烟箱缺条自动检测器的设计

　　卷烟生产的最后一套工序是烟条装箱打包。据现场多次观察和了解，箱打包机有时会工作混乱，特别是在条打包机生产流量较大或来料不够的情况下，箱打包机的工作不正常，出现缺1～10条烟的情况；为了不损害顾客、经销商及厂家之间的互利关系，烟厂在此岗位派出较多的员工，进行监视，查漏补缺，工人的劳动强度大。经某厂提出要求，笔者设计了烟箱缺条自动检测器。

　　1现有设备及缺陷

　　现有设备检查烟箱缺条与否主要是利用光电探测，其基本原理是将五组发光二极管和光电接收管安装在烟条装箱打包机里面，发光二极管发射光信号，有烟条时二极管发出的光经烟条表面反射到光电接收管。但当有烟条斜放时，可能出现一组发光二极管发出的光被另一组光电接收管接收的情况，该方法无法做出可靠的判断。

　　2电容型烟箱缺条检测器的原理及电路实现

　　2.1基本原理

　　电容传感器能将非电量的变化变换为电容的变化，设计时采用平板电容器，其电容为：(2--1)

　　式中ε是极板间介质的介电常数；s是两块极板对着的有效面积；d是极板间距离。由式(2—1)可见，只要改变d、s、ε三者之一，都可使电容改变。图2—1是交流电桥测量电路，C2是平板电容传感器，其余3个元件参数是已知的。利用电容传感器检测烟箱时，把整个烟箱充当电容器的介质，当烟箱中的烟条数改变时，C2相应改变，并影响交流电桥的输出电压，故可用该方法来制作烟箱缺条检测器。

　　2.2检测器工作原理

　　系统框图如图2—2。仪器整体分为两部分，虚线框为检测部分，其余为数据处理部分。工作过程如下：当有烟箱到来时，接近开关输出高电平，接至单片机位P1.7并启动正弦振荡电路工作，正弦振荡信号加在交流电桥上，输出信号Uo。为保证交流测量电路可靠工作，需在后面加上一级放大器放大隔离，再由精密整流电路整流，由于此处电压较高，需加上取样电路，使输出电压在0～1OV之间。另外单片机P1.0、P1.1、P1.2输出选择信号至电子开关，电子开关将5路信号之一切换到电压频率电路输入端，因输入电压与输出的频率成正比，输出的二值信号激发发光二极管，光信号由光纤传递至光电接收电路，二值信号送人单片机8051的T1计数，数据存人RAM，完毕后P1.3输出高电平，启动电磁铁1，移动5个电容传感器一定距离(小于等于一条烟的宽度)，再重复上面的动作。单片机比较采集到的10个数据和内部的标准数据，若某一数据超出一定的偏差范围，就判断相应的一堆缺条，并从P1.4输出高电平，启动电磁铁2，将烟箱推出流水线。

　　2.3设计制作时采用的技术方法

　　(1)一箱烟分5层10堆，共计50条。为了可靠的判断烟箱缺条与否，若采用一个平行板电容器，有可能会出现如缺一条烟而输出的电压却与不缺烟时的输出电压一样的情况。为了避免这种情况，采用了5个平板式电容传感器，分两次采集10堆烟充当介质时的输出电压，CPU将所得数据进行比较，就可以判断烟包缺条与否。这样设计的第1个好处是利用相邻产品的参数比较接近；第2个好处是将整箱烟较大的整体质量误差，分散为个体较小的质量误差，这些质量上的误差与介质类别、介质有效厚度的改变相比，可以将其忽略不计；第3个好处是可忽略温度变化对电容传感器结构稳定性和介电常数的影响。

　　(2)由于一条卷烟生产线所生产的烟不可能是同一个品牌。为了使烟箱缺条检测器适用于各品牌的缺条检测，设计了一个具有读人标准数据功能的按键。操作者可选择5条质量标准的烟，然后按读人键，单片机便将它作为标准数据；这样避免了繁琐的调试和设置数据。

　　(3)为了消除边缘效应的影响，在电容传感器结构设计时，采用保护环的结构，这也是为什么不直接采用10个电容传感器的原因。#p#分页标题#e#

　　(4)任何一个电容等效为一个电容C和一个漏电阻R的并联，两者组成一个复阻抗加在测量电路中去影响输出，严重时将导致传感器的输出产生缓慢的零点漂移。影响漏电阻R主要是电容传感器的表面电阻，故在设计制作电容传感器时将陶瓷和薄铜片粘在一起，既解决了漏电阻太小的问题又解决了散热的问题。

　　(5)系统只是判断烟箱缺条情况，没有闭合回路控制过程，并考虑到提高系统抗干扰能力，故不用价格较高的A／D转换器，而是用电压频率转换器(V／F)和单片机内部硬件资源，代替A／D转换器采集数据，这样简单方便，成本较低。图2—3是具体的电路，LM331和运放OP—27组成V／F转换器，输入和输出的关系如式(2—2)：(2--2)

　　V／F转换器完成A／D转换功能时，其转换的分辨率与定时器定时的长短和输入脉冲的最大频率有关。8051的定时器T1作计数时，可计数的最高频率为单片机晶体振荡频率的1／24，当foc=12MHz时，外部最高的频率可达500kUz，而图2—3当输入电压为0～1OV时输出的频率为f0=10~10kHz。取最高频率f0=10kHz，则脉冲周期为0.1ms；分辨率为10位，定时时间为210×0.1ms：102.4ms，而定时器T0在工作方式1时为16位定时器，当foc=12MHz时，其最大的定时时间为：tomax=65.536ms，现取定时器T0定时时间为50ms，在软件中设定定时器溢出次数为2次。定时50ms内可计的机器周期数为50000，定时器的初值为3CBOH。模数转换流程如图2--4所示。

　　3使用结果

　　采用模拟实验，在烟箱中模仿缺1～3条烟、烟条斜放等情况，检测器都可以自动识别，效果良好。

　　[参考文献]

　　采用模拟实验,在烟箱中模仿缺1~3条烟、烟条斜放等情况，检测器都可以自动识别，效果良好。

　　[1]赵新民，王祁.智能仪器设计基础[M).哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1999.

　　[2]王幸之，等.单片机应用系统抗干扰技术[M).北京：北京航空航天大学出版社，2000.

　　[3]杨振江.A／D、D/A转换器接口技术与实用线路[M].西安：西安电子科技大学出版社，1996.

　　作者简介：陈文光(1968-)，男，讲师，湖南大学研究生，主要从事电子技术应用方面的研究与教学。