- 探討電容式二維煙箱缺條檢測系統
- 采用電容檢測法
- 采用飛利浦公司51MX內核的Flash單片機
卷煙生產中，在煙條裝箱打包時，裝箱打包機在煙條生產流量很大或來料不足時工作不正常，常出現煙箱中缺條現象。為了能有效地識別出缺條箱煙，許多卷煙廠在生產線上設有缺條檢測裝置，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，因此采用稱重法無法獲得可靠的檢測結果。射線檢測法檢測可靠性高，系統復雜，射線對人體安全有潛在的威脅，使用、管理成本較高。采用電容檢測法結構簡單，成本低，但采用一維電容陣列進行檢測，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，結構簡單，成本低，節能環保，安全可靠。
1 系統構成與實現
1．1 系統測試原理
如圖1所示，煙箱中采用5x5x2的結構排列煙條，在每5條煙兩端設置一對平行極板，就構成了10對平板電容器，其電容為：
C=ε·s／d (1)
式中ε是極板間介質的介電常數，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中任意一個值，電容值C就會發生改變。由于香煙與空氣的介電常數差別很大，當煙箱中出現缺條時，則相應位置的介電常數就會發生變化，由此與之對應的行電容傳感器和列電容傳感器數值會發生變化，通過二維電容值與標準值之間的計算比較，可以檢測箱煙缺條情況。
在實際測量中，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，只有幾個皮法。經過比較，自行設計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／數字轉換芯片AD7746是24位數字輸出的電容值測量芯片，AD7746是一個具有高分辨率的∑-△型電容數字轉換器(CDC)，被測電容可直接連在器件的輸入端，其分辨率高達24位無失真碼、最高有效位21位，線性度為±0．01％，精確度高達±4pF(出廠校準)。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，工作環境溫度范圍從-40～+125℃。
圖1中，極板的設計采用PCB板外敷絕緣陶瓷，減少平板電容的邊緣寄生電容，并且保證了機械強度。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 上位機系統結構
上位機軟件采用LabVIEW2009來編程實現。LabVIEW是圖形化編程語言的典型代表。圖形化編程語言的特點是基于通用計算機等標準軟硬件資源平臺，構建層次分明、功能強大且人機界面友好的測試監控系統，因此在測控領域中得到了越來越廣泛的應用。上位機主要對接收上來的數據進行監控，以保證系統的正常運行，并對重要的數據進行及時的保存。
上位機使用LabVIEW開發平臺，設計出煙箱缺條管理系統。上位機通過RS232轉RS485方式與主控制器進行通訊，通過上位機參數設置通知下位機進行數據采集，記錄缺條信息等。
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上位機系統主要完成以下任務：
1)對煙箱檢測下位機裝置進行參數設置并控制采樣；
2)采集生產流水線上的煙箱實時數據；
3)自動生成各種實時、歷史生產報表；
4)鏈接數據庫保存歷史數據，查詢缺條信息；
5)對缺條煙箱顯示缺條位置圖樣，報警并向剔除裝置發出剔除控制信號；
6)對正常煙箱和不同位置缺條的煙箱體現在10組電容極板上的數據進行自學習，配合人為干預提高檢測準確度。
如圖2所示，上位機煙箱缺條管理平臺系統主要包括串口通訊、參數設置、系統報警、數據存儲、報表輸出、剔除信號輸出等6大模塊；利用LabVIEW建立與下位機進行串口通訊的子VI，對接收到的數據進行處理，判斷是否發生缺條。當發生缺條時，上位機除了產生剔除控制信號、報警之外，還將缺條信息存入數據庫中，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設置前面板圖。
1．3 下位機系統結構
整個下位機系統如圖4所示，微控制器采用飛利浦公司51MX內核的Flash單片機，主單片機采用P89C51RD2，從單片機采用P89C669，主機與從機之間采用SPI通訊方式，從機與微電容數字轉換芯片AD7746之間采用I2C通訊方式。
PHILIPS公司51MX內核的Flash單片機采用增強型80C51內核，最高速度可達40 MHz；Flash代碼存儲器容量從4～96 kB；片內擴展RAM：256 B～8 kB；支持6-Clock模式，相同時鐘下速度加倍，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個中斷優先級，更好地滿足實時性要求；3個定時器／計數器，支持PWM，PCA功能，定時器溢出可自動觸發I／O翻轉，免中斷處理；內置看門狗和軟件復位功能；支持ISP／IAP／ICP下載；ALE禁止(降低EMI)；支持掉電喚醒功能(低功耗應用)；高可靠性的OTP存儲器，應用于各種苛刻場合；具有CAN，I2C，SPI，ADC等多種功能模塊。
整機系統工作流程，首次使用檢測系統前，管理人員需要登錄進上位機管理平臺采集未缺條箱煙的標準電容值和不同位置出現缺條時對應電容特征值，并測量多次，求取平均值，減小采集誤差；然后將這些數據發送給主單片機，主單片機將其存入到腳ROM存儲器中，作為判斷箱煙是否缺條的參數。
系統工作時，當煙箱剛進入檢測區域時，初始位置檢測開關將輸出信號給主單片機啟動系統，主單片機將通過SPI口依次通知各從機完成對AD7746的初始化，等待采集數據。當煙箱的前一半完全進入到檢測區域時，前半箱位置檢測開關將輸出信號給主單片機，主單片機輸出信號給步進電機，通過執行機構阻擋該煙箱前進，從機馬上采集數據；采集完成后將數據依次發給主單片機。當后半箱煙進入檢測區域時，接著采集后半箱的數據，數據采集完成后，主單片機將通過算法計算，判斷該煙箱是否存在缺條。如果檢測出缺條煙箱，則發信號給執行機構剔除此煙箱，并將缺條位置信息上傳給上位機。煙箱缺條判斷，剔除信號輸出，也可由上位機來完成，以提供更加靈活、可靠的缺條判斷算法。
1．4 電容數據采集單元電路的設計
電路設計原理圖如圖5所示，電容傳感器一側的極板經SMA屏蔽線接到AD7746的EXCA端，另一側極板接到CINl+端，實現對電容的采樣。由于環境溫度的不同，需要對AD7746進行溫度補償，選用RTD接到VIN-和VIN+兩端；AD7746的SCL、SDA分別與從單片機P89C669的P1．6和P1．7口相連；其中P1．6和P1．7口可以配置成I2C數字接口，AD7746的／RDY與單片機的P3．2(／INT0)口相連，當數據轉換完成后，單片機進入中斷服務子程序，進行數據處理，從而實現對AD7746的控制。
2 測量結果
圖6給出了5x5煙箱中對應的10個電容傳感器在未缺條以及不同位置出現缺條時的測量值，其中ABCDE對應5個列位置測量值，12345對應5個行位置測量值，其中帶灰色底紋的數據為相應位置缺失煙條時二維變化數據；從圖中可以看出，當出現缺條時，對應的行數據和列數據都會有明顯的變化；其中列數據變化幅度(0．15～0．21pF)遠大于列測量誤差0.03pF，分辨率達到23％，行數據變化幅度(0．009～0．013pF)遠大于行測量誤差0．002pF，因此通過二維數據檢測，系統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 結束語
基于二維電容傳感器陣列的煙箱缺條檢測系統結構簡單，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，同時成本低，不存在輻射危險，適合于卷煙生產質量控制或煙草物流監控等領域。有效地杜絕了缺條煙箱流入市場，造成卷煙廠家、經銷商和消費者之間不必要的經濟法律糾紛，甚至嚴重影響企業聲譽的事件發生，具有廣闊的應用前景。
