基于光敏器件的投影法藥品包裝檢測(cè)系統(tǒng)研究

李汝山 孫彥萍 顏迎金

（山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，山東淄博255049）

0 引言

在藥品的自動(dòng)包裝過(guò)程中經(jīng)常存在一些包裝缺損或多余的現(xiàn)象，這就需要對(duì)藥品包裝的完整性進(jìn)行檢測(cè)。一般藥廠均采用人工檢測(cè)的方法進(jìn)行檢測(cè)，長(zhǎng)時(shí)間的操作會(huì)耗費(fèi)大量的人力，而且由于人眼會(huì)產(chǎn)生疲勞，其檢測(cè)準(zhǔn)確度也會(huì)隨之降低，檢測(cè)效率很低。近幾年，社會(huì)上出現(xiàn)了一些新的檢測(cè)技術(shù)，不僅加快了藥品包裝檢測(cè)速度，而且提高了檢測(cè)效率。

在目前較為先進(jìn)的基于機(jī)器視覺(jué)的藥品包裝在線檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，本文闡述了基于光敏器件的投影法包裝完整性檢測(cè)技術(shù)的工作原理。此技術(shù)應(yīng)用于藥品生產(chǎn)流水線中，主要針對(duì)外層包裝盒的檢測(cè)，檢測(cè)范圍較為廣泛，使藥品檢測(cè)水平及效率得到了很大提高。

1 系統(tǒng)元件的介紹

1.1 STC89C52單片機(jī)

單片機(jī)是指一個(gè)集成在一塊芯片上的完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，也被稱為微控制器（M icro Controller），它最早被應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。

目前，國(guó)內(nèi)外使用較多的是以51內(nèi)核擴(kuò)展出的單片機(jī)，即通常所說(shuō)的51單片機(jī)。STC89C52單片機(jī)是51系列中的一種帶8K字節(jié)閃爍、可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（Flash Programmable and Erasable Read Only Memory，F(xiàn)PEROM）的低電壓、高性能CMOS8的微處理器。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MSC-51指令集和輸出管腳相兼容。

1.2 光敏電阻

光敏電阻是一種對(duì)光敏感的元件，它的電阻值能隨著外界光照強(qiáng)弱（明暗）的變化而變化。光敏電阻在電路中用字母“R”或者“RL”、“RG”表示。光敏電阻通常由光敏層、玻璃基片（或樹(shù)脂防潮膜）和電極等組成，如圖1所示。

光敏電阻是利用半導(dǎo)體光電導(dǎo)效應(yīng)制成的一種特殊電阻器，對(duì)光線十分敏感。它在無(wú)光照射時(shí)，呈高阻狀態(tài)；當(dāng)有光照射時(shí)，其電阻值迅速減小。光敏電阻的靈敏度易受濕度的影響，因此要將導(dǎo)光電導(dǎo)體嚴(yán)密封裝在玻璃殼體中。如果把光敏電阻連接到外電路中，在外加電壓的作用下，用光照射就能改變電路中電流的大小，其連線電路如圖2所示。

圖1 光敏電阻的結(jié)構(gòu)及外形

圖2 光敏電阻連接到外電路示意圖

光敏電阻具有很高的靈敏度和很好的光譜特性，光譜響應(yīng)包括從紫外區(qū)到紅外區(qū)范圍內(nèi)，而且體積小、重量輕、性能穩(wěn)定、價(jià)格便宜，因此應(yīng)用較為廣泛。

1.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

因?yàn)閺目刂颇K輸出的信號(hào)功率很弱，即使在沒(méi)有其他外在負(fù)載時(shí)也無(wú)法帶動(dòng)電機(jī)，所以在實(shí)際電路中通過(guò)加入電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片可提高輸入電機(jī)信號(hào)的功率，從而能夠根據(jù)需要控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)芯片比較常見(jiàn)的是15腳的L298N，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，可以方便驅(qū)動(dòng)2個(gè)直流電機(jī)或1個(gè)兩相步進(jìn)電機(jī)。

L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，如圖3所示。該芯片采用15腳封裝，其特點(diǎn)有：

圖3 L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

（1）工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V；

（2）輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3 A，持續(xù)工作電流為2 A；

（3）額定功率25W；

（4）內(nèi)含2個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載；

（5）采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制；

（6）具有2個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；

（7）可以外接檢測(cè)電阻，將變化量反饋給控制電路。使用L298N芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，可以驅(qū)動(dòng)1臺(tái)兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)2臺(tái)直流電機(jī)。

圖4為L(zhǎng)298N內(nèi)部原理，OUT1與OUT2與一個(gè)電機(jī)的正負(fù)極相連，OUT3與OUT4與另一個(gè)電機(jī)的正負(fù)極相連，單片機(jī)通過(guò)控制IN1與IN2、IN3與IN4分別控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。ENA與ENB分別控制2個(gè)電機(jī)的使能。

圖4 L298N內(nèi)部原理圖

1.4 數(shù)據(jù)采集元件

1.4.1 74LS148編碼器

圖5為74LS148管腳圖，74LS148為8線－3線優(yōu)先編碼器，共有54/74148和54/74LS148 2種線路結(jié)構(gòu)型式，將8條數(shù)據(jù)線（0～7）進(jìn)行3線（4-2-1）二進(jìn)制（八進(jìn)制）優(yōu)先編碼，即對(duì)最高位數(shù)據(jù)線進(jìn)行譯碼。利用選通輸入端（EI）和選通輸出端（EO）可進(jìn)行八進(jìn)制擴(kuò)展。

圖5 74LS148管腳圖

表1為74LS148功能表。表中，0～7為編碼輸入端（低電平有效）；EI為選通輸入端（低電平有效）；A0、A1、A2為3位二進(jìn)制編碼輸出信號(hào)，即編碼輸出端（低電平有效）；GS為片優(yōu)先編碼輸出端，即寬展端（低電平有效）；EO為選通輸出端，即使能輸出端。

表1 74LS148功能表

1.4.2 74LS138譯碼器

74LS138為3線－8線譯碼器，共有54/74S138和54/74LS138 2種線路結(jié)構(gòu)型式。

圖6 74LS138管腳圖

（3）若將選通端中的一個(gè)作為數(shù)據(jù)輸入端時(shí)，74LS138還可作數(shù)據(jù)分配器。

（4）可用在8086的譯碼電路中擴(kuò)展內(nèi)存。

2 檢測(cè)系統(tǒng)工作原理的介紹

此設(shè)備應(yīng)用在藥品或其他產(chǎn)品的生產(chǎn)線上的工作原理，如圖7所示。

圖7 檢測(cè)裝置

在檢測(cè)系統(tǒng)的上方和左側(cè)分別放置著一個(gè)光源，光源強(qiáng)度不宜過(guò)大，防止光的衍射干擾，在光源前面距透鏡的一倍焦距處分別放置一個(gè)凸透鏡使發(fā)散的光源變?yōu)槠叫泄?，增大檢測(cè)精度。

在檢測(cè)系統(tǒng)的底部和右方分別放置15 cm×15 cm（尺寸大小在此只做參考，可根據(jù)不同的需要加以調(diào)整）的光敏器件（光敏電阻），同時(shí)底部是一個(gè)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)可以360°旋轉(zhuǎn)的圓盤(pán)，當(dāng)產(chǎn)品封裝好后通過(guò)傳送帶或其他設(shè)備運(yùn)送到此設(shè)備的底盤(pán)上。

先打開(kāi)上方的光源，由于產(chǎn)品的遮擋經(jīng)過(guò)透鏡的平行光會(huì)在底部的光敏感應(yīng)區(qū)域產(chǎn)生陰影區(qū)，此時(shí)光敏器件采集信號(hào)即陰影區(qū)的大小反饋給控制器，控制器把采集到的尺寸數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)的尺寸大小進(jìn)行比較，若不符合標(biāo)準(zhǔn)，則通過(guò)設(shè)備前方的風(fēng)機(jī)將產(chǎn)品吹到回收車內(nèi)。

若符合標(biāo)準(zhǔn)，則需對(duì)產(chǎn)品的側(cè)面進(jìn)行檢驗(yàn)：

打開(kāi)左側(cè)的光源，同時(shí)圓盤(pán)以一定的速度開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，隨之引起投影面積大小的變化，在變化的過(guò)程中分別會(huì)出現(xiàn)一個(gè)最大以及最小的面積，位于右側(cè)的光敏傳感器，實(shí)時(shí)地將檢測(cè)到的最小面積數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)最小面積數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

若符合要求，控制器再控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)90°，采集另一個(gè)側(cè)面面積的大小并與另一標(biāo)準(zhǔn)尺寸比較，若不符合標(biāo)準(zhǔn)，則通過(guò)設(shè)備前方的風(fēng)機(jī)將產(chǎn)品吹到回收車內(nèi)。

若符合標(biāo)準(zhǔn)，則通過(guò)左側(cè)光源上方的風(fēng)機(jī)將藥品吹到位于左側(cè)的傳送帶上，回到生產(chǎn)線進(jìn)行其他操作。

在此檢測(cè)過(guò)程中，光敏器件采集的信號(hào)反饋給控制器時(shí)，采用74LS148編碼器將采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)變成單片機(jī)能夠識(shí)別的二進(jìn)制數(shù)。當(dāng)單片機(jī)將接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)分析與處理后，又經(jīng)過(guò)74LS138譯碼器輸出。

3 結(jié)語(yǔ)

包裝檢測(cè)在生活中應(yīng)用廣泛，很多與人們生活息息相關(guān)的產(chǎn)業(yè)都涉及到包裝完整性的檢測(cè)。作為制藥產(chǎn)業(yè)鏈的重要一環(huán)，此項(xiàng)檢測(cè)的高效性對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線的作業(yè)效率有很大的影響。

本文設(shè)計(jì)的投影法檢測(cè)裝置創(chuàng)新性強(qiáng)、檢測(cè)度高，相信能夠在包裝完整性檢測(cè)方面得到廣泛的推廣與應(yīng)用。

［1］張登榮，刁建鋒.淺析藥品包裝的在線檢測(cè)［J］.機(jī)電信息，2005（18）

［2］郭天祥.新概念51單片機(jī)C語(yǔ)言教程：入門(mén)、提高、開(kāi)發(fā)、拓展全攻略［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009