药品(胶囊)包装的检测控制系统

0 引 言
    上海华大集团华爱食品有限公司生产的药品胶囊出口远销日本。出口的药品包装规格以10小袋装一盒，每小袋中三粒胶囊。但是在生产过程中，由于包装机的原因，每小袋中的胶囊颗数并不是严格的三粒，偶有2或4粒封装，故日方以质量不合格为由，将药品全部退回。为解决上述问题，特设计药品胶囊包装的质量检测控制系统。
    工厂的生产流水线上，有一台自动包装机，机器的料斗上盛有大量药品胶囊，料斗转盘斜面的最低处有3个漏药孔。料斗与水平面成一倾斜角度，由底部马达产生的振荡使得胶囊经由3个小孔落下。由于设备的非人工操作性，药品的多漏与卡壳都会造成包装质量的不合格。为在短时间内判断胶囊装入的数目，并对不合格包装小袋进行剔除以及报警操作，采用反射式红外传感器与光纤传感器两种不同的方案有效监视漏孔漏下药品的颗粒数。
    如何才能在短时间内准确地测得胶囊的颗粒数目得出了以下几种解决方案：称重；透射式传感器探测；反射式传感器探测。由于重力加速度的存在以及时间的限制，若采取第一种方案在技术上是很难实现的；由于胶囊呈半透明状，若采用第二种方案(透射式传感器)监测，由传感器光源产生的光线就极有可能会穿过胶囊而到达接收端，从而造成误判；故采用反射式传感器监测，这里所讨论的是两种反射式传感器：漫反射式光纤传感器和反射式红外光电传感器。另外，为了准确地剔除不合格包装小袋，还需要一个同步信号，设计采用霍尔传感器提供同步信号给单片机。

1 系统硬件设计
1．1 系统检测框图
    系统检测框图如图1所示。

1．2 单片机主板硬件设计
    单片机主板设计思路如下：
    (1)为了提高系统的性价比，完成同样的功能，单片机芯片使用Atmel公司生产的MEG-8L；
    (2)单片机的输入由两部分组成：一部分是由光纤传感器产生的脉冲信号，另一部分是由霍尔传感器产生的同步信号，旨在计算从包装到剔除的时间差从而进行准确的剔除；
    (3)为了体现单片机在线编译的优越性，主板上设计了ISP接口，同时为了方便客户端与计算机的通信，主板上设计了RS 232接口。
1．3 部分电路设计
1．3．1 信号输入电路设计
    传感器检测在外部，信号输入描述如下：
    (1)插头的3号引脚接12 V电源，为外部光纤探测提供电源；
    (2)由于光纤传感器和霍尔传感器均为集电极开路，若要使其正常工作需外部上拉电阻R1；
    (3)R2是限流电阻，为信号的输入提供一个缓冲作用；
    (4)由于传感器输入的是0，1信号，稳压二极管保护单片机的I／O口以免被高电平烧坏；
    (5)退耦电容的作用是滤波，消除外界干扰。
1．3．2 电路主板驱动MC1413
    为了驱动外部执行电路，选用MC1413，其内部有7个相连的NPN达林顿管。
1．3．3 外部执行电路的设计
    由于本系统应用在工业控制中的，对可靠性以及抗干扰性的要求很高，普通的继电器对电磁干扰非常敏感，经常造成系统上电就死机的状况。选用固态继电器，有以下几点原因：
    (1)DC输入AC输出，且有很强的带负载能力，最大输出电流可达2 A，最大输出交流电压可达250 V；
    (2)高寿命，高可靠：SSR没有机械零部件，有固体器件完成触点功能，能在高冲击，振动的环境下工作；
    (3)灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好；
    (4)快速转换：切换速度可从几毫秒至几微秒；
    (5)电磁干扰小：固态继电器没有输入“线圈”，因而减少了电磁干扰。
    大多数交流输出固态继电器是一个零电压开关，在零电压处导通，零电流处关断，减少了电流波形的突然中断，从而减少了开关瞬态效应。
    外部执行电路还包括蜂鸣器，红色LED用来指示通过胶囊颗粒数目正确与否，胶囊数目错误时红色LED闪烁，白色LED用来显示通过任何一个小孔的胶囊是否被单片机感应到，如若被单片机感测到，则白色LED亮，若没有胶囊通过，白色LED不亮。实验室环境下，将外部电磁手推杆以220 V交流白帜灯泡代替，测试电路的可靠性能。

2 系统软件设计
2．1 软件设计流程图
    软件设计流程图如图2所示。

2．2 系统初始化
    初始化包含的内容如下所示：
    (1)看门狗程序启动：防止死机AVR的看门狗既是软狗又是硬狗，如果熔丝位不设定，就是软狗，因为程序可以关闭也可以打开；如果熔丝位设定了，就是硬狗，因为程序只可以清除，而无法打开或关闭。需要特别说明的是：使能看门狗不能用“|=”，必须要直接赋值“=”。
    (2)电压检测
    当电源电压降至过低，需要进行系统复位，防止在低压状态下电路进行误操作，或将非易失性存储单元的数据进行误改写，造成数据丢失。因此需要电源电压检测电路判断电源电压值，来决定是否进行系统复位。
    (3)定时器初始化
    欲判定胶囊通过的颗粒数，不仅需要测定产生的脉冲数目，而且要测定一粒胶囊通过小孔的时间。因为如若两粒或者更多粒胶囊连续通过小孔的话，只凭脉冲数目是无法准确探测胶囊颗粒数的，故在开机时应当进行定时器的初始化。
2．3 判断胶囊数目
    光纤传感器当有药片经过时，会产生一个由高到低的脉冲，要准确判定先要检测脉冲数目(通过读PORTD口来确定)，当确定是三个脉冲时，继续进行判别，以一粒药片通过小孔的时间为基准，若脉冲持续的时间是设定时间的N倍，则说明有N粒胶囊连续通过某一小孔。
2．4 剔除程序
    如图3所示，包装小袋在机器上要先经过热压再经过剪切，霍尔传感器是安装在剪切刀上的，所以程序要不断读取同步信号。由于剪切刀与漏药处的小包有两个小袋的时间间隔，程序要做好准确的延时，这样才能准确地剔除不合格的包装小袋。

    系统的抗干扰措施：
    使用光纤传感器(光缆无电，导线是屏蔽线)；输出选用光电固态继电器(与交流电无任何电气连接)；设计优良的稳压电源(在电压波动时为系统提供稳定的电压)；看门狗程序(防止死机)；电源监测；自学习程序；消抖。

3 创 新
3．1 反射式红外光电传感器
    创新改进：设计时考虑到第一个因素——成本。笔者对同类型的多个反射式红外光电传感器进行了实验比对，此传感器(见图4)具有漫反射性能好，抗可见光能力强，探测距离远等性能优于其他。

3．2 反射式红外光电传感器探测流程
    反射式红外光电传感器检测流程如图5所示。

3．3 反射式红外传感器检测电路原理图
    对图6所示电路Q1的基极处加1 kHz，峰峰值为5 V的方波信号时，旋转Rw1以调整放大倍数，旋转Rw2调整分压值。实验测定，当无遮挡物(药片)时，无输出信号；当有遮挡物时输出频率为1 kHz的方波。

4 结语
    改进后光电传感器的特点如下：
    采用方波(交流)输入，方波(交流)输出抗可见光干扰以及外部环境干扰；反射式红外传感器探测电路设计成并排双面板，胶囊落下的左偏或者右偏都有传感器可以感受到；结构紧凑，成本低廉，便于大量推广。实验调试时，对中央控制板的工作情况做了如下模拟：外部剔除电路用220 V交流白帜灯作演示，蜂鸣器与LED均与主板相连。将编写的程序下载入MEG-8L单片机后，实验证明，由光纤传感器产生的信号(毫秒量级)可以被单片机准确地辨识出来，单片机内部晶振为125 kHz。经过硬件和软件的调试，实验基本上已经实现了理论所设想的所有内容。该系统已经在车间安装，进行实际的应用。