電容式二維煙箱缺條檢測設(shè)計

針對煙草流水線上裝箱時出現(xiàn)的煙箱缺條現(xiàn)象，提出了采用微電容檢測芯片AD7746構(gòu)成的電容傳感器對煙箱進(jìn)行二維檢測。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。測量結(jié)果表明，系統(tǒng)檢測效果可靠，具有很好的應(yīng)用前景。

卷煙生產(chǎn)中，在煙條裝箱打包時，裝箱打包機(jī)在煙條生產(chǎn)流量很大或來料不足時工作不正常，常出現(xiàn)煙箱中缺條現(xiàn)象。為了能有效地識別出缺條箱煙，許多卷煙廠在生產(chǎn)線上設(shè)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(nèi)，因此采用稱重法無法獲得可靠的檢測結(jié)果。射線檢測法檢測可靠性高，系統(tǒng)復(fù)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(jié)構(gòu)簡單，成本低，但采用一維電容陣列進(jìn)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(jié)構(gòu)簡單，成本低，節(jié)能環(huán)保，安全可靠。

1 系統(tǒng)構(gòu)成與實現(xiàn)

1．1 系統(tǒng)測試原理

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)置一對平行極板，就構(gòu)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(zhì)的介電常數(shù)，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(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，則相應(yīng)位置的介電常數(shù)就會發(fā)生變化，由此與之對應(yīng)的行電容傳感器和列電容傳感器數(shù)值會發(fā)生變化，通過二維電容值與標(biāo)準(zhǔn)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(jīng)過比較，自行設(shè)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(shù)字轉(zhuǎn)換芯片AD7746是24位數(shù)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(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC)，被測電容可直接連在器件的輸入端，其分辨率高達(dá)24位無失真碼、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來編程實現(xiàn)。LabVIEW是圖形化編程語言的典型代表。圖形化編程語言的特點(diǎn)是基于通用計算機(jī)等標(biāo)準(zhǔn)軟硬件資源平臺，構(gòu)建層次分明、功能強(qiáng)大且人機(jī)界面友好的測試監(jiān)控系統(tǒng)，因此在測控領(lǐng)域中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。上位機(jī)主要對接收上來的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，并對重要的數(shù)據(jù)進(jìn)行及時的保存。

上位機(jī)使用LabVIEW開發(fā)平臺，設(shè)計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。

上位機(jī)系統(tǒng)主要完成以下任務(wù)：

1)對煙箱檢測下位機(jī)裝置進(jìn)行參數(shù)設(shè)置并控制采樣；

2)采集生產(chǎn)流水線上的煙箱實時數(shù)據(jù)；

3)自動生成各種實時、歷史生產(chǎn)報表；

4)鏈接數(shù)據(jù)庫保存歷史數(shù)據(jù)，查詢?nèi)睏l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(fā)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(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)提高檢測準(zhǔn)確度。

如圖2所示，上位機(jī)煙箱缺條管理平臺系統(tǒng)主要包括串口通訊、參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)報警、數(shù)據(jù)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(jī)進(jìn)行串口通訊的子VI，對接收到的數(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，上位機(jī)除了產(chǎn)生剔除控制信號、報警之外，還將缺條信息存入數(shù)據(jù)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(shù)設(shè)置前面板圖。