- 探討電容式二維煙箱缺條檢測系統(tǒng)
- 采用電容檢測法
- 采用飛利浦公司51MX內(nèi)核的Flash單片機(jī)
卷煙生產(chǎn)中，在煙條裝箱打包時(shí)，裝箱打包機(jī)在煙條生產(chǎn)流量很大或來料不足時(shí)工作不正常，常出現(xiàn)煙箱中缺條現(xiàn)象。為了能有效地識別出缺條箱煙，許多卷煙廠在生產(chǎn)線上設(shè)有缺條檢測裝置，目前煙箱缺條檢測方法包括射線檢測法、稱重法、電容檢測法等。這些方法能檢測出缺條箱煙來。但都存在不足之處。由于煙草含水量等不同，即使同一個(gè)品牌的煙箱因自身重量變化范圍在2％～3％。而一箱中有50條煙，缺一條引起的重量減少2％，處在煙箱重量變化的正常值范圍內(nèi)，因此采用稱重法無法獲得可靠的檢測結(jié)果。射線檢測法檢測可靠性高，系統(tǒng)復(fù)雜，射線對人體安全有潛在的威脅，使用、管理成本較高。采用電容檢測法結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但采用一維電容陣列進(jìn)行檢測，可靠性不高，不能分析出缺條位置。本文提出的電容式二維煙箱缺條檢測裝置，不僅能可靠地檢測出缺條箱煙來，還能定位出缺條的位置，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，節(jié)能環(huán)保，安全可靠。
1 系統(tǒng)構(gòu)成與實(shí)現(xiàn)
1．1 系統(tǒng)測試原理
如圖1所示，煙箱中采用5x5x2的結(jié)構(gòu)排列煙條，在每5條煙兩端設(shè)置一對平行極板，就構(gòu)成了10對平板電容器，其電容為：
C=ε·s／d (1)
式中ε是極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，s是平板電容器兩極板相對的有效面積，d是極板間距離。由式(1)可知，只要改變ε、s、d中任意一個(gè)值，電容值C就會發(fā)生改變。由于香煙與空氣的介電常數(shù)差別很大，當(dāng)煙箱中出現(xiàn)缺條時(shí)，則相應(yīng)位置的介電常數(shù)就會發(fā)生變化，由此與之對應(yīng)的行電容傳感器和列電容傳感器數(shù)值會發(fā)生變化，通過二維電容值與標(biāo)準(zhǔn)值之間的計(jì)算比較，可以檢測箱煙缺條情況。
在實(shí)際測量中，由于箱煙盒的尺寸大，平板電容器間的有效距離很大，所測電容值很小，只有幾個(gè)皮法。經(jīng)過比較，自行設(shè)計(jì)的微電容檢測電路噪聲大，精度不高，分辨率小，無法保證測量的可靠性。而采用AD公司的高精度電容／數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片AD7746是24位數(shù)字輸出的電容值測量芯片，AD7746是一個(gè)具有高分辨率的∑-△型電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC)，被測電容可直接連在器件的輸入端，其分辨率高達(dá)24位無失真碼、最高有效位21位，線性度為±0．01％，精確度高達(dá)±4pF(出廠校準(zhǔn))。采樣頻率／通頻帶為10Hz到90 Hz，具有I2C兼容的串行接口，能在2．7～5．25 V的單電源供電下工作，工作環(huán)境溫度范圍從-40～+125℃。
圖1中，極板的設(shè)計(jì)采用PCB板外敷絕緣陶瓷，減少平板電容的邊緣寄生電容，并且保證了機(jī)械強(qiáng)度。極板與AD7746之間的連接采用SMA屏蔽線，減少寄生電容和提高抗干擾能力。
1．2 上位機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
上位機(jī)軟件采用LabVIEW2009來編程實(shí)現(xiàn)。LabVIEW是圖形化編程語言的典型代表。圖形化編程語言的特點(diǎn)是基于通用計(jì)算機(jī)等標(biāo)準(zhǔn)軟硬件資源平臺，構(gòu)建層次分明、功能強(qiáng)大且人機(jī)界面友好的測試監(jiān)控系統(tǒng)，因此在測控領(lǐng)域中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。上位機(jī)主要對接收上來的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，并對重要的數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)的保存。
上位機(jī)使用LabVIEW開發(fā)平臺，設(shè)計(jì)出煙箱缺條管理系統(tǒng)。上位機(jī)通過RS232轉(zhuǎn)RS485方式與主控制器進(jìn)行通訊，通過上位機(jī)參數(shù)設(shè)置通知下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，記錄缺條信息等。
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上位機(jī)系統(tǒng)主要完成以下任務(wù)：
1)對煙箱檢測下位機(jī)裝置進(jìn)行參數(shù)設(shè)置并控制采樣；
2)采集生產(chǎn)流水線上的煙箱實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；
3)自動生成各種實(shí)時(shí)、歷史生產(chǎn)報(bào)表；
4)鏈接數(shù)據(jù)庫保存歷史數(shù)據(jù)，查詢?nèi)睏l信息；
5)對缺條煙箱顯示缺條位置圖樣，報(bào)警并向剔除裝置發(fā)出剔除控制信號；
6)對正常煙箱和不同位置缺條的煙箱體現(xiàn)在10組電容極板上的數(shù)據(jù)進(jìn)行自學(xué)習(xí)，配合人為干預(yù)提高檢測準(zhǔn)確度。
如圖2所示，上位機(jī)煙箱缺條管理平臺系統(tǒng)主要包括串口通訊、參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)報(bào)警、數(shù)據(jù)存儲、報(bào)表輸出、剔除信號輸出等6大模塊；利用LabVIEW建立與下位機(jī)進(jìn)行串口通訊的子VI，對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，判斷是否發(fā)生缺條。當(dāng)發(fā)生缺條時(shí)，上位機(jī)除了產(chǎn)生剔除控制信號、報(bào)警之外，還將缺條信息存入數(shù)據(jù)庫中，方便操作人員日后查詢等。圖3為煙箱缺條管理平臺的參數(shù)設(shè)置前面板圖。
1．3 下位機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
整個(gè)下位機(jī)系統(tǒng)如圖4所示，微控制器采用飛利浦公司51MX內(nèi)核的Flash單片機(jī)，主單片機(jī)采用P89C51RD2，從單片機(jī)采用P89C669，主機(jī)與從機(jī)之間采用SPI通訊方式，從機(jī)與微電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片AD7746之間采用I2C通訊方式。
PHILIPS公司51MX內(nèi)核的Flash單片機(jī)采用增強(qiáng)型80C51內(nèi)核，最高速度可達(dá)40 MHz；Flash代碼存儲器容量從4～96 kB；片內(nèi)擴(kuò)展RAM：256 B～8 kB；支持6-Clock模式，相同時(shí)鐘下速度加倍，或者相同速度下獲得更低功耗和降低EMI；雙DPTR，有效加快吞吐速度；4個(gè)中斷優(yōu)先級，更好地滿足實(shí)時(shí)性要求；3個(gè)定時(shí)器／計(jì)數(shù)器，支持PWM，PCA功能，定時(shí)器溢出可自動觸發(fā)I／O翻轉(zhuǎn)，免中斷處理；內(nèi)置看門狗和軟件復(fù)位功能；支持ISP／IAP／ICP下載；ALE禁止(降低EMI)；支持掉電喚醒功能(低功耗應(yīng)用)；高可靠性的OTP存儲器，應(yīng)用于各種苛刻場合；具有CAN，I2C，SPI，ADC等多種功能模塊。
整機(jī)系統(tǒng)工作流程，首次使用檢測系統(tǒng)前，管理人員需要登錄進(jìn)上位機(jī)管理平臺采集未缺條箱煙的標(biāo)準(zhǔn)電容值和不同位置出現(xiàn)缺條時(shí)對應(yīng)電容特征值，并測量多次，求取平均值，減小采集誤差；然后將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給主單片機(jī)，主單片機(jī)將其存入到腳ROM存儲器中，作為判斷箱煙是否缺條的參數(shù)。
系統(tǒng)工作時(shí)，當(dāng)煙箱剛進(jìn)入檢測區(qū)域時(shí)，初始位置檢測開關(guān)將輸出信號給主單片機(jī)啟動系統(tǒng)，主單片機(jī)將通過SPI口依次通知各從機(jī)完成對AD7746的初始化，等待采集數(shù)據(jù)。當(dāng)煙箱的前一半完全進(jìn)入到檢測區(qū)域時(shí)，前半箱位置檢測開關(guān)將輸出信號給主單片機(jī)，主單片機(jī)輸出信號給步進(jìn)電機(jī)，通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)阻擋該煙箱前進(jìn)，從機(jī)馬上采集數(shù)據(jù)；采集完成后將數(shù)據(jù)依次發(fā)給主單片機(jī)。當(dāng)后半箱煙進(jìn)入檢測區(qū)域時(shí)，接著采集后半箱的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集完成后，主單片機(jī)將通過算法計(jì)算，判斷該煙箱是否存在缺條。如果檢測出缺條煙箱，則發(fā)信號給執(zhí)行機(jī)構(gòu)剔除此煙箱，并將缺條位置信息上傳給上位機(jī)。煙箱缺條判斷，剔除信號輸出，也可由上位機(jī)來完成，以提供更加靈活、可靠的缺條判斷算法。
1．4 電容數(shù)據(jù)采集單元電路的設(shè)計(jì)
電路設(shè)計(jì)原理圖如圖5所示，電容傳感器一側(cè)的極板經(jīng)SMA屏蔽線接到AD7746的EXCA端，另一側(cè)極板接到CINl+端，實(shí)現(xiàn)對電容的采樣。由于環(huán)境溫度的不同，需要對AD7746進(jìn)行溫度補(bǔ)償，選用RTD接到VIN-和VIN+兩端；AD7746的SCL、SDA分別與從單片機(jī)P89C669的P1．6和P1．7口相連；其中P1．6和P1．7口可以配置成I2C數(shù)字接口，AD7746的／RDY與單片機(jī)的P3．2(／INT0)口相連，當(dāng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成后，單片機(jī)進(jìn)入中斷服務(wù)子程序，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而實(shí)現(xiàn)對AD7746的控制。
2 測量結(jié)果
圖6給出了5x5煙箱中對應(yīng)的10個(gè)電容傳感器在未缺條以及不同位置出現(xiàn)缺條時(shí)的測量值，其中ABCDE對應(yīng)5個(gè)列位置測量值，12345對應(yīng)5個(gè)行位置測量值，其中帶灰色底紋的數(shù)據(jù)為相應(yīng)位置缺失煙條時(shí)二維變化數(shù)據(jù)；從圖中可以看出，當(dāng)出現(xiàn)缺條時(shí)，對應(yīng)的行數(shù)據(jù)和列數(shù)據(jù)都會有明顯的變化；其中列數(shù)據(jù)變化幅度(0．15～0．21pF)遠(yuǎn)大于列測量誤差0.03pF，分辨率達(dá)到23％，行數(shù)據(jù)變化幅度(0．009～0．013pF)遠(yuǎn)大于行測量誤差0．002pF，因此通過二維數(shù)據(jù)檢測，系統(tǒng)能可靠地識別出煙條缺失情況，并且能判斷出缺失的位置。
3 結(jié)束語
基于二維電容傳感器陣列的煙箱缺條檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，能確定煙條缺失位置，顯示缺條圖樣，大幅提高了檢測的可信度，同時(shí)成本低，不存在輻射危險(xiǎn)，適合于卷煙生產(chǎn)質(zhì)量控制或煙草物流監(jiān)控等領(lǐng)域。有效地杜絕了缺條煙箱流入市場，造成卷煙廠家、經(jīng)銷商和消費(fèi)者之間不必要的經(jīng)濟(jì)法律糾紛，甚至嚴(yán)重影響企業(yè)聲譽(yù)的事件發(fā)生，具有廣闊的應(yīng)用前景。
