基于图像处理的石英晶体片分选系统

　　1 引言

　　在石英晶体片的生产过程中，要经过切割、研磨等工艺过程，其中一部分石英晶体片会产生崩边、掉碴、裂纹、断裂、划伤等物理缺陷，这样的残片必须筛选出来。目前生产过程中主要是依靠人工，通过目视方法检验石英晶体片存在的缺陷。这种方法存在如下弊端：

　　1) 检验结果不统一。缺陷的形状千差万别，由于人的视觉及思维的差别，对存在的缺陷很难用准确的图形和文字描述，因此既没有行业标准，各企业也没有量化的检验标准，即使是同一个操作人员，两次检验结果也不完全一样。

　　2) 检验结果易受人为因素影响。由于工作枯燥、持续时间长、眼睛容易疲劳，检验完全是凭感觉，检验结果在很大程度上取决于人的精神和身体状态。

　　随着计算机、图像处理、通讯以及控制技术的飞速发展，目前已经具备了改变石英晶体片检验现状的技术基础。笔者研制了一种基于图像处理的光机电一体化石英晶体片分选系统。为石英晶体片品质筛选开辟了新的途径。

　　2 系统工作原理

　　石英晶体片品质分选系统是光机电一体化的高技术设备，采用计算机图像处理技术识别石英晶体片品质，在完成对样本的人工建模后，能自动完成石英晶体片输送、检测、分类，可以完全取代人工检测，大大提高了产品质量。

　　石英晶体片品质分选系统从硬件上分为物料输送、分选机构、图像采集、控制器、电源和电脑主机6个组成单元，如图1所示。从软件上分为控制器软件和图像处理软件包两部分。

    物料输送单元是由振动输料器和驱动电路组成，实现物料的自动输送。其中振动输料器包括圆振和直振两部分，圆振同时也是桶形料仓。在桶壁上有从底到顶的螺旋线形料道，石英晶体片在振动的作用下，沿料道形成连续、整齐的排列运动，最终到达料仓出口。直振的人口与圆振的出口相连，在直振的出口处有一个光电开关，用于检测该位置是否存在石英晶体片。石英晶体片在振动的作用下直线行走，当停止振动时即运动停止。

　　分选机构单元由步进电机、检测盘、分选盘和电磁铁组成。检测盘和分选盘安装在步进电机轴上，由步进电机驱动同步旋转。检测盘和分选盘上都均匀分布了8个孔，分选盘底部带有翻盖，并在翻盖上安装有永久磁钢。当检测盘静止时。直振的出口对准检测盘上的一个孔，石英晶体片可以落入检测盘。同时检测盘上的下一个孔位与光学显微镜头相对应。分选盘静止位置下安装有电磁铁。电磁铁通电后翻盖打开，使该孔内的石英晶体片落入料盒内。

　　图像采集单元由光学显微镜、CCD摄像头和高分辨率图像捕捉卡组成。图像捕捉卡安装在电脑主机中。通过调节光学显微镜的焦距和放大倍数，可以获得满意的图像。CCD摄像头实现图像的光电转换，图像捕捉卡最终完成计算机成像。

　　控制器单元由单片机和USB通信接口、步进电机驱动电路、电磁铁驱动电路、振动盘输料器控制电路等组成。单片机通过USB通信接口接收控制命令和分类命令，从而控制整个系统的机械动作。

　　图像处理软件是基于Windows操作系统的应用软件，具有人机对话、样本生成、图像数字处理、分类及管理全系统的功能。该软件采用VC++语言编写。

　　以一个石英晶体片的分选过程为例，系统工作原理如下：

　　分选机构单元由步进电机、检测盘、分选盘和电磁铁组成。检测盘和分选盘安装在步进电机轴上，由步进电机驱动同步旋转。检测盘和分选盘上都均匀分布了8个孔，分选盘底部带有翻盖，并在翻盖上安装有永久磁钢。当检测盘静止时。直振的出口对准检测盘上的一个孔，石英晶体片可以落入检测盘。同时检测盘上的下一个孔位与光学显微镜头相对应。分选盘静止位置下安装有电磁铁。电磁铁通电后翻盖打开，使该孔内的石英晶体片落入料盒内。

　　图像采集单元由光学显微镜、CCD摄像头和高分辨率图像捕捉卡组成。图像捕捉卡安装在电脑主机中。通过调节光学显微镜的焦距和放大倍数，可以获得满意的图像。CCD摄像头实现图像的光电转换，图像捕捉卡最终完成计算机成像。

　　控制器单元由单片机和USB通信接口、步进电机驱动电路、电磁铁驱动电路、振动盘输料器控制电路等组成。单片机通过USB通信接口接收控制命令和分类命令，从而控制整个系统的机械动作。

　　图像处理软件是基于Windows操作系统的应用软件，具有人机对话、样本生成、图像数字处理、分类及管理全系统的功能。该软件采用VC++语言编写。

　　以一个石英晶体片的分选过程为例，系统工作原理如下：

　　1) 控制器控制直振起振，一个石英晶体片落人检测盘的孔内。直振上的光电信号反馈到控制器，直振停止。

　　2) 步进电机旋转45°，刚落入检测盘的石英晶体片被送到光学显微镜的镜头下，控制器向电脑主机发出定位完成信号。

　　3) 接收到定位完成信号后，电脑主机上的图像处理软件包首先调用摄像程序，拍摄石英晶体片图像。然后电脑主机再向控制器发出摄像完毕信号，调用图像处理程序，按事先制订的规则分类，并将分类结果发送至控制器。

　　4) 控制器接收到摄像完毕信号后启动步进电机。

　　5) 在步进电机旋转过程中，石英晶体片从检测盘落入分选盘。

　　6) 控制器接收到分类结果后，在步进电机停止时，根据分类结果驱动相应的电磁铁，使翻盖打开，石英晶体片落入相应的容器内。

　　在生产中上述步骤是连续、同步的，由于检测盘的运行速度较慢，图像处理基本上是在检测盘运行过程中进行的。而装入石英晶体片、摄像、卸料等动作是在步进电机的每一次停止中实现的。

　　3 系统硬件电路设计

　　硬件电路包括USB接口器件CH375、电磁铁驱动桥路、直振光电信号比较器、单片机P89LPC932以及步进电机驱动器等。

　　步进电机驱动器与步进电机配套使用，本系统选用的驱动器旋转方向可以一次设定，不再更改。驱动信号为脉冲串，脉冲数决定了旋转角度，脉冲频率决定了旋转速率。脉冲输入使得单片机与驱动器的连接非常简单，本系统中单片机的T2定时器设置成自动重装载时间常数的定时器，用以控制脉冲频率。将P1.0设置成自动装载脉冲输出并与T0连接，T0设置成计数器方式，装入输出脉冲数，当其中的计数减为0时，停止P1.0的脉冲输出。

　　电磁铁驱动桥路如图2所示。分选盘的翻盖上镶嵌一个永久磁钢，翻盖本身是靠弹簧施压关闭的。给电磁铁通电使其产生与磁钢相反的磁性，就可打开翻盖。再给电磁铁反向通电，使其产生与磁钢相同的磁性，加快翻盖关闭速度。电磁铁驱动电路采用全桥结构，线圈接在两个桥臂的中点上。当两个输入端中的任意一个为高电平时，使一个桥臂的上半部分和另一个桥臂的下半部分导通，电磁铁动作。当输入端都是低电平时，桥路不关断，电磁铁不动作。

　　控制器与电脑主机的通讯是通过CH375 USB接口电路实现的。为了提高生产效率，希望尽可能提高控制器与电脑主机通讯的实时性，考虑到传输的数据量并不大，采用USB通讯的响应速度可以满足要求。单片机的中断输入INT0接收CH375的INT信号，P1.1输出连接CH375的A0，选择数据／命令方式。T1设置为定时器模式，用于控制电磁铁的导通时间。

　　控制器的中断源分配为：INT0：USB口中断；INT1：直振光电信号；T0：计数器方式，驱动步进电机的脉冲计数；T1：定时器方式，电磁铁导通时间定时。

　　4 控制器软件设计

　　进行控制器软件设计时，考虑到有4个中断源，因此将一些耗时较长的复杂计算、判断等放在主循环程序中。程序采用C51编写、调试，INT0中断(CH375)函数流程如图3所示，T1、T0中断函数流程分别如图4、图5所示。[page]

　　5 图像处理

　　图像处理软件包的作用是通过图像数字处理的方法对石英晶体片进行缺陷检测、分类、统计和显示，并将分类结果发送至控制器。该系统既可以处理矩形石英晶体片，也可以处理圆形石英晶体片，这两种形状不同的石英晶体片的处理流程是不一样的。考虑到图像处理技术属另一门学科，过于详细的叙述会使文章冗长且难以理解，本文仅以圆形石英晶体片的炸心缺陷为例，简单介绍系统是如何对图像进行数字处理，完成分类的。

　　圆形石英晶体片的缺陷主要有：炸心、划痕、阴影、崩边、炸口、断裂等。每一种缺陷都有相应的编码。系统通过对合格品的图像建模，产生一个样本模板。生产过程中每一个石英晶体片的图像都与模板相比较，如果没有差别就是合格品，如果有差别再按不同的判定准则逐一判别，直到产生缺陷编码为止。 本系统采用单色摄像头，所得图像是256级灰度。石英晶体片的完好部分与缺陷部分在灰度等级上存在一定差别，各种不同的缺陷灰度等级也不相同，缺陷有一定的形状、面积并占据某一位置，这些特征都是对石英晶体片检测和分类的依据。

　　炸心缺陷的检测过程如下：

　　1) 边缘检测。使用Prewitt边缘检测法，对圆形石英晶片的实际目标进行边缘检测，然后用相应的门限值进行二值化。将经过二值化后的图像与模板相比较，取出两者都是白色的区域，对这些白色区域进行区域标记，缺陷就保留在其中。

　　2) 面积判别。细小的污点在经过边缘检测之后也会表现为白色区域，为避免对检测产生干扰，首先要检查被标记的区域，保留那些面积大于相应门限值的区域。

　　3) 位置判别。炸心不与边缘连接，所以还要进行位置的判别。判断可能的缺陷区域是否与边缘相连，是否完全处于边缘附近。如果不是，再进行下面的灰度判别。

　　不同的缺陷其灰度等级是不同的，通过对各种缺陷的灰度测定，可以找出相对应的灰度值作为判定缺陷的门限值。实际拍摄的图像灰度与炸心的灰度门限值相比较，高于此值即可判定为炸心。至此，完成了圆形石英晶片内部的炸心缺陷检测。

　　图6为一个圆形石英晶片内部缺陷(炸心)的检测结果，右图中白色线条是检测出的炸心形状和位置，在左图的对应位置上可以看到一条灰度较大的线条，该线条就是炸心的图像显示。

　　6 结束语

　　对石英晶体片品质分选系统进行的大量测试表明，该系统对石英晶体片缺陷的检出率达到100％，错误检出率为0，缺陷分类正确率达到95％，分选速度已经接近人工分选速度。今后的工作是进一步推广应用，并在大量应用的基础上逐步统一缺陷分类，建立行业内公认、量化的缺陷分类标准。