二維煙箱缺條檢測(cè)技術(shù)研究

針對(duì)煙草流水線上裝箱時(shí)出現(xiàn)的煙箱缺條現(xiàn)象，提出了采用微電容檢測(cè)芯片AD7746構(gòu)成的電容傳感器對(duì)煙箱進(jìn)行二維檢測(cè)。該系統(tǒng)分上位機(jī)和下位機(jī)兩部分，上位機(jī)和下位機(jī)之間采用RS485通訊。上位機(jī)采用LabVIEW編寫(xiě)的煙箱管理軟件；下位機(jī)系統(tǒng)采用主從單片機(jī)結(jié)構(gòu)，主機(jī)采用一片P89C51RD2單片機(jī)，從機(jī)則由十片P89C669單片機(jī)構(gòu)成。測(cè)量結(jié)果表明，系統(tǒng)檢測(cè)效果可靠，具有很好的應(yīng)用前景。

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(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。

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∑-△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(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?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。