０　引言

近年来，称重检测系统的应用范围不断扩大，它作为一种实时测量物料重量并根据重量自动发出控制信号的检测系统，广泛应用于产品包装、配料等生产过程控制中［１］。

在香烟高速包装生产线上，条盒缺包检测是质量控制的重要环节，目前大多使用电容式或电感式接近开关检测装置，或者利用负压式对条盒缺包进行检测，但接近开关都是通过检测介质的变化来触发内部电路，条盒包装材料的经常变化致使缺包检测不能正常工作；利用负压式对条盒缺包进行检测，在不缺包的情况下，条烟是很规则的长方体，缺包后长方体上或下面会有缺失，气压损失会很大，此方法系统复杂准确性差［２］。本系统采用称重原理对条盒进行缺包检测，不依赖香烟的条盒包装材料变化，准确度高，成本适中。

１　系统组成

该系统主要由称重平台、称重控制组件和人机操作界面三部分组成，系统原理框图如图１所示。称重平台主要由称重台、称重传感器、信号电缆等组成。称重控制组件由传感信号处理电路、激励信号产生及反馈电路、单片机及其外围电路组成。人机操作界面由工控板和彩色触摸显示器组成。

当条盒通过传送装置传送到称重台上，称重台下面的重量传感器产生的传感电压信号送入称重控制组件的传感信号处理电路，传感信号处理后送入单片机，单片机完成对传感信号的实时处理并计算出烟条重量值，通过ＣＡＮ总线通信电路发送给人机操作界面的工控板，工控板即对接收的信号进行比较处理，判断条盒中是否存在缺包等缺陷，把判断结果再发送给单片机，单片机向包装机组控制系统发送相应剔除信号，在剔除口把相应缺陷条盒剔除同时人机操作界面形成各种与重量相关的信息。整个工作过程中，每一个条烟通过称重台时，系统都会按顺序精确执行以下步骤。

（１）称重：称重是在编码器旋转至称重相位时进行的。称重传感器在该相位对烟条进行称重，并将烟条重量值传输给控制组件。

（２）计算：当编码器旋转至计算相位时，人机操作界面软件分析处理称重控制组件传来的烟条重量值，以确认是否有缺陷而需要进行剔除。

（３）剔除信号输出：在剔除信号输出相位，控制组件接收相应剔除信号，激活单片机及其外围电路中ＯＵＴ１输出。

（４）诊断信号输出：在诊断信号输出相位，控制组件判断系统是否出现故障，若存在故障，则激活单片机及其外围电路中ＯＵＴ２输出。

２　系统硬件设计

２．１称重平台

称重平台中使用的称重传感器为电阻应变式称重传感器。称重传感器是由弹性体、电阻应变片和惠斯登电桥３个主要部分组成的。其工作原理为：（１）被测负荷作用在弹性体上，使弹性体产生相应的弹性变形；（２）通过粘贴在弹性体上的电阻应变片，使弹性体的弹性变形转换为电阻应变片的阻值变化（增大或者减小）；（３）再通过惠斯登测量电路将电阻应变片电阻的变化，转换为电信号输出［３］。惠斯登测量电路可以抑制温度变化的影响，补偿方便，受外界影响小，精度高，工作稳定，使用最为广泛。称重台使用６０×３０×２ｃｍ的玻璃树脂平台，信号电缆为六线制屏蔽线缆。

２．２　称重控制组件

称重控制组件硬件部分包括传感信号处理电路、激励信号产生及反馈电路、单片机及其外围电路等。

２．２．１　传感信号处理电路

称重传感器输出的信号很微弱，传感信号处理电路是称重控制组件设计的关键电路，如果传感信号处理电路设计不理想，单片机计算的重量值与实际值就会有偏差。

传感信号处理电路主要功能是对传感器送入信号进行滤波、放大、整形处理，最终将传感信号送入单片机进行分析处理。其主要工作原理为：传感器送入信号经过两级电容滤波后进入低失调电压运算放大器ＩＮＡ１２９Ｕ进行一级信号放大，放大后信号送入运算放大器ＯＰＡ２１３０进行二级信号放大，输出信号经过ＴＬＣ２２７２运算放大器和模拟开关ＤＧ２０１Ｂ组成的整形处理电路后送入单片机进行处理分析。

２．２．２　激励信号产生及反馈电路

对于惠斯登电桥测量电路，其输出电压稳定性与其工作电源（供桥电源）的性能是密切相关的，要求供桥电源能够对温度、时间等因素具有良好的稳定性能。这就需要设计专用的供桥电源以保证电桥测量电路工作的稳定性和测量精度。

激励信号产生电路主要功能是给称重传感器提供有效值为５Ｖ、频率４．8ｋＨｚ、相位差１８０°的双路输出正弦波激励信号。主要由运算放大器ＯＰＡ２１３０／ＴＬＥ２０６２、模拟开关ＤＧ２０１Ｂ和瞬态电压抑制管ＳＭＢＪ９．０ＣＡ组成。运算放大器ＯＰＡ２１３０和模拟开关ＤＧ２０１Ｂ组成的电路产生激励电压信号，激励电压信号送入双通道运算放大器ＴＬＥ２０６２，ＴＬＥ2０６２双路输出有效值为５Ｖ、频率４．８ｋＨｚ、相位相差１８０°正弦波，双路激励电压信号送入重量传感器。瞬态电压抑制管ＳＭＢＪ９．０ＣＡ用于保护称重传感器不受瞬态电压的冲击而损坏。

激励信号反馈电路主要功能是实时监测激励信号是否稳定，如果激励信号发生变化，激励信号反馈电路将调整量送入激励电压产生电路，实时调整输出的激励信号。它主要由运算放大器ＯＰＡ２１３０／ＴＬＥ２０６２／ＴＬ０７２、电压比较器ＬＭ３３９、模拟开关ＤＧ２０１Ｂ和瞬态电压抑制管ＳＭＢＪ９．０ＣＡ组成。双路激励电压信号送入运算放大器ＯＰＡ２１３０进行信号跟随，输出双路信号送入运算放大器ＴＬ０７２进行比例放大、信号跟随，跟随信号通过模拟开关ＤＧ２０１Ｂ中两个通道相互配合，输出调整量送入激励信号产生电路。

２．２．３　单片机及其外围电路

单片机及其外围电路主要负责称重传感信号的处理计算、执行人机操作界面软件送来的控制命令，单片机及其外围电路原理框图如图２所示。
称重检测

单片机及其外围电路由单片机ＳＡＫ－Ｃ１６７ＣＲ－ＬＭ、Ｆｌａｓｈ存储器ＡＭ２９Ｆ８００Ｂ、ＳＲＡＭ存储器Ｋ６Ｘ８０１６Ｃ３Ｂ、ＥＥＰＲＯＭ存储器ＡＴ２４Ｃ６４Ｂ，编码信号采集电路，数字输入输出电路和ＣＡＮ总线通信电路组成。Ｆｌａｓｈ存储器存储称重控制程序，ＳＲＡＭ存储器存储程序运行时的中间变量，ＥＥＰＲＯＭ存储器存储参数配置数据。

编码信号采集电路用于单片机读取编码器相位，实现本系统与整个包装机控制系统的相位同步。本系统采用电源电压为２４Ｖｄｃ、输出为ＮＰＮ类型的增量式编码器，编码器的３个输出信号（Ａ、Ｂ、Ｚ）对应的信号采集电路都将采用图３所示的电路。为了与包装机控制系统上其它信号兼容，要求输入信号≤５Ｖ时输入电路要识别为低电平。此电路为基于比较器ＬＭ３３９的迟滞比较电路，其输出端为集电极开路输出，比较器的负端设置的门限电压为６．５４Ｖ，当输入电压低于５．９１Ｖ时ＬＭ３３９输出端为低电平。发光二极管ＶＤ１用来指示输入信号状态。

数字输入电路主要由光耦ＰＣ３５７、ＢＺＸ８４Ｃ５Ｖ６稳压管、ＬＬ４１４８二极管组成。外部数字输入信号经过ＢＺＸ８４Ｃ５Ｖ６稳压管、ＬＬ４１４８二极管后送入光耦ＰＣ３５７，光耦ＰＣ３５７将信号转换后输入单片机。数字输出电路主要由光耦ＰＣ３５７、非门７4ＨＣ０４、稳压管ＢＺＸ８４Ｃ５Ｖ６、ＶＮ３４０ＳＰ接口芯片组成。单片机输出数字信号经过非门７４ＨＣ０４电平翻转、光耦ＰＣ３５７转换信号后经过稳压管ＢＺＸ８４Ｃ５Ｖ６送入ＶＮ３４０ＳＰ接口芯片，ＶＮ３４０ＳＰ接口芯片对输入信号经过转换后输出。

ＣＡＮ总线通信电路主要负责将计算出烟条重量值传送给人机操作界面的工控板，以及将读取机器编码器相位信息传送给工控板，实现与机器的同步控制和显示。ＣＡＮ总线通信电路主要由７４ＨＣ０４非门、光耦ＨＣＰＬ０６０１、ＣＡＮ总线收发器ＰＣＡ８２Ｃ２５１、Ｂ８２７９３扼流圈、ＣＡＮ总线静电保护管ＰＥＳＤ１ＣＡＮ组成。单片机输出信号经处理通过光耦ＨＣ－ＰＬ０６０１转换后送入ＣＡＮ总线收发器ＰＣＡ８２Ｃ２５１，ＣＡＮ总线收发器输出信号经过Ｂ８２７９３扼流圈和ＣＡＮ总线静电保护管ＰＥＳＤ１ＣＡＮ后输出。人机操作界面输出控制信号通过此电路送入单片机。

２．３　人机操作界面

人机操作界面的硬件主要由两部分组成，即内装通讯板卡的工控板和彩色触摸显示器，两者之间通过标准接口相连接。其中，工控板通过ＰＣＩ插槽装配有ＣＡＮ通讯板卡。工控板内安装Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ　ＷｉｎｄｏｗｓＸＰ　Ｅｍｂｅｄｄｅｄ操作系统，并在此系统下运行人机操作界面软件。人机操作界面软件在运行控制过程中，需要与称重控制组件进行通信、运算和处理数据，并通过图形或其它的方式在触摸屏上显示出来，并且保存运行数据、统计数据和参数设定值。

彩色触摸显示器主要用于人机操作界面软件的界面显示和通过触摸屏将人机操作信息传送给工控板，其设计的基本原则包括：界面条理清晰、完善明了、协调一致、操作简单方便。为了符合以上要求，本系统采用的是１２．１寸的彩色液晶显示屏并使用触摸屏，其分辨率为１０２４×７６８，用户可以通过显示屏查看系统运行的相关信息，并可以通过触摸屏设置系统相关参数。

３　系统软件设计

３．１　称重控制组件软件设计

称重控制程序主要完成称重台上物料重量的测量，计算出重量值，通过ＣＡＮ总线传给工控板进行比较判断。系统初始化主要完成对单片机进行端口初始化、程序装载和传感器接口检测，传感器校准主要完成对单位重量值的定标，设置零点主要完成对测量基准点的设定。由于是高速测量，条盒在水平、垂直两个方向上以一定的速度降落到测量盘上，给传感器带来一定的冲击特性，除在规定的相位区间内进行称重外，在软件上还采用滤波及预测补偿的动态称重方法提高其准确度。

３．２　人机操作界面软件设计

人机操作界面作为上位机主要是负责系统的整体控制，其基本功能为实时显示烟条生产信息和各种统计信息，接受操作人员对系统参数的设置，并通过ＣＡＮ总线接口与称重控制组件进行通讯。根据接收的重量信号计算判断条盒是否存在缺陷，如果当前条盒存在缺陷则向控制组件单片机发送命令，告知其在指定的相位向包装机组控制系统发送剔除信号。人机操作界面软件的基本流程如图６所示。
称重检测

人机操作界面软件设计采用Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ　Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＸＰＥｍ－ｂｅｄｄｅｄ操作系统作为软件运行平台，采用Ｃ＋＋语言编写代码［４］。人机界面操作软件按照模块化、标准化的要求进行开发，力求做到界面友善、操作方便、易升级维护，有分级密码管理，安全性好。应用程序除按照相关的技术规范和通信协议实现ＣＡＮ总线，还要实时获取包装机运行状态信息和各种统计信息，并显示在屏幕上，提供相关操作页面，方便用户修改机器运行相关的各种参数。

根据项目要求及实现的功能，人机界面主要包括主页面、生产页面、重量页面、设置页面和信息页面的设计。主页面用于显示称重系统概图及部分参数；生产页面用于显示产量信息、消耗信息、废品信息和停机信息；重量页面用于显示烟条重量分布、偏差分布；设置页面用于设置系统中的各项参数；信息页面用于显示图纸信息等。在生产控制过程中，为了准确检测每一条的质量状况，不产生误剔、漏剔，实际值与标准值的偏差不是在单一的条盒上得出的，而是例如采用一进一出连续５０条采集运算的方法，求取条盒的标准值。标准值随生产过程时时更新，判定门限值也随着改变，克服了系统漂移产生的重量偏差。新的一条烟被认为合格后，系统自动将其重量加入到标准值的计算基准中去，同时计算出新的标准值，用以判断下条烟是否合格。如新的这条烟被认为不合格，则它将被剔出，这条烟的重量也不会参与标准值计算。

标准值计算方式处理如下，连续合格条烟中的每一条盒的重量为，标准值为，则：

Ａｉ＝（∑i49＋i Ｃｉ）／５０（ｉ＝１，２，…ｎ，ｎ为自然数）（１）

为了直观地说明该系统的性能，在操作界面重量页面中设计了“重量趋势图”。以图形的形式显示每条烟实际值与标准值的偏差情况。

４　结论

本文根据香烟高速包装生产线的工艺流程，设计了包装生产线称重检测系统，对生产过程中的条盒进行在线缺包检测，不依赖香烟的条盒包装材料变化，系统稳定性好，检测准确度高，避免了条盒缺包的质量缺陷，具有较好的市场应用和推广价值。

 

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