煙箱缺條自動檢測器的設(shè)計

　　卷煙生產(chǎn)的最后一套工序是煙條裝箱打包。據(jù)現(xiàn)場多次觀察和了解，箱打包機有時會工作混亂，特別是在條打包機生產(chǎn)流量較大或來料不夠的情況下，箱打包機的工作不正常，出現(xiàn)缺1～10條煙的情況；為了不損害顧客、經(jīng)銷商及廠家之間的互利關(guān)系，煙廠在此崗位派出較多的員工，進(jìn)行監(jiān)視，查漏補缺，工人的勞動強度大。經(jīng)某廠提出要求，筆者設(shè)計了煙箱缺條自動檢測器。

　　1、現(xiàn)有設(shè)備及缺陷

　　現(xiàn)有設(shè)備檢查煙箱缺條與否主要是利用光電探測，其基本原理是將五組發(fā)光二極管和光電接收管安裝在煙條裝箱打包機里面，發(fā)光二極管發(fā)射光信號，有煙條時二極管發(fā)出的光經(jīng)煙條表面反射到光電接收管。但當(dāng)有煙條斜放時，可能出現(xiàn)一組發(fā)光二極管發(fā)出的光被另一組光電接收管接收的情況，該方法無法做出可靠的判斷。

　　2、電容型煙箱缺條檢測器的原理及電路實現(xiàn)

　　2.1基本原理

　　電容傳感器能將非電量的變化變換為電容的變化，設(shè)計時采用平板電容器，其電容為：(2--1)

　　式中ε是極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；s是兩塊極板對著的有效面積；d是極板間距離。由式(2—1)可見，只要改變d、s、ε三者之一，都可使電容改變。圖2—1是交流電橋測量電路，C2是平板電容傳感器，其余3個元件參數(shù)是已知的。利用電容傳感器檢測煙箱時，把整個煙箱充當(dāng)電容器的介質(zhì)，當(dāng)煙箱中的煙條數(shù)改變時，C2相應(yīng)改變，并影響交流電橋的輸出電壓，故可用該方法來制作煙箱缺條檢測器。

　　2.2檢測器工作原理

　　系統(tǒng)框圖如圖2—2。儀器整體分為兩部分，虛線框為檢測部分，其余為數(shù)據(jù)處理部分。工作過程如下：當(dāng)有煙箱到來時，接近開關(guān)輸出高電平，接至單片機位P1.7并啟動正弦振蕩電路工作，正弦振蕩信號加在交流電橋上，輸出信號Uo。為保證交流測量電路可靠工作，需在后面加上一級放大器放大隔離，再由精密整流電路整流，由于此處電壓較高，需加上取樣電路，使輸出電壓在0～1OV之間。另外單片機P1.0、P1.1、P1.2輸出選擇信號至電子開關(guān)，電子開關(guān)將5路信號之一切換到電壓頻率電路輸入端，因輸入電壓與輸出的頻率成正比，輸出的二值信號激發(fā)發(fā)光二極管，光信號由光纖傳遞至光電接收電路，二值信號送人單片機8051的T1計數(shù)，數(shù)據(jù)存人RAM，完畢后P1.3輸出高電平，啟動電磁鐵1，移動5個電容傳感器一定距離(小于等于一條煙的寬度)，再重復(fù)上面的動作。單片機比較采集到的10個數(shù)據(jù)和內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，若某一數(shù)據(jù)超出一定的偏差范圍，就判斷相應(yīng)的一堆缺條，并從P1.4輸出高電平，啟動電磁鐵2，將煙箱推出流水線。

　　2.3設(shè)計制作時采用的技術(shù)方法

　　(1)一箱煙分5層10堆，共計50條。為了可靠的判斷煙箱缺條與否，若采用一個平行板電容器，有可能會出現(xiàn)如缺一條煙而輸出的電壓卻與不缺煙時的輸出電壓一樣的情況。為了避免這種情況，采用了5個平板式電容傳感器，分兩次采集10堆煙充當(dāng)介質(zhì)時的輸出電壓，CPU將所得數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，就可以判斷煙包缺條與否。這樣設(shè)計的第1個好處是利用相鄰產(chǎn)品的參數(shù)比較接近；第2個好處是將整箱煙較大的整體質(zhì)量誤差，分散為個體較小的質(zhì)量誤差，這些質(zhì)量上的誤差與介質(zhì)類別、介質(zhì)有效厚度的改變相比，可以將其忽略不計；第3個好處是可忽略溫度變化對電容傳感器結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和介電常數(shù)的影響。

　　(2)由于一條卷煙生產(chǎn)線所生產(chǎn)的煙不可能是同一個品牌。為了使煙箱缺條檢測器適用于各品牌的缺條檢測，設(shè)計了一個具有讀人標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)功能的按鍵。操作者可選擇5條質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的煙，然后按讀人鍵，單片機便將它作為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)；這樣避免了繁瑣的調(diào)試和設(shè)置數(shù)據(jù)。

　　(3)為了消除邊緣效應(yīng)的影響，在電容傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計時，采用保護(hù)環(huán)的結(jié)構(gòu)，這也是為什么不直接采用10個電容傳感器的原因。

　　(4)任何一個電容等效為一個電容C和一個漏電阻R的并聯(lián)，兩者組成一個復(fù)阻抗加在測量電路中去影響輸出，嚴(yán)重時將導(dǎo)致傳感器的輸出產(chǎn)生緩慢的零點漂移。影響漏電阻R主要是電容傳感器的表面電阻，故在設(shè)計制作電容傳感器時將陶瓷和薄銅片粘在一起，既解決了漏電阻太小的問題又解決了散熱的問題。

　　(5)系統(tǒng)只是判斷煙箱缺條情況，沒有閉合回路控制過程，并考慮到提高系統(tǒng)抗干擾能力，故不用價格較高的A／D轉(zhuǎn)換器，而是用電壓頻率轉(zhuǎn)換器(V／F)和單片機內(nèi)部硬件資源，代替A／D轉(zhuǎn)換器采集數(shù)據(jù)，這樣簡單方便，成本較低。圖2—3是具體的電路，LM331和運放OP—27組成V／F轉(zhuǎn)換器，輸入和輸出的關(guān)系如式(2—2)：(2--2)

　　V／F轉(zhuǎn)換器完成A／D轉(zhuǎn)換功能時，其轉(zhuǎn)換的分辨率與定時器定時的長短和輸入脈沖的最大頻率有關(guān)。8051的定時器T1作計數(shù)時，可計數(shù)的最高頻率為單片機晶體振蕩頻率的1／24，當(dāng)foc=12MHz時，外部最高的頻率可達(dá)500kUz，而圖2—3當(dāng)輸入電壓為0～1OV時輸出的頻率為f0=10~10kHz。取最高頻率f0=10kHz，則脈沖周期為0.1ms；分辨率為10位，定時時間為210×0.1ms：102.4ms，而定時器T0在工作方式1時為16位定時器，當(dāng)foc=12MHz時，其最大的定時時間為：tomax=65.536ms，現(xiàn)取定時器T0定時時間為50ms，在軟件中設(shè)定定時器溢出次數(shù)為2次。定時50ms內(nèi)可計的機器周期數(shù)為50000，定時器的初值為3CBOH。模數(shù)轉(zhuǎn)換流程如圖2--4所示。

　　3、使用結(jié)果

　　采用模擬實驗，在煙箱中模仿缺1～3條煙、煙條斜放等情況，檢測器都可以自動識別，效果良好。