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電容式二維煙箱缺條檢測(cè)系統(tǒng)

發(fā)布時(shí)間:2012-02-16

中心議題:
  • 探討電容式二維煙箱缺條檢測(cè)系統(tǒng)
解決方案:
  • 采用電容檢測(cè)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(lái)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(shí)別出缺條箱煙,許多卷煙廠在生產(chǎn)線上設(shè)有缺條檢測(cè)裝置,目前煙箱缺條檢測(cè)方法包括射線檢測(cè)法、稱重法、電容檢測(cè)法等。這些方法能檢測(cè)出缺條箱煙來(lái)。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(wú)法獲得可靠的檢測(cè)結(jié)果。射線檢測(cè)法檢測(cè)可靠性高,系統(tǒng)復(fù)雜,射線對(duì)人體安全有潛在的威脅,使用、管理成本較高。采用電容檢測(cè)法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本低,但采用一維電容陣列進(jìn)行檢測(cè),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(cè)裝置,不僅能可靠地檢測(cè)出缺條箱煙來(lái),還能定位出缺條的位置,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(cè)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(duì)平行極板,就構(gòu)成了10對(duì)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(duì)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(huì)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(huì)發(fā)生變化,由此與之對(duì)應(yīng)的行電容傳感器和列電容傳感器數(shù)值會(huì)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(cè)箱煙缺條情況。

在實(shí)際測(cè)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(cè)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(cè)電路噪聲大,精度不高,分辨率小,無(wú)法保證測(cè)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(cè)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(cè)電容可直接連在器件的輸入端,其分辨率高達(dá)24位無(wú)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(lái)編程實(shí)現(xiàn)。LabVIEW是圖形化編程語(yǔ)言的典型代表。圖形化編程語(yǔ)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(tái),構(gòu)建層次分明、功能強(qiáng)大且人機(jī)界面友好的測(cè)試監(jiān)控系統(tǒng),因此在測(cè)控領(lǐng)域中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。上位機(jī)主要對(duì)接收上來(lái)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(duì)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(tái),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(duì)煙箱檢測(cè)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(dòng)生成各種實(shí)時(shí)、歷史生產(chǎn)報(bào)表;
4)鏈接數(shù)據(jù)庫(kù)保存歷史數(shù)據(jù),查詢?nèi)睏l信息;
5)對(duì)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(hào);
6)對(duì)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(cè)準(zhǔn)確度。

如圖2所示,上位機(jī)煙箱缺條管理平臺(tái)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(chǔ)、報(bào)表輸出、剔除信號(hào)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(duì)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(hào)、報(bào)警之外,還將缺條信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)中,方便操作人員日后查詢等。圖3為煙箱缺條管理平臺(tái)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。
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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(chǔ)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(jí),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(dòng)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(chǔ)器,應(yīng)用于各種苛刻場(chǎng)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(cè)系統(tǒng)前,管理人員需要登錄進(jìn)上位機(jī)管理平臺(tái)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(duì)應(yīng)電容特征值,并測(cè)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(chǔ)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(cè)區(qū)域時(shí),初始位置檢測(cè)開關(guān)將輸出信號(hào)給主單片機(jī)啟動(dòng)系統(tǒng),主單片機(jī)將通過SPI口依次通知各從機(jī)完成對(duì)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(cè)區(qū)域時(shí),前半箱位置檢測(cè)開關(guān)將輸出信號(hào)給主單片機(jī),主單片機(jī)輸出信號(hào)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(cè)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(cè)出缺條煙箱,則發(fā)信號(hào)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(hào)輸出,也可由上位機(jī)來(lái)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(duì)電容的采樣。由于環(huán)境溫度的不同,需要對(duì)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(duì)AD7746的控制。

2 測(cè)量結(jié)果

圖6給出了5x5煙箱中對(duì)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(cè)量值,其中ABCDE對(duì)應(yīng)5個(gè)列位置測(cè)量值,12345對(duì)應(yīng)5個(gè)行位置測(cè)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(duì)應(yīng)的行數(shù)據(jù)和列數(shù)據(jù)都會(huì)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(cè)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(cè)量誤差0.002pF,因此通過二維數(shù)據(jù)檢測(cè),系統(tǒng)能可靠地識(shí)別出煙條缺失情況,并且能判斷出缺失的位置。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于二維電容傳感器陣列的煙箱缺條檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,能確定煙條缺失位置,顯示缺條圖樣,大幅提高了檢測(cè)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(chǎng),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。
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