电容式二维烟箱缺条检测系统

　　卷烟生产中，在烟条装箱打包时，装箱打包机在烟条生产流量很大或来料不足时工作不正常，常出现烟箱中缺条现象。针对缺条现象，提出了采用微电容检测芯片AD7746构成的电容传感器对烟箱进行二维检测。该系统分上位机和下位机两部分，上位机和下位机之间采用RS485通讯。上位机采用LabVIEW编写的烟箱管理软件;下位机系统采用主从单片机结构，主机采用一片P89C51RD2单片机，从机则由十片P89C669单片机构成。测量结果表明，系统检测效果可靠，具有很好的应用前景。

　　1 系统构成与实现

　　1.1 系统测试原理

　　如图1所示，烟箱中采用5x5x2的结构排列烟条，在每5条烟两端设置一对平行极板，就构成了10对平板电容器，其电容为：

　　C=ε·s/d (1)

　　式中ε是极板间介质的介电常数，s是平板电容器两极板相对的有效面积，d是极板间距离。由式(1)可知，只要改变ε、s、d中任意一个值，电容值C就会发生改变。由于香烟与空气的介电常数差别很大，当烟箱中出现缺条时，则相应位置的介电常数就会发生变化，由此与之对应的行电容传感器和列电容传感器数值会发生变化，通过二维电容值与标准值之间的计算比较，可以检测箱烟缺条情况。

　　在实际测量中，由于箱烟盒的尺寸大，平板电容器间的有效距离很大，所测电容值很小，只有几个皮法。经过比较，自行设计的微电容检测电路噪声大，精度不高，分辨率小，无法保证测量的可靠性。而采用AD公司的高精度电容/数字转换芯片AD7746是24位数字输出的电容值测量芯片，AD7746是一个具有高分辨率的∑-△型电容数字转换器(CDC)，被测电容可直接连在器件的输入端，其分辨率高达24位无失真码、最高有效位21位，线性度为±0.01%，精确度高达±4pF(出厂校准)。采样频率/通频带为10Hz到90 Hz，具有I2C兼容的串行接口，能在2.7～5.25 V的单电源供电下工作，工作环境温度范围从-40～+125℃。

　　图1中，极板的设计采用PCB板外敷绝缘陶瓷，减少平板电容的边缘寄生电容，并且保证了机械强度。极板与AD7746之间的连接采用SMA屏蔽线，减少寄生电容和提高抗干扰能力。

　　1.2 上位机系统结构

　　上位机软件采用LabVIEW2009来编程实现。LabVIEW是图形化编程语言的典型代表。图形化编程语言的特点是基于通用计算机等标准软硬件资源平台，构建层次分明、功能强大且人机界面友好的测试监控系统，因此在测控领域中得到了越来越广泛的应用。上位机主要对接收上来的数据进行监控，以保证系统的正常运行，并对重要的数据进行及时的保存。

　　上位机使用LabVIEW开发平台，设计出烟箱缺条管理系统。上位机通过RS232转RS485方式与主控制器进行通讯，通过上位机参数设置通知下位机进行数据采集，记录缺条信息等。

　　上位机系统主要完成以下任务：

　　1)对烟箱检测下位机装置进行参数设置并控制采样;

　　2)采集生产流水线上的烟箱实时数据;

　　3)自动生成各种实时、历史生产报表;

　　4)链接数据库保存历史数据，查询缺条信息;

　　5)对缺条烟箱显示缺条位置图样，报警并向剔除装置发出剔除控制信号;

　　6)对正常烟箱和不同位置缺条的烟箱体现在10组电容极板上的数据进行自学习，配合人为干预提高检测准确度。

　　如图2所示，上位机烟箱缺条管理平台系统主要包括串口通讯、参数设置、系统报警、数据存储、报表输出、剔除信号输出等6大模块;利用LabVIEW建立与下位机进行串口通讯的子VI，对接收到的数据进行处理，判断是否发生缺条。当发生缺条时，上位机除了产生剔除控制信号、报警之外，还将缺条信息存入数据库中，方便操作人员日后查询等。图3为烟箱缺条管理平台的参数设置前面板图。