０　引言

近年來，稱重檢測係統的應用範圍不斷擴大，它作為一種實時測量物料重量並根據重量自動發出控製信號的檢測係統，廣泛應用於產品包裝、配料等生產過程控製中［１］。

在香煙高速包裝生產線上，條盒缺包檢測是質量控製的重要環節，目前大多使用電容式或電感式接近開關檢測裝置，或者利用負壓式對條盒缺包進行檢測，但接近開關都是通過檢測介質的變化來觸發內部電路，條盒包裝材料的經常變化致使缺包檢測不能正常工作；利用負壓式對條盒缺包進行檢測，在不缺包的情況下，條煙是很規則的長方體，缺包後長方體上或下麵會有缺失，氣壓損失會很大，此方法係統複雜準確性差［２］。本係統采用稱重原理對條盒進行缺包檢測，不依賴香煙的條盒包裝材料變化，準確度高，成本適中。

１　係統組成

該係統主要由稱重平台、稱重控製組件和人機操作界麵三部分組成，係統原理框圖如圖１所示。稱重平台主要由稱重台、稱重傳感器、信號電纜等組成。稱重控製組件由傳感信號處理電路、激勵信號產生及反饋電路、單片機及其外圍電路組成。人機操作界麵由工控板和彩色觸摸顯示器組成。

當條盒通過傳送裝置傳送到稱重台上，稱重台下麵的重量傳感器產生的傳感電壓信號送入稱重控製組件的傳感信號處理電路，傳感信號處理後送入單片機，單片機完成對傳感信號的實時處理並計算出煙條重量值，通過ＣＡＮ總線通信電路發送給人機操作界麵的工控板，工控板即對接收的信號進行比較處理，判斷條盒中是否存在缺包等缺陷，把判斷結果再發送給單片機，單片機向包裝機組控製係統發送相應剔除信號，在剔除口把相應缺陷條盒剔除同時人機操作界麵形成各種與重量相關的信息。整個工作過程中，每一個條煙通過稱重台時，係統都會按順序精確執行以下步驟。

（１）稱重：稱重是在編碼器旋轉至稱重相位時進行的。稱重傳感器在該相位對煙條進行稱重，並將煙條重量值傳輸給控製組件。

（２）計算：當編碼器旋轉至計算相位時，人機操作界麵軟件分析處理稱重控製組件傳來的煙條重量值，以確認是否有缺陷而需要進行剔除。

（３）剔除信號輸出：在剔除信號輸出相位，控製組件接收相應剔除信號，激活單片機及其外圍電路中ＯＵＴ１輸出。

（４）診斷信號輸出：在診斷信號輸出相位，控製組件判斷係統是否出現故障，若存在故障，則激活單片機及其外圍電路中ＯＵＴ２輸出。

２　係統硬件設計

２．１稱重平台

稱重平台中使用的稱重傳感器為電阻應變式稱重傳感器。稱重傳感器是由彈性體、電阻應變片和惠斯登電橋３個主要部分組成的。其工作原理為：（１）被測負荷作用在彈性體上，使彈性體產生相應的彈性變形；（２）通過粘貼在彈性體上的電阻應變片，使彈性體的彈性變形轉換為電阻應變片的阻值變化（增大或者減小）；（３）再通過惠斯登測量電路將電阻應變片電阻的變化，轉換為電信號輸出［３］。惠斯登測量電路可以抑製溫度變化的影響，補償方便，受外界影響小，精度高，工作穩定，使用最為廣泛。稱重台使用６０×３０×２ｃｍ的玻璃樹脂平台，信號電纜為六線製屏蔽線纜。

２．２　稱重控製組件

稱重控製組件硬件部分包括傳感信號處理電路、激勵信號產生及反饋電路、單片機及其外圍電路等。

２．２．１　傳感信號處理電路

稱重傳感器輸出的信號很微弱，傳感信號處理電路是稱重控製組件設計的關鍵電路，如果傳感信號處理電路設計不理想，單片機計算的重量值與實際值就會有偏差。

傳感信號處理電路主要功能是對傳感器送入信號進行濾波、放大、整形處理，最終將傳感信號送入單片機進行分析處理。其主要工作原理為：傳感器送入信號經過兩級電容濾波後進入低失調電壓運算放大器ＩＮＡ１２９Ｕ進行一級信號放大，放大後信號送入運算放大器ＯＰＡ２１３０進行二級信號放大，輸出信號經過ＴＬＣ２２７２運算放大器和模擬開關ＤＧ２０１Ｂ組成的整形處理電路後送入單片機進行處理分析。

２．２．２　激勵信號產生及反饋電路

對於惠斯登電橋測量電路，其輸出電壓穩定性與其工作電源（供橋電源）的性能是密切相關的，要求供橋電源能夠對溫度、時間等因素具有良好的穩定性能。這就需要設計專用的供橋電源以保證電橋測量電路工作的穩定性和測量精度。

激勵信號產生電路主要功能是給稱重傳感器提供有效值為５Ｖ、頻率４．8ｋＨｚ、相位差１８０°的雙路輸出正弦波激勵信號。主要由運算放大器ＯＰＡ２１３０／ＴＬＥ２０６２、模擬開關ＤＧ２０１Ｂ和瞬態電壓抑製管ＳＭＢＪ９．０ＣＡ組成。運算放大器ＯＰＡ２１３０和模擬開關ＤＧ２０１Ｂ組成的電路產生激勵電壓信號，激勵電壓信號送入雙通道運算放大器ＴＬＥ２０６２，ＴＬＥ2０６２雙路輸出有效值為５Ｖ、頻率４．８ｋＨｚ、相位相差１８０°正弦波，雙路激勵電壓信號送入重量傳感器。瞬態電壓抑製管ＳＭＢＪ９．０ＣＡ用於保護稱重傳感器不受瞬態電壓的衝擊而損壞。

激勵信號反饋電路主要功能是實時監測激勵信號是否穩定，如果激勵信號發生變化，激勵信號反饋電路將調整量送入激勵電壓產生電路，實時調整輸出的激勵信號。它主要由運算放大器ＯＰＡ２１３０／ＴＬＥ２０６２／ＴＬ０７２、電壓比較器ＬＭ３３９、模擬開關ＤＧ２０１Ｂ和瞬態電壓抑製管ＳＭＢＪ９．０ＣＡ組成。雙路激勵電壓信號送入運算放大器ＯＰＡ２１３０進行信號跟隨，輸出雙路信號送入運算放大器ＴＬ０７２進行比例放大、信號跟隨，跟隨信號通過模擬開關ＤＧ２０１Ｂ中兩個通道相互配合，輸出調整量送入激勵信號產生電路。

２．２．３　單片機及其外圍電路

單片機及其外圍電路主要負責稱重傳感信號的處理計算、執行人機操作界麵軟件送來的控製命令，單片機及其外圍電路原理框圖如圖２所示。
稱重檢測

單片機及其外圍電路由單片機ＳＡＫ－Ｃ１６７ＣＲ－ＬＭ、Ｆｌａｓｈ存儲器ＡＭ２９Ｆ８００Ｂ、ＳＲＡＭ存儲器Ｋ６Ｘ８０１６Ｃ３Ｂ、ＥＥＰＲＯＭ存儲器ＡＴ２４Ｃ６４Ｂ，編碼信號采集電路，數字輸入輸出電路和ＣＡＮ總線通信電路組成。Ｆｌａｓｈ存儲器存儲稱重控製程序，ＳＲＡＭ存儲器存儲程序運行時的中間變量，ＥＥＰＲＯＭ存儲器存儲參數配置數據。

編碼信號采集電路用於單片機讀取編碼器相位，實現本係統與整個包裝機控製係統的相位同步。本係統采用電源電壓為２４Ｖｄｃ、輸出為ＮＰＮ類型的增量式編碼器，編碼器的３個輸出信號（Ａ、Ｂ、Ｚ）對應的信號采集電路都將采用圖３所示的電路。為了與包裝機控製係統上其它信號兼容，要求輸入信號≤５Ｖ時輸入電路要識別為低電平。此電路為基於比較器ＬＭ３３９的遲滯比較電路，其輸出端為集電極開路輸出，比較器的負端設置的門限電壓為６．５４Ｖ，當輸入電壓低於５．９１Ｖ時ＬＭ３３９輸出端為低電平。發光二極管ＶＤ１用來指示輸入信號狀態。

數字輸入電路主要由光耦ＰＣ３５７、ＢＺＸ８４Ｃ５Ｖ６穩壓管、ＬＬ４１４８二極管組成。外部數字輸入信號經過ＢＺＸ８４Ｃ５Ｖ６穩壓管、ＬＬ４１４８二極管後送入光耦ＰＣ３５７，光耦ＰＣ３５７將信號轉換後輸入單片機。數字輸出電路主要由光耦ＰＣ３５７、非門７4ＨＣ０４、穩壓管ＢＺＸ８４Ｃ５Ｖ６、ＶＮ３４０ＳＰ接口芯片組成。單片機輸出數字信號經過非門７４ＨＣ０４電平翻轉、光耦ＰＣ３５７轉換信號後經過穩壓管ＢＺＸ８４Ｃ５Ｖ６送入ＶＮ３４０ＳＰ接口芯片，ＶＮ３４０ＳＰ接口芯片對輸入信號經過轉換後輸出。

ＣＡＮ總線通信電路主要負責將計算出煙條重量值傳送給人機操作界麵的工控板，以及將讀取機器編碼器相位信息傳送給工控板，實現與機器的同步控製和顯示。ＣＡＮ總線通信電路主要由７４ＨＣ０４非門、光耦ＨＣＰＬ０６０１、ＣＡＮ總線收發器ＰＣＡ８２Ｃ２５１、Ｂ８２７９３扼流圈、ＣＡＮ總線靜電保護管ＰＥＳＤ１ＣＡＮ組成。單片機輸出信號經處理通過光耦ＨＣ－ＰＬ０６０１轉換後送入ＣＡＮ總線收發器ＰＣＡ８２Ｃ２５１，ＣＡＮ總線收發器輸出信號經過Ｂ８２７９３扼流圈和ＣＡＮ總線靜電保護管ＰＥＳＤ１ＣＡＮ後輸出。人機操作界麵輸出控製信號通過此電路送入單片機。

２．３　人機操作界麵

人機操作界麵的硬件主要由兩部分組成，即內裝通訊板卡的工控板和彩色觸摸顯示器，兩者之間通過標準接口相連接。其中，工控板通過ＰＣＩ插槽裝配有ＣＡＮ通訊板卡。工控板內安裝Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ　ＷｉｎｄｏｗｓＸＰ　Ｅｍｂｅｄｄｅｄ操作係統，並在此係統下運行人機操作界麵軟件。人機操作界麵軟件在運行控製過程中，需要與稱重控製組件進行通信、運算和處理數據，並通過圖形或其它的方式在觸摸屏上顯示出來，並且保存運行數據、統計數據和參數設定值。

彩色觸摸顯示器主要用於人機操作界麵軟件的界麵顯示和通過觸摸屏將人機操作信息傳送給工控板，其設計的基本原則包括：界麵條理清晰、完善明了、協調一致、操作簡單方便。為了符合以上要求，本係統采用的是１２．１寸的彩色液晶顯示屏並使用觸摸屏，其分辨率為１０２４×７６８，用戶可以通過顯示屏查看係統運行的相關信息，並可以通過觸摸屏設置係統相關參數。

３　係統軟件設計

３．１　稱重控製組件軟件設計

稱重控製程序主要完成稱重台上物料重量的測量，計算出重量值，通過ＣＡＮ總線傳給工控板進行比較判斷。係統初始化主要完成對單片機進行端口初始化、程序裝載和傳感器接口檢測，傳感器校準主要完成對單位重量值的定標，設置零點主要完成對測量基準點的設定。由於是高速測量，條盒在水平、垂直兩個方向上以一定的速度降落到測量盤上，給傳感器帶來一定的衝擊特性，除在規定的相位區間內進行稱重外，在軟件上還采用濾波及預測補償的動態稱重方法提高其準確度。

３．２　人機操作界麵軟件設計

人機操作界麵作為上位機主要是負責係統的整體控製，其基本功能為實時顯示煙條生產信息和各種統計信息，接受操作人員對係統參數的設置，並通過ＣＡＮ總線接口與稱重控製組件進行通訊。根據接收的重量信號計算判斷條盒是否存在缺陷，如果當前條盒存在缺陷則向控製組件單片機發送命令，告知其在指定的相位向包裝機組控製係統發送剔除信號。人機操作界麵軟件的基本流程如圖６所示。
稱重檢測

人機操作界麵軟件設計采用Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ　Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＸＰＥｍ－ｂｅｄｄｅｄ操作係統作為軟件運行平台，采用Ｃ＋＋語言編寫代碼［４］。人機界麵操作軟件按照模塊化、標準化的要求進行開發，力求做到界麵友善、操作方便、易升級維護，有分級密碼管理，安全性好。應用程序除按照相關的技術規範和通信協議實現ＣＡＮ總線，還要實時獲取包裝機運行狀態信息和各種統計信息，並顯示在屏幕上，提供相關操作頁麵，方便用戶修改機器運行相關的各種參數。

根據項目要求及實現的功能，人機界麵主要包括主頁麵、生產頁麵、重量頁麵、設置頁麵和信息頁麵的設計。主頁麵用於顯示稱重係統概圖及部分參數；生產頁麵用於顯示產量信息、消耗信息、廢品信息和停機信息；重量頁麵用於顯示煙條重量分布、偏差分布；設置頁麵用於設置係統中的各項參數；信息頁麵用於顯示圖紙信息等。在生產控製過程中，為了準確檢測每一條的質量狀況，不產生誤剔、漏剔，實際值與標準值的偏差不是在單一的條盒上得出的，而是例如采用一進一出連續５０條采集運算的方法，求取條盒的標準值。標準值隨生產過程時時更新，判定門限值也隨著改變，克服了係統漂移產生的重量偏差。新的一條煙被認為合格後，係統自動將其重量加入到標準值的計算基準中去，同時計算出新的標準值，用以判斷下條煙是否合格。如新的這條煙被認為不合格，則它將被剔出，這條煙的重量也不會參與標準值計算。

標準值計算方式處理如下，連續合格條煙中的每一條盒的重量為，標準值為，則：

Ａｉ＝（∑i49＋i Ｃｉ）／５０（ｉ＝１，２，…ｎ，ｎ為自然數）（１）

為了直觀地說明該係統的性能，在操作界麵重量頁麵中設計了“重量趨勢圖”。以圖形的形式顯示每條煙實際值與標準值的偏差情況。

４　結論

本文根據香煙高速包裝生產線的工藝流程，設計了包裝生產線稱重檢測係統，對生產過程中的條盒進行在線缺包檢測，不依賴香煙的條盒包裝材料變化，係統穩定性好，檢測準確度高，避免了條盒缺包的質量缺陷，具有較好的市場應用和推廣價值。

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