電容式二維煙箱缺條檢測設計

針對煙草流水線(xiàn)上裝箱時(shí)出現的煙箱缺條現象，提出了采用微電容檢測芯片AD7746構成的電容傳感器對煙箱進(jìn)行二維檢測。該系統分上位機和下位機兩部分，上位機和下位機之間采用RS485通訊。上位機采用LabVIEW編寫(xiě)的煙箱管理軟件；下位機系統采用主從單片機結構，主機采用一片P89C51RD2單片機，從機則由十片P89C669單片機構成。測量結果表明，系統檢測效果可靠，具有很好的應用前景。

卷煙生產(chǎn)中，在煙條裝箱打包時(shí)，裝箱打包機在煙條生產(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(chǎng)在生產(chǎn)線(xiàn)上設有缺條檢測裝置，目前煙箱缺條檢測方法包括射線(xiàn)檢測法、稱(chēng)重法、電容檢測法等。這些方法能檢測出缺條箱煙來(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，因此采用稱(chēng)重法無(wú)法獲得可靠的檢測結果。射線(xiàn)檢測法檢測可靠性高，系統復雜，射線(xiàn)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(jiǎn)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(lái)，還能定位出缺條的位置，結構簡(jiǎn)單，成本低，節能環(huán)保，安全可靠。

1 系統構成與實(shí)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(zhì)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(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差別很大，當煙箱中出現缺條時(shí)，則相應位置的介電常數就會(huì )發(fā)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(huì )發(fā)生變化，通過(guò)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(shí)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(gè)皮法。經(jīng)過(guò)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(wú)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(gè)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(wú)失真碼、最高有效位21位，線(xiàn)性度為±0．01％，精確度高達±4pF(出廠(chǎng)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(huán)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(xiàn)，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(lái)編程實(shí)現。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(lǐng)域中得到了越來(lái)越廣泛的應用。上位機主要對接收上來(lái)的數據進(jìn)行監控，以保證系統的正常運行，并對重要的數據進(jìn)行及時(shí)的保存。

上位機使用LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺，設計出煙箱缺條管理系統。上位機通過(guò)RS232轉RS485方式與主控制器進(jìn)行通訊，通過(guò)上位機參數設置通知下位機進(jìn)行數據采集，記錄缺條信息等。

上位機系統主要完成以下任務(wù)：

1)對煙箱檢測下位機裝置進(jìn)行參數設置并控制采樣；

2)采集生產(chǎn)流水線(xiàn)上的煙箱實(shí)時(shí)數據；

3)自動(dòng)生成各種實(shí)時(shí)、歷史生產(chǎn)報表；

4)鏈接數據庫保存歷史數據，查詢(xún)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(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在10組電容極板上的數據進(jìn)行自學(xué)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(jìn)行串口通訊的子VI，對接收到的數據進(jìn)行處理，判斷是否發(fā)生缺條。當發(fā)生缺條時(shí)，上位機除了產(chǎn)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(xún)等。圖3為煙箱缺條管理平臺的參數設置前面板圖。