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

juanyanshengchanzhong，zaiyantiaozhuangxiangdabaoshi，zhuangxiangdabaojizaiyantiaoshengchanliulianghendahuolailiaobuzushigongzuobuzhengchang，changchuxianyanxiangzhongquetiaoxianxiang。weilenengyouxiaodishibiechuquetiaoxiangyan
，xuduojuanyanchangzaishengchanxianshangsheyouquetiaojiancezhuangzhi，muqianyanxiangquetiaojiancefangfabaokuoshexianjiancefa
、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C就(jiu)會(hui)發(fa)生(sheng)改(gai)變(bian)。由(you)於(yu)香(xiang)煙(yan)與(yu)空(kong)氣(qi)的(de)介(jie)電(dian)常(chang)數(shu)差(cha)別(bie)很(hen)大(da)，當(dang)煙(yan)箱(xiang)中(zhong)出(chu)現(xian)缺(que)條(tiao)時(shi)，則(ze)相(xiang)應(ying)位(wei)置(zhi)的(de)介(jie)電(dian)常(chang)數(shu)就(jiu)會(hui)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)，由(you)此(ci)與(yu)之(zhi)對(dui)應(ying)的(de)行(xing)電(dian)容(rong)傳(chuan)感(gan)器(qi)和(he)列(lie)電(dian)容(rong)傳(chuan)感(gan)器(qi)數(shu)值(zhi)會(hui)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)
，通(tong)過(guo)二(er)維(wei)電(dian)容(rong)值(zhi)與(yu)標(biao)準(zhun)值(zhi)之(zhi)間(jian)的(de)計(ji)算(suan)比(bi)較(jiao)，可(ke)以(yi)檢(jian)測(ce)箱(xiang)煙(yan)缺(que)條(tiao)情(qing)況(kuang)。

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(yong)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。
[page]
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。
[page]
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AD7746dechushihua
，dengdaicaijishuju。dangyanxiangdeqianyibanwanquanjinrudaojiancequyushi

，qianbanxiangweizhijiancekaiguanjiangshuchuxinhaogeizhudanpianji，zhudanpianjishuchuxinhaogeibujindianji
，tongguozhixingjigouzudanggaiyanxiangqianjin
，congjimashangcaijishuju
；caijiwanchenghoujiangshujuyicifageizhudanpianji。danghoubanxiangyanjinrujiancequyushi

，jiezhecaijihoubanxiangdeshuju，shujucaijiwanchenghou，zhudanpianjijiangtongguosuanfajisuan

，panduangaiyanxiangshifoucunzaiquetiao。ruguojiancechuquetiaoyanxiang，zefaxinhaogeizhixingjigoutichuciyanxiang，bingjiangquetiaoweizhixinxishangchuangeishangweiji。yanxiangquetiaopanduan，tichuxinhaoshuchu

，yekeyoushangweijilaiwancheng，yitigonggengjialinghuo、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。