藥品(膠囊)包裝的檢測控制系統(tǒng)

0 引 言
??? 上海華大集團(tuán)華愛食品有限公司生產(chǎn)的藥品膠囊出口遠(yuǎn)銷日本。出口的藥品包裝規(guī)格以10小袋裝一盒，每小袋中三粒膠囊。但是在生產(chǎn)過程中，由于包裝機(jī)的原因，每小袋中的膠囊顆數(shù)并不是嚴(yán)格的三粒，偶有2或4粒封裝，故日方以質(zhì)量不合格為由，將藥品全部退回。為解決上述問題，特設(shè)計(jì)藥品膠囊包裝的質(zhì)量檢測控制系統(tǒng)。
??? 工廠的生產(chǎn)流水線上，有一臺(tái)自動(dòng)包裝機(jī)，機(jī)器的料斗上盛有大量藥品膠囊，料斗轉(zhuǎn)盤斜面的最低處有3個(gè)漏藥孔。料斗與水平面成一傾斜角度，由底部馬達(dá)產(chǎn)生的振蕩使得膠囊經(jīng)由3個(gè)小孔落下。由于設(shè)備的非人工操作性，藥品的多漏與卡殼都會(huì)造成包裝質(zhì)量的不合格。為在短時(shí)間內(nèi)判斷膠囊裝入的數(shù)目，并對不合格包裝小袋進(jìn)行剔除以及報(bào)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(jiān)視漏孔漏下藥品的顆粒數(shù)。
??? 如何才能在短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確地測得膠囊的顆粒數(shù)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(shí)間的限制，若采取第一種方案在技術(shù)上是很難實(shí)現(xiàn)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(jiān)測，由傳感器光源產(chǎn)生的光線就極有可能會(huì)穿過膠囊而到達(dá)接收端，從而造成誤判；故采用反射式傳感器監(jiān)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(zhǔn)確地剔除不合格包裝小袋，還需要一個(gè)同步信號(hào)，設(shè)計(jì)采用霍爾傳感器提供同步信號(hào)給單片機(jī)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1．1 系統(tǒng)檢測框圖
??? 系統(tǒng)檢測框圖如圖1所示。

1．2 單片機(jī)主板硬件設(shè)計(jì)
??? 單片機(jī)主板設(shè)計(jì)思路如下：
??? (1)為了提高系統(tǒng)的性價(jià)比，完成同樣的功能，單片機(jī)芯片使用Atmel公司生產(chǎn)的MEG-8L；
??? (2)單片機(jī)的輸入由兩部分組成：一部分是由光纖傳感器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)，另一部分是由霍爾傳感器產(chǎn)生的同步信號(hào)，旨在計(jì)算從包裝到剔除的時(shí)間差從而進(jìn)行準(zhǔn)確的剔除；
??? (3)為了體現(xiàn)單片機(jī)在線編譯的優(yōu)越性，主板上設(shè)計(jì)了ISP接口，同時(shí)為了方便客戶端與計(jì)算機(jī)的通信，主板上設(shè)計(jì)了RS 232接口。
1．3 部分電路設(shè)計(jì)
1．3．1 信號(hào)輸入電路設(shè)計(jì)
??? 傳感器檢測在外部，信號(hào)輸入描述如下：
??? (1)插頭的3號(hào)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(hào)的輸入提供一個(gè)緩沖作用；
??? (4)由于傳感器輸入的是0，1信號(hào)，穩(wěn)壓二極管保護(hù)單片機(jī)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(qū)動(dòng)MC1413
??? 為了驅(qū)動(dòng)外部執(zhí)行電路，選用MC1413，其內(nèi)部有7個(gè)相連的NPN達(dá)林頓管。

1．3．3 外部執(zhí)行電路的設(shè)計(jì)
??? 由于本系統(tǒng)應(yīng)用在工業(yè)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(jīng)常造成系統(tǒng)上電就死機(jī)的狀況。選用固態(tài)繼電器，有以下幾點(diǎn)原因：
??? (1)DC輸入AC輸出，且有很強(qiáng)的帶負(fù)載能力，最大輸出電流可達(dá)2 A，最大輸出交流電壓可達(dá)250 V；
??? (2)高壽命，高可靠：SSR沒有機(jī)械零部件，有固體器件完成觸點(diǎn)功能，能在高沖擊，振動(dòng)的環(huán)境下工作；
??? (3)靈敏度高，控制功率小，電磁兼容性好；
??? (4)快速轉(zhuǎn)換：切換速度可從幾毫秒至幾微秒；
??? (5)電磁干擾?。汗虘B(tài)繼電器沒有輸入“線圈”，因而減少了電磁干擾。
??? 大多數(shù)交流輸出固態(tài)繼電器是一個(gè)零電壓開關(guān)，在零電壓處導(dǎo)通，零電流處關(guān)斷，減少了電流波形的突然中斷，從而減少了開關(guān)瞬態(tài)效應(yīng)。
??? 外部執(zhí)行電路還包括蜂鳴器，紅色LED用來指示通過膠囊顆粒數(shù)目正確與否，膠囊數(shù)目錯(cuò)誤時(shí)紅色LED閃爍，白色LED用來顯示通過任何一個(gè)小孔的膠囊是否被單片機(jī)感應(yīng)到，如若被單片機(jī)感測到，則白色LED亮，若沒有膠囊通過，白色LED不亮。實(shí)驗(yàn)室環(huán)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(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
2．1 軟件設(shè)計(jì)流程圖
??? 軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。

2．2 系統(tǒng)初始化
??? 初始化包含的內(nèi)容如下所示：
??? (1)看門狗程序啟動(dòng)：防止死機(jī)AVR的看門狗既是軟狗又是硬狗，如果熔絲位不設(shè)定，就是軟狗，因?yàn)槌绦蚩梢躁P(guān)閉也可以打開；如果熔絲位設(shè)定了，就是硬狗，因?yàn)槌绦蛑豢梢郧宄?，而無法打開或關(guān)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(dāng)電源電壓降至過低，需要進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位，防止在低壓狀態(tài)下電路進(jìn)行誤操作，或?qū)⒎且资源鎯?chǔ)單元的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤改寫，造成數(shù)據(jù)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(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位。
??? (3)定時(shí)器初始化
??? 欲判定膠囊通過的顆粒數(shù)，不僅需要測定產(chǎn)生的脈沖數(shù)目，而且要測定一粒膠囊通過小孔的時(shí)間。因?yàn)槿缛魞闪；蛘吒嗔Ｄz囊連續(xù)通過小孔的話，只憑脈沖數(shù)目是無法準(zhǔn)確探測膠囊顆粒數(shù)的，故在開機(jī)時(shí)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行定時(shí)器的初始化。
2．3 判斷膠囊數(shù)目
??? 光纖傳感器當(dāng)有藥片經(jīng)過時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)由高到低的脈沖，要準(zhǔn)確判定先要檢測脈沖數(shù)目(通過讀PORTD口來確定)，當(dāng)確定是三個(gè)脈沖時(shí)，繼續(xù)進(jìn)行判別，以一粒藥片通過小孔的時(shí)間為基準(zhǔn)，若脈沖持續(xù)的時(shí)間是設(shè)定時(shí)間的N倍，則說明有N粒膠囊連續(xù)通過某一小孔。

2．4 剔除程序
??? 如圖3所示，包裝小袋在機(jī)器上要先經(jīng)過熱壓再經(jīng)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(hào)。由于剪切刀與漏藥處的小包有兩個(gè)小袋的時(shí)間間隔，程序要做好準(zhǔn)確的延時(shí)，這樣才能準(zhǔn)確地剔除不合格的包裝小袋。

??? 系統(tǒng)的抗干擾措施：
??? 使用光纖傳感器(光纜無電，導(dǎo)線是屏蔽線)；輸出選用光電固態(tài)繼電器(與交流電無任何電氣連接)；設(shè)計(jì)優(yōu)良的穩(wěn)壓電源(在電壓波動(dòng)時(shí)為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓)；看門狗程序(防止死機(jī))；電源監(jiān)測；自學(xué)習(xí)程序；消抖。

3 創(chuàng) 新
3．1 反射式紅外光電傳感器
??? 創(chuàng)新改進(jìn)：設(shè)計(jì)時(shí)考慮到第一個(gè)因素——成本。筆者對同類型的多個(gè)反射式紅外光電傳感器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)比對，此傳感器(見圖4)具有漫反射性能好，抗可見光能力強(qiáng)，探測距離遠(yuǎn)等性能優(yōu)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(hào)時(shí)，旋轉(zhuǎn)Rw1以調(diào)整放大倍數(shù)，旋轉(zhuǎn)Rw2調(diào)整分壓值。實(shí)驗(yàn)測定，當(dāng)無遮擋物(藥片)時(shí)，無輸出信號(hào)；當(dāng)有遮擋物時(shí)輸出頻率為1 kHz的方波。

4 結(jié)語
??? 改進(jìn)后光電傳感器的特點(diǎn)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(huán)境干擾；反射式紅外傳感器探測電路設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)緊湊，成本低廉，便于大量推廣。實(shí)驗(yàn)調(diào)試時(shí)，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(jī)后，實(shí)驗(yàn)證明，由光纖傳感器產(chǎn)生的信號(hào)(毫秒量級(jí))可以被單片機(jī)準(zhǔn)確地辨識(shí)出來，單片機(jī)內(nèi)部晶振為125 kHz。經(jīng)過硬件和軟件的調(diào)試，實(shí)驗(yàn)基本上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了理論所設(shè)想的所有內(nèi)容。該系統(tǒng)已經(jīng)在車間安裝，進(jìn)行實(shí)際的應(yīng)用。