基于机器视觉和烟叶水分监测的烟叶烘烤试验柜的制作方法

本实用新型主要涉及烟叶烘烤试验设备相关技术领域，具体是基于机器视觉和烟叶水分监测的烟叶烘烤试验柜。

背景技术：

烟叶烘烤试验装置是一种以模拟实际密集烤房的烘烤全过程的小型一体化的装置，可用于进行烟叶烘烤工艺研究或验证以及烘烤实操培训等，具有装烟少、试验验证经济损失小和温湿度控制精度高等特点。作为一种重要的试验装置，国内各地均有大量需求，因此相关企业和科研院所开发了多种专用的烟叶烘烤模拟箱，技术水平不断提高，尤其是温湿度的控制精度基本能够满足试验要求，但在整体性能和功能完善方面，仍没有达到理想效果。

烟叶烘烤试验装置的设计目标一方面是具有精准的温度和湿度控制功能，另一方面要能够模拟烤房的气流方向、风速大小、温度均匀性等环境参数。为了实现这一目标，一些单位根据密集式烤房的结构，进行同比例小型化模拟的方式设计烘烤箱，能够更好地模拟烤房运行环境。目前更普遍使用的烘烤模拟箱是采用通用烘烤箱，或者以此为基础进行改进的恒温箱和恒温恒湿箱，其存在的主要问题是在烘烤初始阶段的保湿难度较大，全密封结构的烘烤箱又没有排湿功能，因此不利于试验柜的保湿排湿；此外试验柜一般采用的马达运转带动风轮经由加热器将热风送至风道后进行烘箱工作室，难以对均温性进行控制；再者由于检测传感器设置较少，不利于对整个烟叶烘烤过程中各种参数的统计和控制。

技术实现要素：

为解决目前技术的不足，本实用新型结合现有技术，从实际应用出发，提供一种基于机器视觉和烟叶水分监测的烟叶烘烤试验柜，能够全程检测烟叶烘烤过程中外观颜色和水分含量变化，同时解决了传统试验柜保湿难、排湿难的问题。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：

基于机器视觉和烟叶水分监测的烟叶烘烤试验柜，包括由铝合金框架以及双层玻璃形成的柜体，所述柜体外侧顶部设置电磁阀、柜体底部设置加热组件，所述电磁阀的进口设置于柜体内部，电磁阀连接的管道内设置管道排风扇，柜体内设置称重传感器、温湿度传感器以及视觉传感器。

进一步的，所述加热组件包括ptc加热片以及设置于ptc加热片底部的多个吹风扇，由所述吹风扇将ptc加热片产生的热风均匀向上吹入柜体内。

进一步的，在所述柜体底部铺设有洞洞板，所述加热组件设置于洞洞板下方。

进一步的，所述柜体底部设置有pvc闷头堵帽，用于排出柜底积水，所述柜体侧面设有pvc闷头堵帽，用于烟叶取样。

进一步的，所述柜体内设有烟叶挂架，所述烟叶挂架通过s型称重传感器悬挂于柜体顶部。

进一步的，所述视觉传感器为用于采集烟叶图像的图像识别传感器。

进一步的，所述视觉传感器为用于测量烟叶rgb比例值的颜色识别传感器。

进一步的，所述视觉传感器为灰度传感器，其包括一个白色发光二极管和一个光敏电阻，由光敏电阻接收发光二极管照射烟叶后反射的不同强度光线实现灰度测试。

进一步的，所述柜体内部设有一升降机构，所述升降机构包括升降电机、与升降电机连接卷帘，所述卷帘上固定设置一水平移动机构，所述水平移动机构包括与卷帘连接的支撑架，所述支撑架上设有水平移动电机、丝杆、导向杆，所述丝杆上设有与其螺纹配合的滑块，所述滑块与导向杆滑动配合，丝杆一端连接所述水平移动电机，所述视觉传感器安装于滑块上。

进一步的，所述视觉传感器为多个，呈多行多列矩阵结构排列设置，用于测量烟叶表面固定点的图像数据。

本实用新型的有益效果：

1、本实用新型的柜体结构采用铝合金框架结合周边的双层玻璃，具有保温保湿效果好的优点，且便于从四周观察烟叶颜色变化；通过在柜体顶部设置电磁阀以及管道排风扇，两者同步开启时能欧将柜体内的湿气抽出，需要保湿时，同步关闭即可，其结构设计简单合理，实用性强。

2、本实用新型采用ptc加热片配合吹风扇的方式由柜体底部进行加热，ptc加热片作为加热元件，具有热阻小、换热效率高、不发红、不燃烧、安全可靠的优点，其与吹风扇组合后盖上洞洞板，可以产生均匀向上吹的热风，加热均温性好，能够模拟真实烤房环境。

3、本实用新型设置的两个闷头堵帽，一个可方便的排出烟叶产生的水滴，另一方面便于烘烤过程中对烟叶的取样。

4、本实用新型设置了多组传感器，能够检测柜体内温湿度、烟叶重量变化、颜色变化等信息，以便对烟叶烘烤的各项参数进行统计和控制，且本实用新型的视觉传感器能够采集整片区域烟叶的图像信息，精度高，能够提供有效的试验数据。

附图说明

附图1为本实用新型总体结构示意图；

附图2为本实用新型视觉传感器安装方式示意图；

附图3为本实用新型采集控制系统结构图；

附图4为本实用新型电源电路对应电路图；

附图5为本实用新型加热器对应电路图；

附图6为本实用新型排湿器对应电路图；

附图7为本实用新型视觉传感器对应电路图；

附图8为本实用新型称重传感器对应电路图；

附图9为本实用新型温湿度传感器对应电路图；

附图10为本实用新型gprs模块对应电路图；

附图11为本实用新型单片机相关电路图。

附图中所示标号：

1、柜体；2、侧面闷头堵帽；3、洞洞板；4、ptc加热片；5、吹风扇；6、底部闷头堵帽；7、视觉传感器；8、烟叶挂架；9、称重传感器；10、电磁阀；11、管道排风扇；12、升降电机；13、卷帘；14、竖向轨道；15、水平移动电机；16、导向杆；17、滑块；18、支撑架；19、丝杠。

具体实施方式

结合附图和具体实施例，对本实用新型作进一步说明。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。

如图1～3所示，为本实用新型提供的一种基于机器视觉和烟叶水分监测的烟叶烘烤试验柜结构图，该试验柜的柜体1是由铝合金框架以及设置在铝合金框架周围的双层玻璃搭建组成，采用双层玻璃铝合金框架结构，便于观察烟叶烘烤过程，保温保湿效果好。在柜体1顶部安装全铜线圈自动常闭控制开关电磁阀10，为了保证排湿畅通，在电磁阀10内安装圆形管道排风扇11，需要排湿时，开启电磁阀10，同步开启排风扇11，将烘烤柜内的湿气抽出；需要保湿时，闭合电磁阀10，同步关掉排风扇11，由此实现保湿与排湿。

烟叶在烘烤过程中的重量变化主要是由于水分蒸发，因此，检测烘烤过程中烟叶重量变化即可计算烟叶水分含量变化。本实用新型选用高精度重量传感器全程监测烘烤过程中烟叶重量变化，并以此来自动计算烟叶水分变化情况。在具体的结构设计中，在柜体1内设有一个烟叶挂架8，烟叶挂架8通过称重传感器9悬挂于柜体1顶部，因此称重传感器9的数据变化即可计算出烘烤过程中水分变化。

本实用新型采用“ptc加热片4+吹风扇5”方式为烘烤柜加热。由于烘烤过程中，烟叶会产生水滴，普通的加热材料会有短路危险，所以采用ptc加热片作为加热元件，具有热阻小、换热效率高；不发红、不燃烧、安全可靠；寿命长、省成本等优势。与多个吹风扇5组合在一起放置在柜体1底部，盖上洞洞板3，这样就可以产生热风均匀地向上吹去，模拟真实烤房的环境.

为了方便烘烤过程中对烟叶取样，采用pvc闷头堵帽，内置橡胶密封圈，采用160mm口径，如图1所示的侧面闷头堵帽2；在柜体1底部安装50mmpvc闷头堵帽，以便手动排除柜底积水，如图1所示的底部闷头堵帽6。

本实用新型的视觉传感器有三种选择：

(1)采用灰度传感器，包括一个白色高亮发光二极管和一个光敏电阻，由于发光二极管照射到灰度不同的物体表面返回的光是不同的，光敏电阻接收到不同强度返回光的阻值也不同，从而实现灰度的测试。这种方式价格低、体积小，开发难度小，但是精度不高，容易受环境因素干扰。

(2)采用颜色识别传感器直接测量得到烟叶的rgb比例值，传输给单片机进行数据处理。这种方式价格低、体积小，开发难度小，但是精度不高，容易受环境因素干扰。

(3)采用图像识别传感器采集烟叶图像，这种方式精度高、价格高

上述三种视觉传感器可根据实际使用需求进行选择性使用。

为了采集正片烟叶的外观颜色，本实用新型设计了两种方式：

(1)移动采集烟叶图像

如图2所示，在柜体1内部设有一升降机构，升降机构包括升降电机12、与升降电机12连接卷帘13，在升降电机12作用下卷帘13能够实现升降运动，卷帘13上固定设置一水平移动机构，水平移动机构包括与卷帘13连接的支撑架18，支撑架18上设有水平移动电机15、丝杆19、导向杆16，丝杆19上设有与其螺纹配合的滑块17，滑块17与导向杆16滑动配合，丝杆19一端连接水平移动电机15，可在支撑架18两侧设置竖直轨道14，用于实现支撑架18竖直方向的运动导向，将视觉传感器7安装于滑块17上，在升降机构和水平移动机构的驱动下即可通过视觉传感器7扫描整个区域烟叶的图像信息。这种方式采集精度高，可以节省传感器数量，但是需要设计相应的机械结构。

(2)固定采集烟叶图像

将视觉传感器按照m列n排的方式排列，形成矩阵结构，采集烟叶表面固定点的颜色数值，这种方式适用于价格较低的视觉传感器。

实施例：在本实施例中，用于实现称重的传感器采用通力圆s型称重传感器，量程为0～500公斤，配套供电12v输出0-20ma压力变送器，电磁阀型号为2w-500-50dn50ac220v，带2w1520220v型节能模块；ptc空气加热器为绝缘性半导体陶瓷材质，功率1500w，取样口和排水口采用pvc材质闷头堵帽，口径分别为160mm和50mm；视觉传感器采用pixy2代，采用移动采集烟叶图像的方式，柜体底部铺设洞洞板(尺寸为1米*1米)，模拟烤房内热风流动；用于实现控制的单片机可以选用51、pic、stc和arm等系列(具体型号为stm32f103zet6)；为了实现远程信号传输和控制，本实施例中增加gprs模块，gprs模块采用中国移动出产的gsm/gprs模块(具体型号为m6316)；继电器采用5v和12v两种(具体型号为wxh-3f-5、wxh-3f-12)；温湿度传感器选用数字式温湿度一体传感器(具体型号为sht30)；单片机将烟叶表面颜色和重量测量出来，结合烘烤柜内部温湿度变化，通过“电磁阀+圆形管道排风扇”和“ptc加热片+吹风扇”实现排湿和加热；通过gprs模块远程监控烘烤柜的实时参数和目标参数。

本实施例中，相关的电路图参考图4～11，电路图说明如下：

1、硬件接口说明

(1)电源接口——对应电路图中的p1，输入交流220v电源，作为控制器供电。

(2)加热器接口——对应电路图中的p2，连接ptc加热片4和吹风扇5。

(3)排湿器接口——对应电路中的p3，连接排湿电磁阀10和管道排风扇11。

(4)图像传感器接口——对应电路图中的p4，连接用于检测烟叶不同部位颜色变化。

(5)称重传感器接口——对应电路图中的p5，连接称重传感器9。

(6)温湿度传感器接口——对应电路图中的p6，连接sht30温度传感器。

2、主要元件选型

(1)单片机：stm32f103vet6，意法半导体公司的32位单片。

(2)gprs模块：中国移动公司的m6316模块，是2g网络的gprs通信模块。

3、电路说明

(1)加热器接口(接口为p2)

加热器由ptc加热片4和吹风扇5组成，由于两者同步工作，所以共用一个继电器k1来控制，包括工作和停止两种状态。

工作：继电器k1通电

停止：继电器k1断电

(2)排湿器接口(接口为p3)

排湿器由电磁阀10和管道排风扇11组成，由于两者同步工作，所以共用一个继电器k2来控制，包括工作和停止两种状态。

工作：继电器k2通电

停止：继电器k2断电

(3)采集烟叶颜色(接口为p4)

图像传感器的采用iic通信接口，根据烟叶颜色变化来判断烟叶的烘烤阶段。

(4)采集烟叶重量(接口为p5)

称重传感器的输出信号为电流值，通过采样电阻转换为电压值，根据烟叶重量的变化可以判断烟叶水分丢失率，辅助判断烘烤阶段和烘烤质量。

(5)采集烤房温度和湿度(接口为p6)

采用数字式温湿度一体传感器sht30，i2c通信接口。

(6)与烘烤信息管理平台进行远程通信

gprs通信电路包括m6316模块及附属电路，将烘烤信息发送至信息管理平台，接收信息管理平台发送的指令来控制烘烤过程。