烟草行业传感器应用

例2 AT89C2051在包装机小包张口检测 系统中的应用
陈明(武汉数字工程研究所) 毛杰 俞忠民 (武汉卷烟厂)

1 引 言 G．D包装机是目前我国烟草行业引进国外烟支 包装的主流设备，它基本上完全承当烟厂烟支 包装的任务。随着卷烟生产的不断发展及工业 水平的不断提高，许多高档香烟产品的外包装 工艺也越来越考究，其外包装纸盒上都采用金 属涂抹工艺，这样使得包装的要求越来越高。 但是由于其设备设计上的不足，武汉烟厂反映 烟支小包张口、翘边现象常有发生，影响包装 质量，损害产品形象，侵犯了消费者的利益。 这一问题在各个卷烟厂是一个普遍现象。

AT89C2051是一种带2K字节闪速可编程可擦除 只读存储器(PEROM)的低电压、高性能CMOS 8 位微控制器。该器件采用Atmel高密度、固定 存储器制造，与工业标准的MCS51TM指令集和 输出管腿相兼容。由于将多功能8位CPU和闪速 存储器组合在单个芯片中Atmel的AT89C2051是 一种高效微控制器，在很多嵌入式控制领域提 供了一种灵活性高且稳定的方案。


AT89C2051具有以下一些标准特性：2K字节的 闪速存储器，128字节RAM，15个I／O线，2个 16位定时器／计数器，5个两级中断源结构 ， 一个全双工串行口，一个精确的模拟比较器 、 片内振荡器和时钟电路。此外，AT89C2051设 有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下工作， 支持两种软件可选的省电模式。在闲置模 式 下CPU停止工作，但RAM、定时器／计数器、串 口和中断系统仍然在工作。在掉电模式下，保 存并冻结RAM的内容，振荡器禁止所有其他 芯 片功能，直到下一个硬件复位为止 。 I/O分配如下：

(2)显示单元 本系统采用LED指示灯和两位LED数码管分别来 指示出电源、剔除、停机、剔除烟包数等等输 入输出状态，直观地显示出G.D包装机的运行 情况及本张口检测系统完成实时检测、跟踪剔 除及损包数量等功能的情况，一目了然，便于 工厂维修人员调试和维修 。

4 功能描述 本检测系统接收来自损烟包检测传感器和剔除 到位检 测传感器的信号后，经过CPU处理，完 成剔除破损烟包的动作，实现剔除功能，并且 记录下剔除烟包的数量，在LED上显示出来， 质量人员分析统计。当出现大量破损烟包(连 续l0包)时，产生一个停机信号，故障排除后 按下本检测系统的‚停机复位‛按钮，停机信 号 消除。


4 设计中应注意的问题 ADS774在使用中有一些需要注意的问题 ： (1)ADS774的模拟地(9脚)和数字地(15脚)在内 部没有连接，在印制板设计中，应用尽可能短 的线，分别将这两端与公共地连接起来，将9 脚和模拟地连接，将 15脚和数字地连接。 如果一个系统的公共地不能明确确定，那么需 要将9脚和15脚在ADS774处连接起来，用1根较 宽的印制板线将连起来的线引到系统地上。这 样可以阻止引起来自输入信号的供电电源的公 共返回部分的电压跳变。


ADS774的设计特点保证了A0的可随时输入，并 且不会对转换器造成伤害。8个数据端也可以 不同时有效。A0一般由地址线中不重要的位来 驱动，输出数据可以存到2个具有连续地址的 存储单元中。 图2、图3所示为独立工作模式下 ，R／C信号 的时序图。



图2中，R／C端出现一个低电平时，三态输出 门处于高阻状态，转换完毕时，才允许外部器 件读取结果 。 图3显示，当R／C端出现一个高电平时，前次 转换的结果可以从输出端读出。R／C的下降沿 启动新的转换，然后，三态输出门重将处于高 阻状态，直到下一 R／C低电平出现为止。 R／C信号的下跳沿启动开始转换，在R/C有一 正脉冲且状态标志为低时完成转换，然后可在 STATUS负脉冲出现时完成输出，或由R／C正脉 冲完成输出。在两种情况下，为了使A／DC可 靠实现采样保持转换，R／C脉冲的低电平保持 时间必须超过25ns。

在软盒包装机上应用小包影像检测仪对于包装机的整 体来说影响不大，这里选用 CLOV—VC—301型小包分 检仪控制器来做分析说明。这种型号的控制器除了包 括高速精准的彩色视觉系统 CV—751控制器的核心组 件外，还包括两个 CV—070照像机、RCA—RCA监视器 缆线、I/O终端机、独立的单片机控制板、变压控制 器、液晶显示面板。另外还有与之相关的气阀、电源 开关、光源、散热风扇等。其中，CV—751是一款优 秀的高速精准的彩色视觉系统控制器，它可以应用在 很多生产加工企业中。通过5种检测模式对多种批量 生产的单元以及单元组在高速运动中进行检测，正是 由于其自身的稳定性和精准性，加上几乎不影响生产 的连续性，所以这种控制器广泛应用于很多的零部件 上。在GDX1的烟桥上应用于检测缺陷烟包时，效率很 高。下面就从几个方面深入分析。

根据上述问题，针对这些实际情况，研制出 G．D小包张口检测系统。G．D小包张口检测系 统是用于识别及跟踪剔除在烟支包装过程中产 生的破损单包香烟，以提高包装机的成品合格 率。该检测系统由单片微型计算机组成，完成 实时检测、跟踪剔除及统计损包数量等功能。 该系统的推出，很好地解决了在实际生产过程 中产生的破损单包香烟的问题，对于保障产品 的质量尤其是高档卷烟的质量有着重要的意义。


5 系统软件设计 本系统软件由主程序、中断服务程序和各个子 程序组成。程序设计采用结构化模块程序设计 的思想，各个模块间采用程序调用方式连接， 使软件系统简洁可靠，易于维护 ，易于升级， 为功能扩展预留下空间。 (1)主程序 在主程序中，首先对系统各个I／O口、内部各 个工作寄存器、控制器进行初始化。经过相关 处理后调用显示子程序，开中断监测G．D包 装机运行情况。程序框图如图2所示：




1 转换器ADS774简介 ADS774是BURR—BR0WN(BB)公司设计生产的逐 次逼近式模数转换器，4种可选电压范围输入 ： 0——+1O V，O—— +20，-5——+5 V 和 1O——+10 V， 12位或8位可选输出，单一+5 V供电； 采用低功耗C0MS工艺和新的电容阵列技术； 包含有内部时钟、微处理器接口、三态输出缓 冲器以及若干组内部可调阻抗，功耗最大为20 mw ，转换时间≤8.5微妙。
烟草行业传感器检测技术 若干创新应用实例
山东大学控制学院 李现明
例1：ADS774在烟支重量检测系统的应 用 贾爱琴(中国电子科技集团公司第27研 究所)


PASSIM 卷烟机组是英国莫林斯公司设计的高 速卷烟机。重量检测系统是该卷烟机组中一个 独立的闭环系统，他实时检测每支烟的重量， 实现对烟支重量控制、烟支剔除、数据显示、 故障告警等功能。检测烟支重量时，首先通过 A／D变换器 ，将反映烟支重量的模拟电信号 转换为数字信号，用数字的方式进行处理。因 此 ，为提高烟支检测精度，采用高精度、高 分辨率的A／D变换器成为其中的关键技术，他 的性能直接影响重量检测性能。设计中采用12 位的ADS774作为A／D变换器，下面对器件、变 换电路设计及其工作原理进行详细介绍 。


3 ADS774在烟支重量检测 系统中的应用原理 ADS774作为高分辨率的模数转换器，应用在了 PASSIM 卷烟机组的重量检测系统中，他工作 在独立 模式下，数据转换只受R／C 信号控制， 其原理框图如图4所示。 模拟的重量信号为单极性0—10V输入，A／D转 换器在128ECP脉冲信号触发下，完成对模拟信 号的采样保持和转换。A／D转换器的12位数据 输出，在转换完成之后，由状态信号STATUS进 行锁定；锁定输出接微处理器的数据总线，并 由微处理器读入内部存储器进行处理。


(2)ADS774的转换启动由3个逻辑输入端(CE，CS和 R／C)的任何一个跳变决定的。当3个信号中的最 后一个到达所需状态时，转换开始，所以3个输入 要适时地控制。必要时，3个输入要同时转换状态， 不管哪个输入启动转换，都要尽可能地缩短延时。 如果想要利用一个信号单独地启动一个转换，则 另外2个信号至少要在启动信号转变后的5Ons内保 持稳定。 (3)ADS774的状态输出信号STATUS提供了转换器当 前的状态。当状态信号为高电平时，器件处在转 换 中，此时三态输出缓冲器处于高阻状态，无法 从输出端读出正确数据。在此期间，输出线上的 信号转变将被忽略掉，以免影响转换器正常工作。


ADS774有5个输入控制信号，可以与大多数微 处理器和其他数字系统直接 相 连接 。 ADS774可以在2种模式下工作：一种是工作过 程 由微处理器控制，即所谓非独立方式；一 种是独立运 行工作模式，即通过R／C输入触 发信号的采样、保持和转换 。在PASSIM 重量 检测系统设计中，采用的是独立运行模式，其 转换过程只受R／C信号控制 。


根据状态真值表，ADS774的4个逻辑状态CE， CS，R／C和STATUS，当CE为 ‘高’，CS为 ‘低’，R／C为下降沿，STATUS为 ‘低’同 时出现时，ADS774开始启动转换，此时，输出 数据总线处于高阻状态。 当CE为‘高’，CS为‘低’，R／C为‘高’， STATUS为 ‚低‛时，根据12／8和A0的逻辑状 态，分2种情况将有效的数据放到数据总线上。 当12／8信号线为高电平时，12位输出线 (DB0——DB11)同时有效，A0的变化不起作用； 当12／8信号线为低电平时，数据以2个8位字 节的形式输出，AO为低电平时，输出高8位有 效，当AO为高电平时，输出数据的低4位。

(2)中断服务程序 在中断服务程序中，INT1用来监测损烟包检测 信号，设置相应标记。INT2根据中断程序l的 情况完成是否剔除、是否停机、是否剔除包数 加1等功能。程序框图如图3所示。




6 系统特点 高可靠性：由于采用了光电传感器和单片机为 中央处理器，使得传感器检测的准确性及本 系统的抗干扰能力得到了有利的保证 。 完全兼容性：充分考虑了原G．D包装机的设计， 本系统的应用不影响包装机的正常运行 。 安装方便性：系统安装方便，不改变原G．D包 装机的原形，结构简单 。 免维护性：由于上述的特点，使得本系统不需 维护。