CN109214496A - 非接触式片状物清点计数装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及非接触式片状物清点计数装置及方法。计数装置包括：激光器，聚光凹面镜，机械摆镜，光电转换单元，电信号处理单元，中央处理单元，电源；所述中央处理单元分别与激光器、机械摆镜、光电转换单元、电信号处理单元相连；所述电源为整个装置供电。采用激光扫描引擎，克服了一些光源探测对应用对象清点计数局限性的弱点，扩大了行业领域。

Description

非接触式片状物清点计数装置及方法

技术领域：

本发明涉及模式识别技术领域，具体涉及非接触式片状物清点计数装置及方法。

背景技术：

在工业生产中,有诸多领域都涉及到片状物清点计数工作，如冲压行业，木材加工行业，工业电路板生产，工业塑料板卡制品行业等，需要清点的产品诸如铁板、木板、各种塑料板卡、高速公路通行卡、银行卡等各种材质的片状物品以及板卡。这就形成了工业生产中大量清点计数仪器的需求。目前国内外对片状物计数的仪器设备大致分为两个大类。

第一大类：台式片状物清点装置，这类产品主要是放置在操作台上的，通过将需要清点的产品摆放整齐后放入相应的清点窗口或者位置进行清点，产品需要放置在制定的清点区域，通过拍照后对图像进行分析的方法将片状物的数量计算出来，此类设备需要被清点的产品和摄像头在一定的距离内，由于台式机本身体积比较小，所以对所清点的片状物产品的体积和形状要求较高，对规则形状的产品效果要优于不规则产品。因此台式产品对应用场景和工艺要求太高，使用起来不灵活，使用空间和操作工艺受到很大限制，例如外形较大或者不固定外形的片状产品就无法清点，如出厂的木板，冲压的薄铁板等外形较大的产品。此类产品虽然能够清点部分产品，但是在实际应用中通用性不强，造价使用成本高。

第二大类：手持式装置，目前市场上手持的片状物清点设备主要用于清点塑料板卡类产品，银行卡，门禁卡之类的，就是我们常见的手持接触式数卡器，基本原理是利用短距离红外线发射管发出红外线，再通过另外一个红外线接收器接收信号，信号经过不同介质的表面会有不同的变化，接收过来的数据信息通过设备内部的处理器进行计算、分析识别，从而计算出清点卡片的数量。

常用的手持式数卡器要求被测对象卡片必须要排列整齐，被侧面平整，片与片之间缝隙需要控制得很严格才能正常进行计数清点。如果不平整就会有测量误差，被测产品两端不能要杂物。

同时，手持式激光收发装置来实现信息采集，通常这类激光装置对激光装置和被测对象之间的距离要求很严格，这就要求使用过程中，必须将手持式装置紧贴应用对象划过才能正常进行清点计数。因为测量距离敏感，对被测板卡对象摆放要求更高，由于操作方式要求必须紧贴应用对象匀速划过，这就提高了使用者的操作要求。同时由于需要紧贴被测对象匀速划过这一操作要求，限制了这类装置的应用场景，比如被测对象不易搬动，不容易提供一个整齐的面来供装置平稳划过，不便于装置在上面从头划动到尾；不能有划伤等等，应用对象两端用其他杂物不能实现紧贴匀速划过，比如卡片装在盒子里，盒子高度比卡片要高等应用场景都不适宜此类装置。

发明内容：

本发明为了解决在生产生活中清点片状物计数过程遇到的问题，如应用场景不灵活问题，被清点产品所在环境空间受限问题。

本发明实现的清点计数原理主要是利用激光扫描表面特征，再通过反射光信号接收原理来实现片状物清点的一种设备，整个系统由激光扫描系统和信息处理系统两大部分组成。

具体技术方案如下：

非接触式片状物清点计数装置，包括：激光器，聚光凹面镜，机械摆镜，光电转换单元，电信号处理单元，中央处理单元，电源；所述激光器发出的激光经聚光凹面镜反射后，再经机械摆镜反射，最后照射到被测片状物的侧面；经被测片状物的侧面反射，部分光经机械摆镜反射，再经聚光凹面镜反射后，进入光电转换单元；光电转换单元将信号转换后将光信号转化成电信号，电信号处理单元根据片状物界面弱反射的特征实现清点计数；所述中央处理单元分别与激光器、机械摆镜、光电转换单元、电信号处理单元相连；所述电源为整个装置供电。

优选方案之一，还包括：位于光电转换单元与信号处理单元之间的信号放大电路。该优选方案的进一步优选，所述信号放大电路包括两级放大电路，即：第一级放大电路和第二级放大电路；第一级电路采用AGC电路进行幅值控制，第二级放大电路进行杂波滤除，为后续的信号处理做好准备。

优选方案之二，所述激光器为LED激光管。

优选方案之三，还包括：分别与中央处理单元相连的输入输出单元、显示单元、数据传输单元。该方案的进一步优选，还包括：分别与中央处理单元相连的智能语音报读单元、角度传感器。

在上述装置上实现的非接触式片状物清点计数方法，包括如下过程：

步骤1：中央处理单元启动激光器发出点光源，启动机械摆镜在一定角度范围内摆动；

步骤2：点光源依次经过聚光凹面镜反射、机械摆镜反射，不断的摆动形成线状扫描区，照射到被测片状物的截面及缝隙上；

步骤3：部分激光被反射；

步骤4：反射回来的激光依次通过机械摆镜反射、聚光凹面镜收集聚光，投射到光电转换单元上；

步骤5：光电转换单元将反射回来的光信号转换成电信号；

步骤6：信号处理单元根据电信号的波峰、波谷数量来计算出片状物的数量。

上述非接触式片状物清点计数方法的优选方案，在步骤5、步骤6之间还包括如下过程：

步骤5.1：电信号通过多次放大调理后通过模数转换芯片转换成数字信号，再将数字信号传送给处理单元。

进一步优选方案，在步骤5.1、步骤6之间还包括如下过程：

步骤5.2：原始波形首先要经过放大，放大后设定有效阀值，采用傅里叶变换对波形的幅值进行调整和限定，判断出有效的波形，消去无效的杂波；

步骤5.3：再一次进行数字放大与调整，消去有效波形中的尖峰，凸起的干扰波形，使波形趋向于标准波形，便于计数处理。

先介绍一下本发明的使用方式，首先将片状物摆放整齐，利用激光器发出的点光源通过机械摆镜会往复的在排列好的片状物侧面上照射，形成扫描面，激光在片状物侧面及它们之间的间隙返回来的光通过光电转换单元将接收到的光信号转化成电信号，由于不同物体表面特征不同，从而反射回来的光强度不同，通过光电转化后在数字信号上表现出的信号形式就不同，最终计算出被测片状物的数量。

本发明的积极效果是：

本发明解决了在生产生活中清点片状物计数过程遇到的问题，如应用场景不灵活问题，被清点产品所在环境空间受限问题，被清点物外形不统一问题，特殊外形产品或者是大型产品无法清点等问题。

克服了台式机清点片状物的诸多缺陷，如台式装置需要将应用对象搬到台式装置固定位置上，产品的外形和尺寸大小会受到限制问题。

当前用于清点片状物的手持式装置，需要平稳紧贴匀速划过被测对象的测量面，对操作者要求太高，容易对被测对象造成损伤，对被测对象搬动容易造成片状物产品的片与片之间的划伤，贴紧划过容易对应用对象测量截面造成划伤等，同时随着使用时间和使用频率的增加，对计数仪器本身也会造成损伤。目前这种接触式设备在整个计数清点过程中效率低，由于操作方式的性质决定了现用装置在计算过程中需要做很多配合工作，必然会造成在计数清点过程中使用时间长，清点效率低下的情况；并且在应用场景上只能人工而不能形成自动清点等突出问题，另外由于被测对象盛放装置不同，外部环境不同等因素，造成现有清点计数装置无法实现清点等问题。

使用激光扫描引擎，采用非接触的信息采集方式。克服了使用者往常在使用接触式装置或者台式装置对片状物进行数目统计时损坏应用对象的难题，同时也保护了装置本身的磨损，因为接触式在使用过程中有磨损情况。

采用激光扫描引擎，克服了一些光源探测对应用对象清点计数局限性的弱点，扩大了行业领域，采用线性激光传感器提高了对应用对象尺寸、厚度、颜色以及摆放位置的适应性，配以优良的算法实现更多行业领域的高效、准确的数目统计，同时使用大屏幕显示，智能语音报读，实现了新的计数识别方式，使计数的用户体验彻底改善。

移动性灵活，使用者可以更轻松、方便的进行操作，可手持操作，也可以配合支架固定操作。

附图说明：

图1是本发明装置原理示意图。

图2是实施例中装置信号相互连接示意图。

图3是实施例中两级放大电路示意图；实施例中采集到的反射信号中由于距离不同，反射回来的光强不同，转化为电信号后就会形成不同幅值的信号，为了便于后续处理，本发明采用自动增益控制电路。自动增益控制是指使放大电路的增益自动地随信号强度而调整的自动控制方法，实现这种功能的电路简称AGC环。AGC环是闭环电子电路，是一个负反馈系统，它可以分成增益受控放大电路和控制电压形成电路两部分，增益受控放大电路位于正向放大通路，其增益随控制电压而改变。AGC有两种控制方式：一种是利用增加AGC电压的方式来减小增益的方式叫正向AGC，在本发明中，当设备距离被测物较远的情况下，返回信号较小，需要采用正向增益的方式进行波形调整放大。一种是利用减小AGC电压的方式来减小增益的方式叫反向AGC，在被测物距离设备较近的情况向下，返回信号强度较大，为了使后级便于处理，必须使波形在合理的范围内，此时采用反向增益控制方式进行波形调整。本发明两级放大电路一共采用两级进行处理，如图3所示，第一级主要是采用AGC电路进行幅值控制，通过光电转换单元，将反射回来的光信号转换为电信号，同时通过AGC做调整便于后级分析放大；第二级放大，实现自动增益控制后相关杂波滤除的功能，为后续的信号处理做好准备,也即模数转换器工作做好准备。

图4是实施例中进入两级放大电路前的电信号图；横坐标代表时间，纵坐标代表电压。

图5是实施例中电信号经一级放大后的电信号图；横坐标代表时间，纵坐标代表电压。

图6是实施例中电信号经二级放大后的电信号图；横坐标代表时间，纵坐标代表电压。

图7是实施例中参数设置界面图。

图8是实施例中计数结果显示截面图。

图9是实施例中本发明装置距离被测物体的直线距离示意图；保持本设备与被测物之间的距离约100mm左右。

图10是实施例中本发明装置工作时被测对象两端需要无其它物体的示意图；图中，两端均保留大于20mm的空间无异物。

具体实施方式：

本实施例是以普通纸袋为扫描对象，手持式非接触式片状物清点计数装置。

非接触式片状物清点计数装置，包括：激光器，聚光凹面镜，机械摆镜，光电转换单元，电信号处理单元，中央处理单元，电源，位于光电转换单元与信号处理单元之间的信号放大电路，分别与中央处理单元相连的输入输出单元、显示单元、数据传输单元，智能语音报读单元，角度传感器。

所述激光器为LED激光管。所述信号放大电路包括两级放大电路，即：第一级放大电路和第二级放大电路；第一级电路采用AGC电路进行幅值控制，第二级放大电路进行杂波滤除，为后续的信号处理做好准备。

所述激光器发出的激光经聚光凹面镜反射后，再经机械摆镜反射，最后照射到被测片状物的侧面；经被测片状物的侧面反射，部分光经机械摆镜反射，再经聚光凹面镜反射后，进入光电转换单元；光电转换单元将信号转换后将光信号转化成电信号，电信号处理单元根据片状物界面弱反射的特征实现清点计数；所述中央处理单元分别与激光器、机械摆镜、光电转换单元、电信号处理单元相连；所述电源为整个装置供电。

所述的中央处理单元是构成本发明的核心，也叫核心处理器单元，采用了意法半导体出品的STM32F407IEH6微型处理器作为本发明的核心处理器，协调各单元正常工作，计数清点过程中进行系统过程控制，数据运算，结果校验，接收外围电路反馈的信息，如按键信息，反馈信息结果，控制显示单元显示相关的信息；另外，中央处理单元担负着协调各种外围模块的工作，如显示部分，通讯部分等。

所述显示单元，以一块1.7寸OLED全彩屏液晶为主，作为本发明信息输出窗口，实现高分辨率，智能显示，同时支持双语显示，提供了更好的人机交互方式，与按键配合可以实现参数设定，统计结果显示，设备相关信息等，有助于提高产品实用性，在显示数据的同时可完成数据的语音播报，语音系统介绍参考语音播报单元。

所述输入输出单元，本发明壳体上设置有四个按键:其中功能键有三个，确认键、上键、下键和一个扫描按键，同时扫描按键也是开关按键，设备如果在一定时间内没有动作，设备会进入休眠模式，需要按一下扫描键才能唤醒设备，四个按键区域均与中央处理器单元直接连接，通过外部按键信息反馈给中央处理器单元，通过中央处理器单元的数据处理完成数据设定，功能调整以及各种界面之间的切换等功能。

所述数据传输单元，是采用WIFI模块实现无线通讯功能，主要是配合中央处理单元，完成设备网络接入，信息传输给数据中心的功能，实现设备同生产管理软件互联等。用户可将设备需要的数据上传至存储服务器，也可以将设备接入相关的管理系统，如仓库管理系统，物料管理系统等，实现数据的实时共享。

本实施例的电源使用锂电池供电，使用稳压芯片XC6220A331MR-G做线性稳压，提供3.3V电源供整个系统工作，显示单元和语音单元都单独采用了稳压芯片XC6220A331MR-G做线性稳压，避免对中央处理单元采集信号形成干扰，同时各路电源都可以单独开启关闭，实现电源精准管理，延长单次充电后的使用时间，同时减少对核心器件的老化问题。并配以凌特公司的锂电池充电芯片LTC4054-4.2对本实施例所使用的2000mA/h电池进行充电管理，采用凌特公司提供的LTC2941-1对电池电量进行采集管理。提高本产品使用的灵活性。

所述的智能语音报读单元，是以语音编解码芯片VS1003B与处理单元直接通信，同时与高性能的扬声器连接，在计数过程播报实际数目，用户在使用过程中即使不去看显示屏也会知道所清点应用对象的数量，提高了清点计数效率，同时也使得装置的应用更加的方便快捷。本实施例采用存储芯片W25Q128BV对语音数据进行存储，通过与中央处理器的通讯实现语音输出，并且播报语音的同时在显示屏上也同步显示相关清点计数数据。

本实施例同时采用了角度传感器MPU6050芯片，角度传感器的作用是使设备工作在指定的角度范围内，便于扫描激光的分布，在具体清点计数过程中，可以通过角度传感器采集使用者使用装置的角度，与采集到的激光扫描单元的信息做相互校正修正。防止使用者在使用过程中因为手持或者摆放问题造成计数清点结果不准确等。

在上述装置上实现的非接触式片状物清点计数方法，包括如下过程：

步骤1：中央处理单元启动激光器发出点光源，启动机械摆镜在一定角度范围内摆动；

步骤2：点光源依次经过聚光凹面镜反射、机械摆镜反射，不断的摆动形成线状扫描区，照射到被测片状物的截面及缝隙上；

步骤3：部分激光被反射；

步骤4：反射回来的激光依次通过机械摆镜反射、聚光凹面镜收集聚光，投射到光电转换单元上；

步骤5：光电转换单元将反射回来的光信号转换成电信号；转化后的

步骤5.1：电信号通过多次放大调理后通过模数转换芯片转换成数字信号，再将数字信号传送给处理单元；由于片状物的间距不同、厚度不同、高低不同，体现在波形上就会有各种周期频率等具体参数的变化，如图4所示，波形并没有统一的规律，在数据中包含有效的数据，也包含了干扰数据，图中幅值较小的尖峰脉冲等，接下来需要经过软件滤波，消去无效的干扰波形，同时需要对有效数据波形进行调整；

步骤5.2：原始波形首先要经过放大，放大后设定相应的有效阀值，主要是对波形的幅值进行限定，判断出有效的波形，消去无效的杂波，通过这种算法以后，如图5所示，波形趋向于规律，边界也趋向于明显，波形调整算法中，主要采用快速傅里叶变换，幅值的调整与限定等；波形调整以后已经具备了判定被测物体的条件，此时边界条件也相当的明显，通过幅值比较即可判断出被测物体排列后的边界，以此可计算出整体被测片状物的数量；

步骤5.3：再一次进行数字放大与调整，主要是消去有效波形中的尖峰，凸起等细微的干扰波形，使波形趋向于标准波形，便于数据处理，经过一系列变换以后的波形如图6所示。

步骤6：变换后的最终波形通过计算波峰数量即可获知所清点片状物的数量，每种片状物会有所不同，在所采集的数据当中，复杂表面可以通过计算缝隙来清点片状物的数量，简单表面缝隙细微可以直接清点片状物的数量。

本发明为手持式非接触式片状物清点装置，具体体现为一种手持片状物计数装置，主要功能是在装置和被测对象之间实现不接触清点计数。可以是手持清点装置，也可根据工况配合外部支架实现固定清点设备。根据不同片状物被测对象可以调节激光扫描单元实现多应用场景计数。可以实现0.2mm到50mm的片状物清点计数，单次计数的应用对象码叠高度或者长度在2000mm以上，如图7所示，可根据不同工况设定不同工作参数。

根据设计激光摆动频率每秒大致左右摆动50次，即20ms就会完成一次应用对象全部扫描，处理单元计算一次大致需要30ms，也就是处理器间隔的采用数据，进行运算。多次计数后，各种参数满足报数要求后，得出相应结果，结果显示方式如图8所示，分别为单次测量数量，累计数量以及测量次数信息等等。

本发明装置另外配备了三个按键，分别为A键B键和C键，用来完成设备相关功能的设定，本发明主要工作状态分为清点计数状态，功能设置状态。

在清点计数状态下，A键用来做累计计数，单次计数后，按一下A键，将单次计数结果，累计到累计计数上，同时存储显示相应结果。C键用来清零各种计数结果，按一下C键单次计数结果，累计计数结果，计数次数都清零，同时存储显示相应结果。长按中间键1秒进入功能设置状态。

长按B键设备会进入功能设置状态，在功能设置状态下，A键做为上翻键，C键做为下翻键，B做为选择确认键，通过三个按键可以对装置进行选择设置。

在具体方案中已经陈述过激光扫描的工作过程，设备启动后激光器启动，在设备的测量窗口后会发射出一条红色的激光线，此时的设备处于待工作状态，需要通过人工或者其他形式触发设备开始工作。在本发明中触发形式是清点按钮，在设备的手柄处，使用者将设备发出的激光线对准排列整齐的片状物截面，使激光线能够完整的扫描到被测目标，此时按下测量按钮设备开始进入测量，测量需要大约一秒的时间。

具体操作方式是，按一下本发明装置的手柄处的扫描键启动本装置，待开机画面过后，即可以看到一条红色的激光线，将待清点计数的应用对象整齐摆放好，将激光线打到被测对象上排列好的一侧平面上，确保激光线全部覆盖全部被测对象的边沿，且被测对象两端需要保留大于20mm的空间无异物，如图10所示，保持本设备与被测物之间的距离约100mm左右，按下扫描键，大于1秒，装置清点计数完成，显示单元显示相应结果，同时智能语音播报相应结果。如果激光线扫描位置不正确，装置会一直等待，6秒钟内都激光线都没有按照要求扫描影响应用对象，装置会发出连续两声“滴”然后装置报错，显示相应错误情况。

Claims (9)

1.非接触式片状物清点计数装置，其特征在于，包括：激光器，聚光凹面镜，机械摆镜，光电转换单元，电信号处理单元，中央处理单元，电源；所述激光器发出的激光经聚光凹面镜反射后，再经机械摆镜反射，最后照射到被测片状物的侧面；经被测片状物的侧面反射，部分光经机械摆镜反射，再经聚光凹面镜反射后，进入光电转换单元；光电转换单元将信号转换后将光信号转化成电信号，电信号处理单元根据片状物界面弱反射的特征实现清点计数；所述中央处理单元分别与激光器、机械摆镜、光电转换单元、电信号处理单元相连；所述电源为整个装置供电。

2.根据权利要求1所述非接触式片状物清点计数装置，其特征在于，还包括：位于光电转换单元与信号处理单元之间的信号放大电路。

3.根据权利要求2所述非接触式片状物清点计数装置，其特征在于，所述信号放大电路包括两级放大电路，即：第一级放大电路和第二级放大电路；第一级电路采用AGC电路进行幅值控制，第二级放大电路进行杂波滤除，为后续的信号处理做好准备。

4.根据权利要求1-3任何一项所述非接触式片状物清点计数装置，其特征在于，所述激光器为LED激光管。

5.根据权利要求1-3任何一项所述非接触式片状物清点计数装置，其特征在于，还包括：分别与中央处理单元相连的输入输出单元、显示单元、数据传输单元。

6.根据权利要求5所述非接触式片状物清点计数装置，其特征在于，还包括：分别与中央处理单元相连的智能语音报读单元、角度传感器。

7.在权利要求1所述装置上实现的非接触式片状物清点计数方法，其特征在于，包括如下过程：

步骤1：中央处理单元启动激光器发出点光源，启动机械摆镜在一定角度范围内摆动；

步骤2：点光源依次经过聚光凹面镜反射、机械摆镜反射，不断的摆动形成线状扫描区，照射到被测片状物的截面及缝隙上；

步骤3：部分激光被反射；

步骤4：反射回来的激光依次通过机械摆镜反射、聚光凹面镜收集聚光，投射到光电转换单元上；

步骤5：光电转换单元将反射回来的光信号转换成电信号；

步骤6：信号处理单元根据电信号的波峰、波谷数量来计算出片状物的数量。

8.根据权利要求7所述非接触式片状物清点计数方法，其特征在于，在步骤5、步骤6之间还包括如下过程：

步骤5.1：电信号通过多次放大调理后通过模数转换芯片转换成数字信号，再将数字信号传送给处理单元。

9.根据权利要求7所述非接触式片状物清点计数方法，其特征在于，在步骤5.1、步骤6之间还包括如下过程：

步骤5.2：原始波形首先要经过放大，放大后设定有效阀值，采用傅里叶变换对波形的幅值进行调整和限定，判断出有效的波形，消去无效的杂波；

步骤5.3：再一次进行数字放大与调整，消去有效波形中的尖峰，凸起的干扰波形，使波形趋向于标准波形，便于计数处理。