4 纱线检测技术的国内外研究现状及代表性产品

1．4．1 国内研究现状及代表产品

1．4．2 国外研究现状及代表性产品

1．5 本文的研究方法

1．6 本文的主要研究内容

第二章 纱线光电传感器检测纱线通断瑕疵的设计

2．1 纱线通断瑕疵检测要求及方案论证

2．2 纱线通断瑕疵检测核心器件选型

2．2．1 纱线通断瑕疵光源及滤光片选型

2．2．2 纱线通断瑕疵光电探测器选择

2．2．3 纱线通断瑕疵处理芯片选型

2．3 纱线通断瑕疵检测电路方案及PCB设计

2．3．1 纱线通断瑕疵检测电路原理图设计

2．3．2 纱线通断瑕疵检测电路PCB设计

2．4 纱线通断瑕疵检测的程序设计

2．5 实验结果

2．5．1 系统实物图与测试场景图

2．5．2 实验精度

2．6 本章小结

第三章 纱线粗细及扁平瑕疵检测方法设计

3．1 纱线粗细及扁平瑕疵检测要求和方案论证

3．1．1 纱线粗细瑕疵方案论证

3．1．2 纱线扁平瑕疵方案论证

3．2 纱线粗细及扁平瑕疵检测系统光源及光电探测器选型

3．2．1 纱线粗细瑕疵检测系统光源及光电探测器选型

3．2．2 纱线扁平瑕疵检测系统光源及光电探测器选型

3．3 纱线粗细及扁平瑕疵检测模块系统原理图设计及PCB

3．4 纱线粗细及扁平瑕疵检测的实验结果

3．4．1 纱线粗细瑕疵实验环境

3．4．2 纱线扁平瑕疵实验环境

3．4．3 纱线粗细瑕疵实验精度

3．4．4 纱线扁平瑕疵实验精度

3．5 本章小结

第四章 纱线颜色瑕疵检测系统设计

4．1 纱线颜色瑕疵检测要求及方案认证

4．2 纱线颜色瑕疵检测系统核心器件选型

4．2．1 纱线颜色瑕疵检测系统光源选型

4．2．2 纱线颜色瑕疵检测系统器件选型

4．3 纱线颜色瑕疵检测系统原理图设计

4．4 纱线颜色检测系统程序设计

4．5 纱线颜色瑕疵实验

4．5．1 纱线颜色瑕疵系统实物与实验环境

4．5．2 颜色检测试验精度

4．6 本章小结

第五章 光电式纱线瑕疵检测系统一体化设计

5．1 光电式纱线瑕疵检测系统一体化检测要求及方案论证

5．2 光电式纱线瑕疵一体化系统核心器件选型

5．3 光电式纱线瑕疵一体化系统原理图及PCB设计

5．3．1 单片机IO口分布

5．3．2 光电式纱线瑕疵一体化系统电源电路设计

5．3．3 光电式纱线瑕疵一体化系统报警模块设计

5．3．4 光电式纱线检测电路串口电路设计

5．3．5 光电式纱线瑕疵最小系统印制电路板设计

5．4 光电式纱线瑕疵最小系统单片机程序设计

5．5 光电式纱线瑕疵最小系统实验

5．5．1 光电式纱线瑕疵最小系统实验环境

5．5．2 光电式纱线瑕疵最小系统实验结果

5．6 本章小结

第六章 总结与期望

6．1 论文总结

6．2 课题展望

参考文献

致谢