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上海華大集團華愛食品有限公司生產的藥品膠囊出口遠銷日本。出口的藥品包裝規格以10小袋裝一盒，每小袋中三粒膠囊。但是在生產過程中，由于包裝機的原因，每小袋中的膠囊顆數并不是嚴格的三粒，偶有2或4粒封裝，故日方以質量不合格為由，將藥品全部退回。為解決上述問題，特設計藥品膠囊包裝的質量檢測控制系統。 工廠的生產流水線上，有一臺自動包裝機，機器的料斗上盛有大量藥品膠囊，料斗轉盤斜面的最低處有3個漏藥孔。料斗與水平面成一傾斜角度，由底部馬達產生的振蕩使得膠囊經由3個小孔落下。由于設備的非人工操作性，藥品的多漏與卡殼都會造成包裝質量的不合格。為在短時間內判斷膠囊裝入的數目，并對不合格包裝小袋進行剔除以及報警操作，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視漏孔漏下藥品的顆粒數。 如何才能在短時間內準確地測得膠囊的顆粒數目得出了以下幾種解決方案：稱重；透射式傳感器探測；反射式傳感器探測。由于重力加速度的存在以及時間的限制，若采取第一種方案在技術上是很難實現的；由于膠囊呈半透明狀，若采用第二種方案(透射式傳感器)監測，由傳感器光源產生的光線就極有可能會穿過膠囊而到達接收端，從而造成誤判；故采用反射式傳感器監測，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，為了準確地剔除不合格包裝小袋，還需要一個同步信號，設計采用霍爾傳感器提供同步信號給單片機。 1 系統硬件設計 1．1 系統檢測框圖 系統檢測框圖如圖1所示。 1．2 單片機主板硬件設計 單片機主板設計思路如下： (1)為了提高系統的性價比，完成同樣的功能，單片機芯片使用Atmel公司生產的MEG-8L； (2)單片機的輸入由兩部分組成：一部分是由光纖傳感器產生的脈沖信號，另一部分是由霍爾傳感器產生的同步信號，旨在計算從包裝到剔除的時間差從而進行準確的剔除； (3)為了體現單片機在線編譯的優越性，主板上設計了ISP接口，同時為了方便客戶端與計算機的通信，主板上設計了RS 232接口。 1．3 部分電路設計 1．3．1 信號輸入電路設計 傳感器檢測在外部，信號輸入描述如下： (1)插頭的3號引腳接12 V電源，為外部光纖探測提供電源； (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，為信號的輸入提供一個緩沖作用； (4)由于傳感器輸入的是0，1信號，穩壓二極管保護單片機的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 電路主板驅動MC1413 為了驅動外部執行電路，選用MC1413，其內部有7個相連的NPN達林頓管。 1．3．3 外部執行電路的設計 由于本系統應用在工業控制中的，對可靠性以及抗干擾性的要求很高，普通的繼電器對電磁干擾非常敏感，經常造成系統上電就死機的狀況。選用固態繼電器，有以下幾點原因： (1)DC輸入AC輸出，且有很強的帶負載能力，最大輸出電流可達2 A，最大輸出交流電壓可達250 V； (2)高壽命，高可靠：SSR沒有機械零部件，有固體器件完成觸點功能，能在高沖擊，振動的環境下工作； (3)靈敏度高，控制功率小，電磁兼容性好； (4)快速轉換：切換速度可從幾毫秒至幾微秒； (5)電磁干擾小：固態繼電器沒有輸入“線圈”，因而減少了電磁干擾。 大多數交流輸出固態繼電器是一個零電壓開關，在零電壓處導通，零電流處關斷，減少了電流波形的突然中斷，從而減少了開關瞬態效應。 外部執行電路還包括蜂鳴器，紅色LED用來指示通過膠囊顆粒數目正確與否，膠囊數目錯誤時紅色LED閃爍，白色LED用來顯示通過任何一個小孔的膠囊是否被單片機感應到，如若被單片機感測到，則白色LED亮，若沒有膠囊通過，白色LED不亮。實驗室環境下，將外部電磁手推桿以220 V交流白幟燈泡代替，測試電路的可靠性能。 2 系統軟件設計 2．1 軟件設計流程圖 軟件設計流程圖如圖2所示。 2．2 系統初始化 初始化包含的內容如下所示： (1)看門狗程序啟動：防止死機AVR的看門狗既是軟狗又是硬狗，如果熔絲位不設定，就是軟狗，因為程序可以關閉也可以打開；如果熔絲位設定了，就是硬狗，因為程序只可以清除，而無法打開或關閉。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 當電源電壓降至過低，需要進行系統復位，防止在低壓狀態下電路進行誤操作，或將非易失性存儲單元的數據進行誤改寫，造成數據丟失。因此需要電源電壓檢測電路判斷電源電壓值，來決定是否進行系統復位。 (3)定時器初始化 欲判定膠囊通過的顆粒數，不僅需要測定產生的脈沖數目，而且要測定一粒膠囊通過小孔的時間。因為如若兩粒或者更多粒膠囊連續通過小孔的話，只憑脈沖數目是無法準確探測膠囊顆粒數的，故在開機時應當進行定時器的初始化。 2．3 判斷膠囊數目 光纖傳感器當有藥片經過時，會產生一個由高到低的脈沖，要準確判定先要檢測脈沖數目(通過讀PORTD口來確定)，當確定是三個脈沖時，繼續進行判別，以一粒藥片通過小孔的時間為基準，若脈沖持續的時間是設定時間的N倍，則說明有N粒膠囊連續通過某一小孔。 2．4 剔除程序 如圖3所示，包裝小袋在機器上要先經過熱壓再經過剪切，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。由于剪切刀與漏藥處的小包有兩個小袋的時間間隔，程序要做好準確的延時，這樣才能準確地剔除不合格的包裝小袋。 系統的抗干擾措施： 使用光纖傳感器(光纜無電，導線是屏蔽線)；輸出選用光電固態繼電器(與交流電無任何電氣連接)；設計優良的穩壓電源(在電壓波動時為系統提供穩定的電壓)；看門狗程序(防止死機)；電源監測；自學習程序；消抖。 3 創 新 3．1 反射式紅外光電傳感器 創新改進：設計時考慮到第一個因素——成本。筆者對同類型的多個反射式紅外光電傳感器進行了實驗比對，此傳感器(見圖4)具有漫反射性能好，抗可見光能力強，探測距離遠等性能優于其他。 3．2 反射式紅外光電傳感器探測流程 反射式紅外光電傳感器檢測流程如圖5所示。 3．3 反射式紅外傳感器檢測電路原理圖 對圖6所示電路Q1的基極處加1 kHz，峰峰值為5 V的方波信號時，旋轉Rw1以調整放大倍數，旋轉Rw2調整分壓值。實驗測定，當無遮擋物(藥片)時，無輸出信號；當有遮擋物時輸出頻率為1 kHz的方波。 4 結語 改進后光電傳感器的特點如下： 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境干擾；反射式紅外傳感器探測電路設計成并排雙面板，膠囊落下的左偏或者右偏都有傳感器可以感受到；結構緊湊，成本低廉，便于大量推廣。實驗調試時，對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單片機后，實驗證明，由光纖傳感器產生的信號(毫秒量級)可以被單片機準確地辨識出來，單片機內部晶振為125 kHz。經過硬件和軟件的調試，實驗基本上已經實現了理論所設想的所有內容。該系統已經在車間安裝，進行實際的應用。 |
