電容式二維煙箱缺條檢測(cè)系統(tǒng)

楊進(jìn)寶，張盼

（湖南師范大學(xué)工學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410081）

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[1]。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(chēng)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(chēng)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[2-3]。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5×5×2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：

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?chǔ)?、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(guò)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。

圖1 二維檢測(cè)極板結(jié)構(gòu)圖Fig.1Structure of two-dimensional test plate

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(guò)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Σ-Δ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)±4 pF（出廠校準(zhǔn)）。采樣頻率/通頻帶為10 Hz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℃[4]。

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[5]。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(kāi)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(guò)RS232轉(zhuǎn)RS485方式與主控制器進(jìn)行通訊，通過(guò)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。

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(xún)?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(xún)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。

圖2 上位機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2Host computer system structure

圖3 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置前面板Fig.3System parameter setting the front panel

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(mǎn)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(mén)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[6]。

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4Structure of system

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E2PROM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(kāi)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(guò)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(kāi)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(guò)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(guò)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[7]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CIN1+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。

圖5 電容采集單元電路圖Fig.5Diagram of capacitance acquisition unit circuit

2 測(cè)量結(jié)果

圖6給出了5×5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（0.15~0.21 pF）遠(yuǎn)大于列測(cè)量誤差0.03 pF，分辨率達(dá)到23%，行數(shù)據(jù)變化幅度（0.009~0.013 pF）遠(yuǎn)大于行測(cè)量誤差0.002 pF，因此通過(guò)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。

圖6 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)/pF Fig.6Measured data/pF

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(xiāo)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。

[1]陳文光，饒益花，趙立宏.煙箱缺條自動(dòng)檢測(cè)器設(shè)計(jì)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2004（4）：46-47.CHENWen-guang，RAOYi-hua，ZHAOLi-hong.An autodetectorfortobaccopackingboxlackingbars[J].Industrial Instrumentation&Automation，2004（4）：46-47.

[2]汪豐，周平，馬小強(qiáng).基于電容傳感器陣列的煙箱缺條檢測(cè)系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2009（25）：9-11.WANGFeng，ZHOUPing，MAXiao-qiang.Capacitive sensor array based detection system of a shortage in tobacco box[J].Microcomputer Information，2009（25）：9-11.

[3]侯勇剛，張壽明，李燕.稱(chēng)重式煙箱缺條檢測(cè)與自動(dòng)剔除控制系統(tǒng)[J].自動(dòng)化儀表，2008（2）：49-53.HOUYong-gang，ZHANGShou-ming，LIYan.Weighing controlsystemforcarton-missingdetectionandautoremoving in tobacco packing line[J].Process Automation Instrumentation，2008（2）：49-53.

[4]龍海南，張莉莉.AD7745型高精度電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器[J].電子設(shè)計(jì)工程，2006（8）：70-71.LONG Hai-nan，ZHANG Li-li.AD7745 type high-precision capacitance digitizer[J].Electronic Design Engineering，2006（8）：70-71.

[5]林輝，郭艷珠.基于LabVIEW的測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2010（8）：79-81.LIN Hui，GUO Yan-zhu.Design of temperature test system based on LabVIEW[J].Electronic Design Engineering，2010（8）：79-81.

[6]張美琪，胡國(guó)文，周格倫.基于P89V51RD2的功率因數(shù)測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2009（12）：37-40.ZHANG Mei-qi，HU Guo-wen，ZHOU Ge-lun.Design of power factor measurement instrument based on P89V51RD2[J].Electronic Design Engineering，2009（12）：37-40.

[7]董桂華,張壽明.差動(dòng)電容傳感器在卷繞機(jī)偏移量測(cè)量控制中的應(yīng)用[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置,2008（5）：69-70.DONG Gui-hua，ZHANG Shou-ming.The application of differential capacitance sensors to the measurement and control of offset in a winding machine[J].Industrial Instrumentation&Automation，2008（5）：69-70.