劉洪波

(吉林師范大學(xué) 信息技術(shù)學(xué)院，吉林 四平136000)

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本液體自動(dòng)灌裝系統(tǒng)由溫度檢測(cè)部分、電熱絲加熱控制部分、液體流量檢測(cè)部分、液體管道電磁閥控制部分、包裝薄膜長(zhǎng)度控制部分、控制面板即鍵盤(pán)參數(shù)輸入與顯示控制部分以及微處理器C8051F020等七部分構(gòu)成。其系統(tǒng)組成原理如圖1所示。

圖1 液體自動(dòng)灌裝設(shè)備系統(tǒng)原理圖

2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)啟動(dòng)以后，首先對(duì)薄膜封口的電熱絲進(jìn)行上電加熱，溫度檢測(cè)部分對(duì)加熱溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，采集得到的溫度數(shù)據(jù)通過(guò)C8051單片機(jī)的A/D端口傳送給單片機(jī)，與預(yù)先通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)定的預(yù)置溫度值進(jìn)行比較，如果低于預(yù)置溫度則繼續(xù)加熱，當(dāng)加熱溫度與預(yù)置溫度相同時(shí)則停止加熱，此時(shí)，薄膜進(jìn)行輸送，液體進(jìn)行灌裝。薄膜輸送長(zhǎng)度由電磁離合器控制，而電磁離合器得電與否可以通過(guò)C8051單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器決定。由于薄膜輸送過(guò)程中是以勻速輸送的，因此，根據(jù)包裝所需薄膜長(zhǎng)度以及輸送速度很容易就能計(jì)算出所需輸送時(shí)間，從而通過(guò)鍵盤(pán)對(duì)定時(shí)器進(jìn)行設(shè)定。在薄膜輸送的同時(shí)，液體進(jìn)行灌裝，同時(shí)，流量檢測(cè)部分開(kāi)始進(jìn)行流量檢測(cè)，并把檢測(cè)到的模擬信號(hào)也通過(guò)C8051單片機(jī)的A/D端口傳送給單片機(jī)，從而進(jìn)行計(jì)量，一旦達(dá)到通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)定的預(yù)置流量值，控制液體流通的電磁閥便得電動(dòng)作，關(guān)閉管道，禁止液體流通，薄膜加熱封裝裝置進(jìn)行熱封口，并切斷已經(jīng)灌裝足夠液體的該薄膜封裝。這樣就完成了一次定量液體封裝，如此周而復(fù)始進(jìn)行生產(chǎn)加工流水作業(yè)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)系統(tǒng)

該系統(tǒng)的核心器件是單片機(jī), 主要完成溫度采集、流量檢測(cè)、參數(shù)設(shè)定、電熱絲的加熱控制、電磁閥的開(kāi)關(guān)以及薄膜輸送離合器的控制。由于該系統(tǒng)涉及模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，因此，選用內(nèi)部集成有高精度A/D轉(zhuǎn)換電路的單片機(jī)。本系統(tǒng)選用Silicon Labs公司的C8051F020單片機(jī)[2-3], 該種微處理器內(nèi)部集成了8 路12位A/D轉(zhuǎn)換器、8路8位A/D轉(zhuǎn)換器和2路D/A轉(zhuǎn)換器, 使用片內(nèi)的兩路12 位A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行溫度信號(hào)采集和流量信號(hào)采集。C8051單片機(jī)內(nèi)部還集成了64k 程序FLASH，4k數(shù)據(jù)RAM, 5個(gè)16 位定時(shí)器，如此豐富的在片外圍電路大大簡(jiǎn)化了單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。C8051 單片機(jī)的最高時(shí)鐘頻率可達(dá)25MHz, 完全能夠滿(mǎn)足溫度數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性要求。為了提高A/D 轉(zhuǎn)換精度, 不采用C8051 單片機(jī)內(nèi)部的電壓參考源, 而選用外部精密參考源作為A/D 轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)電源。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用REF191 精密參考源芯片，其輸出參考電壓為2.048 V，1000 h的長(zhǎng)期穩(wěn)定性為1.2 mV, 相對(duì)誤差小于0.05%。

3.2 測(cè)溫電路

設(shè)計(jì)系統(tǒng)中采用鉑電阻Pt102作為測(cè)溫元件[4-5], 根據(jù)測(cè)得的電阻值, 按照鉑電阻的溫度-電阻特性, 可以很容易計(jì)算出相應(yīng)的溫度值。鉑電阻Pt102溫度感應(yīng)電阻值與溫度之間的函數(shù)關(guān)系式，可表示為：

低溫區(qū)域：-200℃～0℃

RPt=R0[1+ At+ Bt2+ Ct3(t- 100)]

(1)

高溫區(qū)域：0℃～500℃

RPt=R0[1+ At+ Bt2]

(2)

式中，R0-----0℃時(shí)的電阻值，其值為100Ω；

A = 3.90802×10- 3，

B =-5.80195×10- 7，

C= - 4.27350×10- 12。

為保證測(cè)量精度, 鉑電阻測(cè)得的電壓信號(hào)需要經(jīng)過(guò)預(yù)處理。處理過(guò)程為：信號(hào)經(jīng)調(diào)理電路進(jìn)行信號(hào)放大、電平偏移，使其變換到C8051單片機(jī)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換電路所需的輸入電壓范圍內(nèi)。本系統(tǒng)采用的信號(hào)調(diào)理電路如圖 2 所示。

圖2 鉑電阻P t102測(cè)溫電路

其中，AD581為10Volt穩(wěn)壓IC，其輸入電壓VCC可為12V～40V的直流電壓。

3.3 流量檢測(cè)

本系統(tǒng)的流量檢測(cè)部分采用超聲流量檢測(cè)技術(shù)。通過(guò)在流體管道外側(cè)安裝超聲波傳感器進(jìn)行流量檢測(cè)[6-7]，在該種流量檢測(cè)技術(shù)中系統(tǒng)采用傳播-時(shí)間法檢測(cè)流量。傳播-時(shí)間法檢測(cè)流量的檢測(cè)原理如圖 3 所示。

圖3 傳播-時(shí)間法檢測(cè)流量的原理圖

T1和T2為一組分別都能發(fā)射和接收超聲波的傳感器，超聲波傳播路徑為A→B (或B→A )，AB與液體灌裝管道軸線夾角為θ，管道內(nèi)徑為D, 管道內(nèi)流體平均流速為V, 流體聲音傳播速度為C。超聲波在傳感器T2和T1之間傳播的時(shí)間受到流經(jīng)液體流速影響, 從傳感器T2發(fā)射到T1的超聲波因流體而加速 (設(shè)速度為V2) , 從傳感器T1發(fā)射到T2的超聲波因流體而減速 (設(shè)速度為V1)。V2-V1的時(shí)間差值與流體的流速成正比。當(dāng)T2發(fā)射T1接收時(shí)，在B→A 路徑上的超聲波速度為C+Vcosθ, 則超聲波傳播時(shí)間為：

(3)

當(dāng)T1發(fā)射T2接收時(shí), 在A→B 路徑上的超聲波速度為C-Vcosθ, 則超聲波傳播時(shí)間為：

(4)

由于C>>V, 則可求出時(shí)間差值Δt為：

(5)

從而可計(jì)算液體流速為：

(6)

式(6)中θ、D和C均為已知，所以在測(cè)定并計(jì)算Δt值后便可求出流速V。

用Q表示管道中流體的流量，對(duì)于內(nèi)徑為D的管道, 計(jì)算出流速V后便可求出流量:

(7)

由于超聲波傳播速度很快，Δt數(shù)量級(jí)很小，往往在10-6～10-9之間 , 所以很難做到準(zhǔn)確測(cè)量，這就需要對(duì)傳播-時(shí)間法加以改進(jìn)。循環(huán)檢測(cè)的方式是一種經(jīng)常采用的測(cè)量微小單位物理量方法，因此，選用循環(huán)檢測(cè)的方法以進(jìn)一步降低誤差。超聲波循環(huán)檢測(cè)法就是用一個(gè)已知的高頻(f) 脈沖信號(hào)作為基準(zhǔn), 經(jīng)過(guò)微小時(shí)間t后產(chǎn)生N個(gè)高頻脈沖, 那么，m微小時(shí)間m×t以后, 將會(huì)累積產(chǎn)生n個(gè)高頻脈沖, 這時(shí)總時(shí)間可根據(jù)測(cè)量累積高頻脈沖數(shù)計(jì)算為n/f, 即可求得t：t=n/ (f×m)(s)。因此，在求取超聲波順流和逆流傳播時(shí)間差值Δt時(shí), 可先測(cè)得m個(gè)微小時(shí)間t1和m個(gè)微小時(shí)間t2, 即mt1=n1/f和mt2=n2/f, 最后盡可能地求得Δt的準(zhǔn)確測(cè)量值。

3.4 加熱控制與薄膜傳輸控制

加熱控制可以由C8051單片機(jī)I/O口輸出控制電熱絲得電與否來(lái)控制，當(dāng)封裝溫度低于預(yù)置溫度時(shí)，C8051單片機(jī)I/O口輸出控制接通電熱絲供電，使其繼續(xù)加熱以達(dá)到要求的溫度。當(dāng)封裝溫度等于預(yù)置溫度時(shí)，C8051驅(qū)動(dòng)繼電器切斷電熱絲供電，避免封裝溫度過(guò)高。需要注意的是：該設(shè)計(jì)中由于C8051單片機(jī)為+5V電壓供電，而電熱絲加熱電壓要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于+5V，有的采用直流24V供電，也有的采用直流36V供電，或者直接采用交流220V及380V供電，因此，電熱絲不能直接由單片機(jī)的I/O口直接供電加熱。并且C8051單片機(jī)工作需要的低電壓與外電路電熱絲工作所需的高電壓之間，及交流電壓與直流電壓之間都需要電磁隔離電路或電平轉(zhuǎn)換電路。本液體自動(dòng)灌裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用兩級(jí)繼電器作為輸出控制端的電磁隔離及外電路的驅(qū)動(dòng)控制。具體隔離及驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。圖中繼電器或交流接觸器K2的常開(kāi)觸點(diǎn)作為電熱絲加熱電路的自動(dòng)斷開(kāi)和閉合開(kāi)關(guān)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌裝系統(tǒng)的薄膜熱封和切斷。系統(tǒng)工作時(shí)，C8051單片機(jī)I/O口的驅(qū)動(dòng)輸出通過(guò)三極管以增加驅(qū)動(dòng)能力，當(dāng)I/O口輸出為高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，第一級(jí)5V中間繼電器K1線圈得電，繼電器K1的常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，第二級(jí)繼電器或交流接觸器K2線圈得電，K2的常開(kāi)觸點(diǎn)同時(shí)也閉合，電熱絲工作所需的電源被接通，電熱絲開(kāi)始加熱；當(dāng)I/O口輸出為低電平時(shí)，三極管截止，第一級(jí)5V中間繼電器K1線圈斷電，繼電器K1的常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，第二級(jí)繼電器或交流接觸器K2線圈斷電，K2的常開(kāi)觸點(diǎn)同時(shí)也斷開(kāi)，電熱絲工作所需的電源被斷開(kāi)，電熱絲停止加熱。

圖4 電磁隔離及驅(qū)動(dòng)電路

薄膜傳輸控制也由C8051單片機(jī)I/O口輸出驅(qū)動(dòng)繼電器來(lái)控制電磁離合器得電與否來(lái)控制，當(dāng)達(dá)到C8051內(nèi)部定時(shí)器設(shè)定的時(shí)間即薄膜傳輸達(dá)到要求長(zhǎng)度時(shí)，電磁離合器控制繼電器將斷電，停止薄膜傳輸，封裝結(jié)束后，電磁離合器重新得電吸合，薄膜傳輸繼續(xù)進(jìn)行，封裝周期重新開(kāi)始。該部分電路同時(shí)也涉及到C8051單片機(jī)I/O口不能直接驅(qū)動(dòng)電磁離合器的問(wèn)題，因此，同樣采用如圖4所示的兩級(jí)繼電器作為輸出控制端的電磁隔離及外電路的驅(qū)動(dòng)控制。

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差分析

4.1 流量檢測(cè)方面

在測(cè)水試驗(yàn)中, 系統(tǒng)溫度為常溫, 管徑為 50 mm ,可測(cè)量體積流速為0～8 m/s , 精度達(dá)到±1%。誤差原因主要包括：①聲波速度引起的誤差, 由式 (6)可以看到, 計(jì)算中有聲波的平方項(xiàng), 無(wú)疑這是引入測(cè)量誤差的主要原因, 因?yàn)槁暡ㄋ俣入S溫度等變化而引起變化。②衰減導(dǎo)致的誤差, 由于超聲波在傳播過(guò)程中受流體中雜質(zhì)吸收的影響, 回波幅值隨傳播距離成指數(shù)規(guī)律衰減 (即出現(xiàn)復(fù)雜波), 使得部分回波很難檢測(cè)。

4.2 薄膜傳輸方面

在薄膜傳輸實(shí)驗(yàn)中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)封裝后的包裝袋或包裝盒在長(zhǎng)度或高度上尺寸大小不一，造成此種誤差的原因主要包括：①電磁離合器工作電壓不穩(wěn)定，造成電磁吸力不夠，帶動(dòng)薄膜傳動(dòng)時(shí)發(fā)生打滑現(xiàn)象，從而影響薄膜傳輸。②電磁離合器電磁吸盤(pán)表面不清潔，特別是機(jī)械機(jī)構(gòu)工作時(shí)油污發(fā)生濺射，附著在電磁吸盤(pán)表面影響吸合程度，也會(huì)導(dǎo)致薄膜傳輸過(guò)程中出現(xiàn)誤差。

4.3 薄膜熱封效果方面

在薄膜熱封效果實(shí)驗(yàn)中，偶爾會(huì)出現(xiàn)封裝液體滴漏現(xiàn)象。形成此種封裝誤差的原因主要包括：①薄膜熱封口溫度預(yù)設(shè)值過(guò)高或過(guò)低。溫度預(yù)設(shè)值過(guò)高時(shí)，薄膜在封口后熱切斷時(shí)，電熱絲使切口附近薄膜被燙壞，導(dǎo)致封裝液體滲漏；溫度預(yù)設(shè)值過(guò)低時(shí)，熱封所需熱量不足，使封口封合效果不佳，從而出現(xiàn)封裝液體滲漏。②電熱絲在安裝過(guò)程中發(fā)生形變。由于電熱絲發(fā)生形變，薄膜在封裝過(guò)程中受熱不均，封口的某些部位密封的不夠牢固，所以造成封裝液體滲漏*實(shí)驗(yàn)中采用電熱絲覆蓋導(dǎo)熱膜直接封裝，如果采用機(jī)械封裝卡口，封裝卡口內(nèi)使用加熱棒加熱，此種封裝液體滲漏現(xiàn)象可得到有效解決。。

5 結(jié)語(yǔ)

此液體自動(dòng)灌裝系統(tǒng)通過(guò)C8051單片機(jī)控制，反應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、 實(shí)時(shí)性強(qiáng)、 性?xún)r(jià)比高，具有良好的人機(jī)界面和很好的監(jiān)控效果。由于其并非是針對(duì)某具體對(duì)象設(shè)計(jì)，故可用于灌裝各種液體，有較強(qiáng)的通用性。特別是隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的發(fā)展，人們物質(zhì)生活水平得到極大提高的今天，各種奶制品及飲品的需求量日益增大，各種液體灌裝設(shè)備的需求也不斷地增多。因此，該種液體自動(dòng)灌裝系統(tǒng)將有著極大的社會(huì)實(shí)用價(jià)值及社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也有著較好的應(yīng)用前景。

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