中心議題：

• 探討電容式二維煙箱缺條檢測係統

解決方案：

• 采用電容檢測法
• 采用飛利浦公司51MX內核的Flash單片機

卷(juan)煙(yan)生(sheng)產(chan)中(zhong)，在(zai)煙(yan)條(tiao)裝(zhuang)箱(xiang)打(da)包(bao)時(shi)，裝(zhuang)箱(xiang)打(da)包(bao)機(ji)在(zai)煙(yan)條(tiao)生(sheng)產(chan)流(liu)量(liang)很(hen)大(da)或(huo)來(lai)料(liao)不(bu)足(zu)時(shi)工(gong)作(zuo)不(bu)正(zheng)常(chang)，常(chang)出(chu)現(xian)煙(yan)箱(xiang)中(zhong)缺(que)條(tiao)現(xian)象(xiang)。為(wei)了(le)能(neng)有(you)效(xiao)地(di)識(shi)別(bie)出(chu)缺(que)條(tiao)箱(xiang)煙(yan)，許(xu)多(duo)卷(juan)煙(yan)廠(chang)在(zai)生(sheng)產(chan)線(xian)上(shang)設(she)有(you)缺(que)條(tiao)檢(jian)測(ce)裝(zhuang)置(zhi)，目(mu)前(qian)煙(yan)箱(xiang)缺(que)條(tiao)檢(jian)測(ce)方(fang)法(fa)包(bao)括(kuo)射(she)線(xian)檢(jian)測(ce)法(fa)
、稱重法、電(dian)容(rong)檢(jian)測(ce)法(fa)等(deng)。這(zhe)些(xie)方(fang)法(fa)能(neng)檢(jian)測(ce)出(chu)缺(que)條(tiao)箱(xiang)煙(yan)來(lai)。但(dan)都(dou)存(cun)在(zai)不(bu)足(zu)之(zhi)處(chu)。由(you)於(yu)煙(yan)草(cao)含(han)水(shui)量(liang)等(deng)不(bu)同(tong)，即(ji)使(shi)同(tong)一(yi)個(ge)品(pin)牌(pai)的(de)煙(yan)箱(xiang)因(yin)自(zi)身(shen)重(zhong)量(liang)變(bian)化(hua)範(fan)圍(wei)在(zai)2％～3％。而一箱中有50條煙，缺一條引起的重量減少2％，處(chu)在(zai)煙(yan)箱(xiang)重(zhong)量(liang)變(bian)化(hua)的(de)正(zheng)常(chang)值(zhi)範(fan)圍(wei)內(nei)，因(yin)此(ci)采(cai)用(yong)稱(cheng)重(zhong)法(fa)無(wu)法(fa)獲(huo)得(de)可(ke)靠(kao)的(de)檢(jian)測(ce)結(jie)果(guo)。射(she)線(xian)檢(jian)測(ce)法(fa)檢(jian)測(ce)可(ke)靠(kao)性(xing)高(gao)，係(xi)統(tong)複(fu)雜(za)，射(she)線(xian)對(dui)人(ren)體(ti)安(an)全(quan)有(you)潛(qian)在(zai)的(de)威(wei)脅(xie)
，使(shi)用(yong)、管guan理li成cheng本ben較jiao高gao。采cai用yong電dian容rong檢jian測ce法fa結jie構gou簡jian單dan，成cheng本ben低di

，但dan采cai用yong一yi維wei電dian容rong陣zhen列lie進jin行xing檢jian測ce
，可ke靠kao性xing不bu高gao
，不bu能neng分fen析xi出chu缺que條tiao位wei置zhi。本ben文wen提ti出chu的de電dian容rong式shi二er維wei煙yan箱xiang缺que條tiao檢jian測ce裝zhuang置zhi，不bu僅jin能neng可ke靠kao地di檢jian測ce出chu缺que條tiao箱xiang煙yan來lai，還hai能neng定ding位wei出chu缺que條tiao的de位wei置zhi，結jie構gou簡jian單dan
，成cheng本ben低di，節jie能neng環huan保bao，安an全quan可ke靠kao。

1 係統構成與實現

1．1 係統測試原理

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麵積
，d是極板間距離。由式(1)可知
，隻要改變ε、s、d中任意一個值，電容值Cjiuhuifashenggaibian。youyuxiangyanyukongqidejiedianchangshuchabiehenda，dangyanxiangzhongchuxianquetiaoshi，zexiangyingweizhidejiedianchangshujiuhuifashengbianhua

，youciyuzhiduiyingdexingdianrongchuanganqiheliedianrongchuanganqishuzhihuifashengbianhua，tongguoerweidianrongzhiyubiaozhunzhizhijiandejisuanbijiao
，keyijiancexiangyanquetiaoqingkuang。

在zai實shi際ji測ce量liang中zhong，由you於yu箱xiang煙yan盒he的de尺chi寸cun大da，平ping板ban電dian容rong器qi間jian的de有you效xiao距ju離li很hen大da，所suo測ce電dian容rong值zhi很hen小xiao，隻zhi有you幾ji個ge皮pi法fa。經jing過guo比bi較jiao，自zi行xing設she計ji的de微wei電dian容rong檢jian測ce電dian路lu噪zao聲sheng大da
，精jing度du不bu高gao，分fen辨bian率lv小xiao，無wu法fa保bao證zheng測ce量liang的de可ke靠kao性xing。而er采cai用yongAD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，工作環境溫度範圍從-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，並且保證了機械強度。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幹擾能力。

1．2 上位機係統結構

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於通用計算機等標準軟硬件資源平台
，構建層次分明、功(gong)能(neng)強(qiang)大(da)且(qie)人(ren)機(ji)界(jie)麵(mian)友(you)好(hao)的(de)測(ce)試(shi)監(jian)控(kong)係(xi)統(tong)

，因(yin)此(ci)在(zai)測(ce)控(kong)領(ling)域(yu)中(zhong)得(de)到(dao)了(le)越(yue)來(lai)越(yue)廣(guang)泛(fan)的(de)應(ying)用(yong)。上(shang)位(wei)機(ji)主(zhu)要(yao)對(dui)接(jie)收(shou)上(shang)來(lai)的(de)數(shu)據(ju)進(jin)行(xing)監(jian)控(kong)
，以(yi)保(bao)證(zheng)係(xi)統(tong)的(de)正(zheng)常(chang)運(yun)行(xing)，並(bing)對(dui)重(zhong)要(yao)的(de)數(shu)據(ju)進(jin)行(xing)及(ji)時(shi)的(de)保(bao)存(cun)。

上位機使用LabVIEW開發平台
，設計出煙箱缺條管理係統。上位機通過RS232轉RS485方式與主控製器進行通訊
，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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上位機係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並控製采樣；
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
、曆史生產報表；
4)鏈接數據庫保存曆史數據
，查詢缺條信息
；
5)對缺條煙箱顯示缺條位置圖樣，報警並向剔除裝置發出剔除控製信號；
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，配合人為幹預提高檢測準確度。

如圖2所示
，上位機煙箱缺條管理平台係統主要包括串口通訊、參數設置、係統報警、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製信號、報警之外
，還將缺條信息存入數據庫中，方便操作人員日後查詢等。圖3為煙箱缺條管理平台的參數設置前麵板圖。

1．3 下位機係統結構

整個下位機係統如圖4所示
，微控製器采用飛利浦公司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。
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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，相同時鍾下速度加倍，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
；內置看門狗和軟件複位功能；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，應用於各種苛刻場合；具有CAN
，I2C，SPI，ADC等多種功能模塊。

整zheng機ji係xi統tong工gong作zuo流liu程cheng，首shou次ci使shi用yong檢jian測ce係xi統tong前qian，管guan理li人ren員yuan需xu要yao登deng錄lu進jin上shang位wei機ji管guan理li平ping台tai采cai集ji未wei缺que條tiao箱xiang煙yan的de標biao準zhun電dian容rong值zhi和he不bu同tong位wei置zhi出chu現xian缺que條tiao時shi對dui應ying電dian容rong特te征zheng值zhi
，並bing測ce量liang多duo次ci，求qiu取qu平ping均jun值zhi
，減jian小xiao采cai集ji誤wu差cha
；然後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。

係統工作時

，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係統，主單片機將通過SPI口依次通知各從機完成對AD7746的(de)初(chu)始(shi)化(hua)

，等(deng)待(dai)采(cai)集(ji)數(shu)據(ju)。當(dang)煙(yan)箱(xiang)的(de)前(qian)一(yi)半(ban)完(wan)全(quan)進(jin)入(ru)到(dao)檢(jian)測(ce)區(qu)域(yu)時(shi)，前(qian)半(ban)箱(xiang)位(wei)置(zhi)檢(jian)測(ce)開(kai)關(guan)將(jiang)輸(shu)出(chu)信(xin)號(hao)給(gei)主(zhu)單(dan)片(pian)機(ji)

，主(zhu)單(dan)片(pian)機(ji)輸(shu)出(chu)信(xin)號(hao)給(gei)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)
，通(tong)過(guo)執(zhi)行(xing)機(ji)構(gou)阻(zu)擋(dang)該(gai)煙(yan)箱(xiang)前(qian)進(jin)，從(cong)機(ji)馬(ma)上(shang)采(cai)集(ji)數(shu)據(ju)；采(cai)集(ji)完(wan)成(cheng)後(hou)將(jiang)數(shu)據(ju)依(yi)次(ci)發(fa)給(gei)主(zhu)單(dan)片(pian)機(ji)。當(dang)後(hou)半(ban)箱(xiang)煙(yan)進(jin)入(ru)檢(jian)測(ce)區(qu)域(yu)時(shi)，接(jie)著(zhe)采(cai)集(ji)後(hou)半(ban)箱(xiang)的(de)數(shu)據(ju)，數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)完(wan)成(cheng)後(hou)
，主(zhu)單(dan)片(pian)機(ji)將(jiang)通(tong)過(guo)算(suan)法(fa)計(ji)算(suan)
，判(pan)斷(duan)該(gai)煙(yan)箱(xiang)是(shi)否(fou)存(cun)在(zai)缺(que)條(tiao)。如(ru)果(guo)檢(jian)測(ce)出(chu)缺(que)條(tiao)煙(yan)箱(xiang)
，則(ze)發(fa)信(xin)號(hao)給(gei)執(zhi)行(xing)機(ji)構(gou)剔(ti)除(chu)此(ci)煙(yan)箱(xiang)，並(bing)將(jiang)缺(que)條(tiao)位(wei)置(zhi)信(xin)息(xi)上(shang)傳(chuan)給(gei)上(shang)位(wei)機(ji)。煙(yan)箱(xiang)缺(que)條(tiao)判(pan)斷(duan)，剔(ti)除(chu)信(xin)號(hao)輸(shu)出(chu)，也(ye)可(ke)由(you)上(shang)位(wei)機(ji)來(lai)完(wan)成(cheng)
，以(yi)提(ti)供(gong)更(geng)加(jia)靈(ling)活(huo)、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。由於環境溫度的不同，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，當數據轉換完成後，單片機進入中斷服務子程序，進行數據處理，從而實現對AD7746的控製。

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)遠大於列測量誤差0.03pF，分辨率達到23％，行數據變化幅度(0．009～0．013pF)遠大於行測量誤差0．002pF，因此通過二維數據檢測，係統能可靠地識別出煙條缺失情況，並且能判斷出缺失的位置。

3 結束語

基ji於yu二er維wei電dian容rong傳chuan感gan器qi陣zhen列lie的de煙yan箱xiang缺que條tiao檢jian測ce係xi統tong結jie構gou簡jian單dan，能neng確que定ding煙yan條tiao缺que失shi位wei置zhi
，顯xian示shi缺que條tiao圖tu樣yang，大da幅fu提ti高gao了le檢jian測ce的de可ke信xin度du，同tong時shi成cheng本ben低di，不bu存cun在zai輻fu射she危wei險xian，適shi合he於yu卷juan煙yan生sheng產chan質zhi量liang控kong製zhi或huo煙yan草cao物wu流liu監jian控kong等deng領ling域yu。有you效xiao地di杜du絕jue了le缺que條tiao煙yan箱xiang流liu入ru市shi場chang，造zao成cheng卷juan煙yan廠chang家jia、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。