胡 越

摘 要:詳細(xì)介紹藥品包裝檢測(cè)系統(tǒng)的硬件構(gòu)架以及軟件編寫。并以傳感器原理以及特性為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)光纖傳感器檢測(cè)方案,并在性能、價(jià)格上對(duì)解決方案進(jìn)行了創(chuàng)新與改進(jìn),即使用反射式紅外傳感器探測(cè)。系統(tǒng)采用AVR系列MCU,驅(qū)動(dòng)電路選用MC1413芯片。為了方便現(xiàn)場(chǎng)程序調(diào)試,主板上設(shè)有ISP下載口;為了方便與車間控制間的計(jì)算機(jī)通訊,主板上設(shè)有RS 232串口。實(shí)踐證明,該系統(tǒng)具有很好的檢測(cè)效果。

關(guān)鍵詞:傳感器;監(jiān)測(cè)控制;單片機(jī);AVR;MCU;ISP;RS 232

中圖分類號(hào):TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2009)21-207-03

Detecting Control System for Capsule Packaging

HU Yue

(Information College,East China Normal University,Shanghai,201824,China)

Abstract:The entire hardware and software of this detecting system are introduced in detail.Based on theories and characteristics of sensors,a way of using optical fiber sensor is designed.Considering the capability and price,the measure-using reflection type infrared sensor is improved.Using AVR series MCU and the chip(MC1413) for drive circuit.For the convenience of spot program debugging and the communication with console of the workshop,ISP download interface and RS 232 serial port are given.It proves that the system has good effect of detection.

Keywords:sensor;monitoring control;single chip computer;AVR;MCU;ISP;RS 232

0 引 言

上海華大集團(tuán)華愛食品有限公司生產(chǎn)的藥品膠囊出口遠(yuǎn)銷日本。出口的藥品包裝規(guī)格以10小袋裝一盒,每小袋中三粒膠囊。但是在生產(chǎn)過程中,由于包裝機(jī)的原因,每小袋中的膠囊顆數(shù)并不是嚴(yán)格的三粒,偶有2或4粒封裝,故日方以質(zhì)量不合格為由,將藥品全部退回。為解決上述問題,特設(shè)計(jì)藥品膠囊包裝的質(zhì)量檢測(cè)控制系統(tǒng)。

工廠的生產(chǎn)流水線上,有一臺(tái)自動(dòng)包裝機(jī),機(jī)器的料斗上盛有大量藥品膠囊,料斗轉(zhuǎn)盤斜面的最低處有3個(gè)漏藥孔。料斗與水平面成一傾斜角度,由底部馬達(dá)產(chǎn)生的振蕩使得膠囊經(jīng)由3個(gè)小孔落下。由于設(shè)備的非人工操作性,藥品的多漏與卡殼都會(huì)造成包裝質(zhì)量的不合格。為在短時(shí)間內(nèi)判斷膠囊裝入的數(shù)目,并對(duì)不合格包裝小袋進(jìn)行剔除以及報(bào)警操作,采用反射式紅外傳感器與光纖傳感器兩種不同的方案有效監(jiān)視漏孔漏下藥品的顆粒數(shù)。

如何才能在短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確地測(cè)得膠囊的顆粒數(shù)目得出了以下幾種解決方案:稱重;透射式傳感器探測(cè);反射式傳感器探測(cè)。由于重力加速度的存在以及時(shí)間的限制,若采取第一種方案在技術(shù)上是很難實(shí)現(xiàn)的;由于膠囊呈半透明狀,若采用第二種方案(透射式傳感器)監(jiān)測(cè),由傳感器光源產(chǎn)生的光線就極有可能會(huì)穿過膠囊而到達(dá)接收端,從而造成誤判;故采用反射式傳感器監(jiān)測(cè),這里所討論的是兩種反射式傳感器:漫反射式光纖傳感器和反射式紅外光電傳感器。另外,為了準(zhǔn)確地剔除不合格包裝小袋,還需要一個(gè)同步信號(hào),設(shè)計(jì)采用霍爾傳感器提供同步信號(hào)給單片機(jī)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)檢測(cè)框圖

系統(tǒng)檢測(cè)框圖如圖1所示。

1.2 單片機(jī)主板硬件設(shè)計(jì)

單片機(jī)主板設(shè)計(jì)思路如下:

(1) 為了提高系統(tǒng)的性價(jià)比,完成同樣的功能,單片機(jī)芯片使用Atmel公司生產(chǎn)的MEG-8L;

(2) 單片機(jī)的輸入由兩部分組成:一部分是由光纖傳感器產(chǎn)生的脈沖信號(hào),另一部分是由霍爾傳感器產(chǎn)生的同步信號(hào),旨在計(jì)算從包裝到剔除的時(shí)間差從而進(jìn)行準(zhǔn)確的剔除;

(3)為了體現(xiàn)單片機(jī)在線編譯的優(yōu)越性,主板上設(shè)計(jì)了ISP接口,同時(shí)為了方便客戶端與計(jì)算機(jī)的通信,主板上設(shè)計(jì)了RS 232接口。

1.3 部分電路設(shè)計(jì)

1.3.1 信號(hào)輸入電路設(shè)計(jì)

傳感器檢測(cè)在外部,信號(hào)輸入描述如下:

(1) 插頭的3號(hào)引腳接12 V電源,為外部光纖探測(cè)提供電源;

(2) 由于光纖傳感器和霍爾傳感器均為集電極開路,若要使其正常工作需外部上拉電阻R1;

(3) R2是限流電阻,為信號(hào)的輸入提供一個(gè)緩沖作用;

(4) 由于傳感器輸入的是0,1信號(hào),穩(wěn)壓二極管保護(hù)單片機(jī)的I/O口以免被高電平燒壞;

(5) 退耦電容的作用是濾波,消除外界干擾。

1.3.2 電路主板驅(qū)動(dòng)MC1413

為了驅(qū)動(dòng)外部執(zhí)行電路,選用MC1413,其內(nèi)部有7個(gè)相連的NPN達(dá)林頓管。

1.3.3 外部執(zhí)行電路的設(shè)計(jì)

由于本系統(tǒng)應(yīng)用在工業(yè)控制中的,對(duì)可靠性以及抗干擾性的要求很高,普通的繼電器對(duì)電磁干擾非常敏感,經(jīng)常造成系統(tǒng)上電就死機(jī)的狀況。選用固態(tài)繼電器,有以下幾點(diǎn)原因:

(1) DC輸入AC輸出,且有很強(qiáng)的帶負(fù)載能力,最大輸出電流可達(dá)2 A,最大輸出交流電壓可達(dá)250 V;

(2) 高壽命,高可靠:SSR沒有機(jī)械零部件,有固體器件完成觸點(diǎn)功能,能在高沖擊,振動(dòng)的環(huán)境下工作;

(3) 靈敏度高,控制功率小,電磁兼容性好;

(4) 快速轉(zhuǎn)換:切換速度可從幾毫秒至幾微秒;

(5) 電磁干擾小:固態(tài)繼電器沒有輸入“線圈”,因而減少了電磁干擾。

大多數(shù)交流輸出固態(tài)繼電器是一個(gè)零電壓開關(guān),在零電壓處導(dǎo)通,零電流處關(guān)斷,減少了電流波形的突然中斷,從而減少了開關(guān)瞬態(tài)效應(yīng)。

外部執(zhí)行電路還包括蜂鳴器,紅色LED用來指示通過膠囊顆粒數(shù)目正確與否,膠囊數(shù)目錯(cuò)誤時(shí)紅色LED閃爍,白色LED用來顯示通過任何一個(gè)小孔的膠囊是否被單片機(jī)感應(yīng)到,如若被單片機(jī)感測(cè)到,則白色LED亮,若沒有膠囊通過,白色LED不亮。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下,將外部電磁手推桿以220 V交流白幟燈泡代替,測(cè)試電路的可靠性能。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件設(shè)計(jì)流程圖

軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。

2.2 系統(tǒng)初始化

初始化包含的內(nèi)容如下所示:

(1) 看門狗程序啟動(dòng):防止死機(jī)

AVR的看門狗既是軟狗又是硬狗,如果熔絲位不設(shè)定,就是軟狗,因?yàn)槌绦蚩梢躁P(guān)閉也可以打開;如果熔絲位設(shè)定了,就是硬狗,因?yàn)槌绦蛑豢梢郧宄?而無法打開或關(guān)閉。需要特別說明的是:使能看門狗不能用“|=”,必須要直接賦值“=”。

(2) 電壓檢測(cè)

當(dāng)電源電壓降至過低,需要進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位,防止在低壓狀態(tài)下電路進(jìn)行誤操作,或?qū)⒎且资源鎯?chǔ)單元的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤改寫,造成數(shù)據(jù)丟失。因此需要電源電壓檢測(cè)電路判斷電源電壓值,來決定是否進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位。

(3) 定時(shí)器初始化

欲判定膠囊通過的顆粒數(shù),不僅需要測(cè)定產(chǎn)生的脈沖數(shù)目,而且要測(cè)定一粒膠囊通過小孔的時(shí)間。因?yàn)槿缛魞闪；蛘吒嗔Ｄz囊連續(xù)通過小孔的話,只憑脈沖數(shù)目是無法準(zhǔn)確探測(cè)膠囊顆粒數(shù)的,故在開機(jī)時(shí)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行定時(shí)器的初始化。

2.3 判斷膠囊數(shù)目

光纖傳感器當(dāng)有藥片經(jīng)過時(shí),會(huì)產(chǎn)生一個(gè)由高到低的脈沖,要準(zhǔn)確判定先要檢測(cè)脈沖數(shù)目(通過讀PORTD口來確定),當(dāng)確定是三個(gè)脈沖時(shí),繼續(xù)進(jìn)行判別,以一粒藥片通過小孔的時(shí)間為基準(zhǔn),若脈沖持續(xù)的時(shí)間是設(shè)定時(shí)間的N倍,則說明有N粒膠囊連續(xù)通過某一小孔。

2.4 剔除程序

如圖3所示,包裝小袋在機(jī)器上要先經(jīng)過熱壓再經(jīng)過剪切,霍爾傳感器是安裝在剪切刀上的,所以程序要不斷讀取同步信號(hào)。由于剪切刀與漏藥處的小包有兩個(gè)小袋的時(shí)間間隔,程序要做好準(zhǔn)確的延時(shí),這樣才能準(zhǔn)確地剔除不合格的包裝小袋。

系統(tǒng)的抗干擾措施:

使用光纖傳感器(光纜無電,導(dǎo)線是屏蔽線);輸出選用光電固態(tài)繼電器(與交流電無任何電氣連接);設(shè)計(jì)優(yōu)良的穩(wěn)壓電源(在電壓波動(dòng)時(shí)為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓);看門狗程序(防止死機(jī));電源監(jiān)測(cè);自學(xué)習(xí)程序;消抖。

3 創(chuàng) 新

3.1 反射式紅外光電傳感器

創(chuàng)新改進(jìn):設(shè)計(jì)時(shí)考慮到第一個(gè)因素——成本。筆者對(duì)同類型的多個(gè)反射式紅外光電傳感器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)比對(duì),此傳感器(見圖4)具有漫反射性能好,抗可見光能力強(qiáng),探測(cè)距離遠(yuǎn)等性能優(yōu)于其他。

3.2 反射式紅外光電傳感器探測(cè)流程

反射式紅外光電傳感器檢測(cè)流程如圖5所示。

3.3 反射式紅外傳感器檢測(cè)電路原理圖

對(duì)圖6所示電路Q1的基極處加1 kHz,峰峰值為5 V的方波信號(hào)時(shí),旋轉(zhuǎn)RW1以調(diào)整放大倍數(shù),旋轉(zhuǎn)RW2調(diào)整分壓值。實(shí)驗(yàn)測(cè)定,當(dāng)無遮擋物(藥片)時(shí),無輸出信號(hào);當(dāng)有遮擋物時(shí)輸出頻率為1 kHz的方波。

4 結(jié) 語

改進(jìn)后光電傳感器的特點(diǎn)如下:

采用方波(交流)輸入,方波(交流)輸出抗可見光干擾以及外部環(huán)境干擾;反射式紅外傳感器探測(cè)電路設(shè)計(jì)成并排雙面板,膠囊落下的左偏或者右偏都有傳感器可以感受到;結(jié)構(gòu)緊湊,成本低廉,便于大量推廣。

實(shí)驗(yàn)調(diào)試時(shí),對(duì)中央控制板的工作情況做了如下模擬:外部剔除電路用220 V交流白幟燈作演示,蜂鳴器與LED均與主板相連。將編寫的程序下載入MEG-8L單片機(jī)后,實(shí)驗(yàn)證明,由光纖傳感器產(chǎn)生的信號(hào)(毫秒量級(jí))可以被單片機(jī)準(zhǔn)確地辨識(shí)出來,單片機(jī)內(nèi)部晶振為125 kHz。經(jīng)過硬件和軟件的調(diào)試,實(shí)驗(yàn)基本上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了理論所設(shè)想的所有內(nèi)容。該系統(tǒng)已經(jīng)在車間安裝,進(jìn)行實(shí)際的應(yīng)用。

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