一种色差检测系统的研制.docx
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一种色差检测系统的研制
一、绪言
在我国,烟草行业是国家、社会发展的支柱产业,烟草行业每年所创造的税利一度是国家和地方税收的重要来源,在全国GDP中占有较大的比例。
而南宁卷烟厂作为南宁市的龙头企业,历年来的年生产总值、上交利税均排在全市各家企业的首位,并已成为南宁市税收及各项财政开支的重要来源。
因此,南宁卷烟厂的经济发展,不仅仅是南宁烟草、广西烟草发展中的大事,同时也是支持南宁市经济建设、城市发展的核心力量。
我国自加入WTO后,国内企业在走出国门、参与世界竞争的同时,在技术、产品质量、市场、服务等方面也面临着国外企业的强烈冲击,而烟草行业虽然曾经有国家专卖制度的保护,但随着国家卷烟市场的逐步放开,各省、市卷烟产品自由流通,以及万宝路、555、希尔顿、七星等外烟的大量涌入,同样也正在面临着国内、国外市场的激烈挑战。
近年来,广西烟草工业虽然取得了较快的发展,但与临近的云南、湖南、广东等烟草大省相比,仍然有很大的差距。
只有仅仅抓住技术改造与产品质量,才是南宁卷烟厂发展的方向。
而作为企业设备管理和技术人员,只有不断加强设备维护、管理,加快设备改造步伐,进一步提高设备技术水平,才能确保产品外包装质量。
南宁卷烟厂软盒卷烟包装所使用的设备为英国全装进口BE机型包装生产线,生产能力为400包/min,机速快,自动化程度较高。
封签纸上胶并粘到烟包上之后,随即进入下一道工序。
由于烟包在设备上的运行速度很快,人眼几乎无法分辨封签纸是否已经粘上,或是否粘贴端正、牢固,只靠操作人员在瞬间判断出烟包是否粘上封签纸,并把未粘封签纸的烟包剔除是很难实现的,因此常有缺签烟包出现,如不谨流入市场,将会对销费者利益及企业形象造成极大的损害。
软盒卷烟用封签纸面积小(45×22mm)、厚度薄(约0.07mm),纸张较柔软,难以检测,无论是机械检测器、红外检测器都不适合封签纸的检测。
目前国内还没有用于这方面的实用、有效的检测系统。
如何检测无封签纸烟包,并将之剔除已成为烟草行业急需解决的难题。
色差检测器的出现,使检测无封签纸烟包成为可能,本文正出于这一考虑,采用色差检测器,设计出一套有效的光电检测报警系统,填补了该领域的空白。
二、检测器的分类
根据检测器与被测物体是否接触,检测器可分为接触式检测器和非接触式检测器两大类。
(一)、接触式检测器
接触式检测器是通过被测物体与检测器的相对运动、撞击,使开关实现开、合动作,从而控制线路的一种检测器。
如冲击开关、微动开关等。
因接触式检测器与被物体接触,所以一般使用于被测物体为硬物、且与检测器接触时不易变形、被划伤的场合。
接触式开关造价低廉、故障率高,工业上一般用于机床的限位等。
(二)、非接触式检测器
非接触式检测器是不与被测物体接触的。
根据检测方法及被检测物的性质,非接触式检测器又可分为电磁式检测器和红外线检测器两种。
1、电磁式检测器
电磁式检测器就是把位量转变为以电量形式的开关量信号的电子传感器件。
它由振荡器和整形放大器组成振荡器起振后在开关的感应头上产生一个交变的磁场,当金属体接近感应器时,在金属体内产生了涡流,从而吸收了振荡的能量,使振荡幅度减少以至于停振使接近开关达到反转目的。
此类检测器为高频振荡型。
它以无接触、无压力、无火花,迅速地发出检测信号,用以驱动继电器或逻辑门,它具有灵敏度高,频率反应快,重复定位精度高,瞬变过程短,输出功率大、继电特性好,工作稳定可靠,使用寿命长等一系列优点。
广泛用于现代轻工、机械、冶金、交通、电力、军工、纺织、化工、矿山科研究等部门作机床和工业生产自动流水线及微机信号,数控装置等,作位置控制及程度加工的自动衔接及自动控制运动机械的行程与限位、测速、物位等自动计数。
检测对象为金属物件,检测距离一般为0~25mm。
2、红外线检测器
红外线检测器是通过红外反射元件发出红外线信号,信号被检测对象改变后再被红外接收元件接收,从而得到探测结果的检测器件。
根据探测光路方向可分为反射式检测器和对射式检测器两种:
(1)、对射式检测器。
对射式检测器多用于工业生产控制中的自动计数,其实现条件为被测物件遮挡光路,实现控制简单,成本较低,但反射与接收部分分开安装,所占空间较大,精度低,且不能判别出被检测物件的性质,因此智能化程度不高。
(2)、反射式检测器
反射式检测器是一种从检测器发射出探测信号,经被测对象反射回检测器内部的接收器件,从而产生电信号的探测装置。
根据接收器件的原理及灵敏度,反射式检测器又可分为普通反射式红外检测器及色差检测器。
1普通反射式检测器:
普通反射式红外检测器是由光敏接收反射光产生单一的电信号。
2色差反射式检测器:
色差检测器据不同的反射光谱,生产不同的电信号,以区别不同的物质。
三、基础知识和基本理论
(一)、741648位移位寄存器
1、74164移位寄存器的结构
74164的引脚如图3-1,第1、第2脚为控制输入端,第9脚为清除复位端,第8脚为时钟脉冲输入端,第7脚接地,第14脚电源端,第3~6、10~13脚为信号输出端。
图3-174164引脚图
2、74164移位寄存器的工作原理
74164各控制端的先后顺序为
—CP—A或B,当
为低电平时,不论CP、A、B为何种电平,输出均为低电平。
当
为高电平,CP为低电位,A、B不改变时,则各输出端均为原始值。
当
为高电平,CP上升沿时,若A、B为高电平输入,则QA为高电平输出,QB输出QA上一脉冲值,QC输出QB上一脉冲值,同理,QH输出QG上一脉冲值。
当
为高电平,CP值上升沿,B不变,A为低电平时,则QA输出低电平,
QB输出QA上一脉冲值,QC输出QB上一脉冲值,…,QH输出QG上一脉冲值。
当
为高电平,CP值上升沿,A不变,B低电平输入时,则QA低电平输出,QB输出QA上一脉冲值,QC输出QB上一脉冲值,…,QH输出QG上一脉冲值。
综上所述,得出功能表(表3-1)
表3-1功能表
输入
输出
CP
A
B
QA
QB
…QH
L
×
×
×
L
L
L
H
L
×
×
QAO
QBO
QHO
H
H
H
H
QAn
QGn
H
L
×
L
QAn
QGn
H
×
L
L
QAn
QGn
波形如图3-2:
A
B
CP
QA
QB
QC
QD
QE
QF
QG
QH
图3-274164波形图
以下是74164移位寄存器各型号的参数(表3-2)
表3-2典型参数
项目
大小
输入
IN
输出
OUT
N
LS
ALS
F
AC
ACT
HC
HCT
BC
BCT
单位
fmax
min
CLK
25
25
60
80
80
21
22
MHZ
tw
min
CLK,CLR
20
20
7
5.0
8.0
20
23
ns
tsu
min
SERIAL
15
15
0
7
4.5
8.0
13
15
ns
thold
min
SERIAL
5
5
12
1
0
1.5
5
4
ns
tpd
max
CLEAR
Q
36
36
11
14
13.5
14.5
51
48
ns
tpd
max
CLK
Q
32
32
10
11
10.5
12.5
44
45
ns
Icc
max
OPEN
54
27
20
55
0.08
0.08
0.08
0.08
mA
Im
max
ALL
H
40
20
0.2
20
μA
In
max
ALL
L
1.6
0.4
0.1
0.6
mA
IOH
max
ALL
H
0.4
0.4
0.4
1
24
24
4
2
mA
IOL
max
ALL
L
8
8
8
20
24
24
4
4
mA
(二)、555时间电路
1、555时间电路的基本特性
555时间集成电路外形封装有TO-99和DIP-8(小型双列8脚);少数产品如RV6555DC、LB8555及M52051采用DIP-14脚封装;还有内含相同的两个时间电路称为双555型或556型的均采用DIP-14脚封装外壳。
如图3-3所示。
其中7555、7556是采用CMOS工艺制成的555、556电路。
图3-4是555的内部等效电路。
555的原始产品是NE555,后为竞相仿制的有LM555、μA555、XR-555、5G1555等统称为“555”。
它们的等效电路、形式和内电阻值虽略有区别,但基本结构(见图3-4)并无根本的差别,并且按内部电路功能结构都可简化成图3-5的形式。
由图可见,它具有控制、触发、电平检测比较以及放电和输出放大等功能。
图3-3555引脚排列图
图3-4555内部等效电路
555内部电路的中心是三极管Q15和Q17加正反馈构成的RS触发器。
输入控制端有直接复位R,通过比较器A1复位控制的TH、通过比较器A2置位的T。
输出端为F,另外还有集成电路开路形式的放电端DIS。
优先控制的顺序依次为
、
、TH。
图3-5555等效功能框图
表3-3是555及7555的极限参数,不同的封装形式及不同的生产厂家产品,各参数值会略有不同。
所谓极限参数,仅是不损坏的厂家保证界限,并非可以工作的条件。
若在高温(65℃以上)环境下使用,则允许功耗降低,要保证器件内结温在150℃以下。
其热阻约为45~100℃/W,根据外壳封装材料及形式而不同。
表3-3555/7555极限参数
参数
555
7555/7556
电源电压
+18
+18
允许功耗
600mW
200mW/300mW
工作温度TOPA
0~+70℃
-10~+70℃
军用-55~+125℃
-40~+85℃(双列)
-55~+125℃(金属壳)
存贮温度TSTG
-565~+150℃或-65~+175℃
引脚温度
300℃(焊10s)
表3-4是555的电气特性参数,这也可以看成是所有555型产品的典型参数。
由表1.2可见,作为RC时间振荡电路,555具有较高的精度和稳定性,单稳定时初始精度在计算值的1%之内,电源电压变化引起的漂移仅为0.1%/V,温度变化引起的漂移也仅为50ppm/℃(即0.005%/℃)左右。
表中的测试条件除另有注明外,均为TA=25℃、VCC=+5~15V,NE555的工作温度在0~+70℃,SE555为-55~+125℃(常称为军用品温度范围)。
表3-4555电参数
参数
条件
NE555
最小
典型
最大
单位
电源电压VCC
4.5
16
V
电源电流ICC
VCC=5V,输出低,空载
3
6
mA
VCC=15V,输出低,空载
10
15
mA
5~15V,输出高,空载
1
mA
初始定时精度
C=0.1μF
1
%
温度漂移
RA、RB=1~100kΩ
50
ppm/℃
VCC变化引起漂移
0.01
%/V
阈值电压VTH
2/3
VCC
触发电压VT
VCC=15V
5
V
VCC=5V
1.67
V
触发电流IT
0.5
μA
复位电压VR
0.4
0.7
1
V
复位电流IR
0.1
0.4
mA
阈值电流ITH
(注)
0.1
0.25
μA
控制电压电平VC
VCC=15V
9
10
11
V
VCC=5V
2.6
3.33
4
V
输出低电平电压VOL
VCC=15V,吸10mA
0.1
0.25
V
VCC=15V,吸50mA
0.4
0.75
V
VOL
VCC=15V
吸100mA
2
0.5
V
吸200MA
2.5
V
VCC=5V
吸8mA
V
吸5mA
2.5
0.35
V
输出高电平电压VOH
VCC=15V
放200mA
12.5
V
放100mA
12.75
13.3
V
VCC=5V
放100mA
2.75
3.3
V
输出上升时间TR
100
ns
输出下降时间TF
100
ns
注:
ITH决定RA+RB的最大值,在VCC=15V时的最大总电阻值R=20MΩ。
2、555延时器单稳态工作原理
图3-6示出单稳态工作的方式。
先看R51=∞即无该电阻器的情形,VC端(即第5脚)电压为VCC的三分之二,TH端(即第6脚)阈值电压为VCC的三分之二,
端(即第2脚)触发电压为VCC的三分之一。
在未受触发的预备状态即稳态时,DIS及F端(第7脚及第3脚)同时为地电平或低电平状态,定时电容器C通过DIS接地。
复位端R虽然只要加上0.4~1V以上电压即可,但为防止干扰的影响,还是应连接到电源VCC才能保证可靠工作。
C2的作用是防止干扰电压加到VC端,以免改变预先设定的单稳定时间隔(脉宽)。
C1和R1微分电路将触发脉冲变成脉宽约1μs的窄脉冲去触发第2脚(下跳沿起作用),这样可避免上跳沿形成的误触发。
图3-6单稳态延时触发器
当
端由输入脉冲下跳沿触发且脉冲电压低于VCC的三分之一时,内部触发比较器翻转就使内部触发器(FF)置位,于是进入准状态——输出F为高电平,放电端DIS内部开,从而解除了电容器C的箝位。
电源电压开始通过定时R向C充电,充电时间为常数RC。
直至C上电压VRC上升达三分之二时,阈值比较器翻转使内部FF复位,输出F端回到低电平。
电路一旦受触发后,在准稳态期间再次出现的触发脉冲就不再起任何作用,但是复位端R若下降为低电平(0.4V以下),则可以使准稳态提前结束。
单稳延时即准稳态时间t是C上电压从零充电至VCC的三分之二,即满足下式
ΔV=2/3VCC=VCC(1-e-t/RC)
由此可得延时或定时时间为
t=-RCln(1/3)
≈1.1RC
(三)、CD4001四2输入并出或非门与RS触发器
1、CD4001
CD4001由4个二输入或非门单元电路构成,其引脚排列见图3-7所示。
或非门是执行逻辑或非功能的电路,其逻辑符号和真值表如表3-6所示,逻辑关系的特点为:
只有当输入端全部为低电平“0”时,输出端为高电平“1”;在其余状态下,输入端均为低电平“0”。
或非门逻辑关系表达式为:
Y=
,式中,Y为输出端,A、B为输入端。
图3-7CD4001引脚图
表3-6或非门符号及真值表
输入端A
输入端B
输出端Y
0
0
1
1
0
0
0
1
0
1
1
0
2、触发器的电路结构与动作特点
基本RS触发器(又称R-S锁存器)是各种触发器电路中结构形式最简单的一种。
同时,它又是复杂电路结构触发器的一个组成部分。
(1)、电路结构与工作原理
我们知道,各种门电路虽然都有两种不同的输出状态(高、低电平,亦即1、0),但都不能自行保持。
例如在图3-8所示电路中,如果只有一个或非门G1,那么当另一个输入端接低电平输出时ν01的高、低电平将随输入ν11的高、低电平而改变。
因此它不具备记忆功能。
图3-8用或非门组的成的基本RS触发器
(a)、(b)电路结构(c)图形符号
如果用另一个或非门G2将ν01反相(同时将G2的另一个输入端接低电平),则G2的输出ν02将与ν11同相。
现将ν0接回G1的另一个输入端,这时即使原来加在ν11输入端上的信号消失了,ν021和ν02的状态也能保持下去。
这样就得到了图3-8(a)中由两个或非门所组成的基本RS触发电路。
由于G1和G2在电器中的作用完全相同,所以习惯上将电路画成图3-8(b)的对称形式。
Q和
称为输出端,并且定义Q=1,
=0为触发器的1状态,Q=0,
=1为触发器的0状态。
SD称为置位端或置1输入端,RD称为复位端或置0输入端。
当SD=1、RD=0时,Q=1,
=0。
在SD=1信号消失以后(即SD回到0),由于有Q端的高电平接回到G2的另一个输入端,因而电路的1状态得以保持。
当SD=0、RD=1时,Q=0,
=1。
在RD=1信号消失以后,电路保持0状态保持不变。
当SD=RD=0时,电路维持原来的状态不变。
当SD=RD=1时,Q=
=0,这既不是定义的1状态,也不是定义的0状态。
而且,在SD和RD同时回到0以后无法断定触发器将回到1状态还是0状态。
因此,在正常工作时输入信号,应遵守SDRD=0的约束条件,亦即不允许输入SD=RD=1的信号。
将上述逻辑关系列成真值表,就得到表3-7。
因为触发器新的状态Qn+1(也叫作次态)不仅与输入状态有关,而且与触发器原来的状态(也叫做初态)有关,所以把Qn也作为一个变量列入了真值表,并且把Qn称做状态变量,把这种含有状态变量的真值表叫做触发器的特性表(或功能表)。
表3-7用或非门组成的基本RS触发器的特性表
SD
RD
Qn
Qn+1
0
0
0
0
0
0
1
1
1
0
0
1
1
0
1
1
0
1
0
0
0
1
1
0
1
1
0
0*
1
1
1
0*
*SD、RD的1状态同时消失后状态不定。
(四)、三端固定正电压集成稳压器7800系列
7800系列按输出电压为5V,6V,9V,12V,15V,18V,24V,命名为7805,7806,7809,7812,7815,7818,7824;按负载电流为0.5A,1.5A分类为W78M00和W7800。
为了方便,下面以W78M24为例进行论述。
图3-9集成稳压器7800系列
图3-9是7800系列的线路图。
启动电路是由电阻R4,R5,R6,稳压二极管VDW1、晶体三极管VT12,VT13组成。
当电路接通电源时,输入电压Ui使电阻R4和稳压二极管VDW1支路流过电流,此时VDW1有7V的稳压电压,从而使VT12管导通,约为1mA的恒定电流流过电阻R5,R6,R7。
这时有电流注入VT13管,使VT13管导通,从而有电流通过VT1,VT7,R1支路。
VT13的集成电流流过VT9,VT8镜像电流源,使其正常工作。
在整个电路工作正常后,VT13管截止,起动电路与基准电路的联系被切断。
误差放大器是共射放大器,它由VT3,VT4,及VT9构成。
为提高误差放大器的输入阻抗,VT3,VT4接成达林顿型式。
为增大误差放大器电压增益,用VT8,VT9管组成的电流源作为集电极的有源负载。
接成达林顿结构的VT16,VT17管是调整器件,也具有很高的输入阻抗,它由误差放大器VT4的集电极输出推动,这样,整个放大器都有极高的增益。
基准电压源电路是由R1,R2,R3,R4,VT1,VT2,VT3借助于VT4,VT5,VT6,VT7,和R15组成,它属于能带间隙式基准电压源电路。
取样电阻是由R19和R20组成。
输出电压的变化量与基准电压比较后送入误差放大器VT3,VT4的基极。
由于VT3,VT4本身的E,B极PN结电压是基准电压的组成部分,所以误差放大器的工作状态受温度影响不大,工作稳定性很好。
假设由于负载变化引起输出电压增加,其变化量由电阻R19,R20取样后返销到误差放大器VT3基极使其电位提高,从而VT3,VT4集电极电流提高,其集电极电位下降,即调整管其极电位下降,输出管压差变大,输出电压降低,抵消了原来输出电压增大的变化,使输出电压保持稳定。
过流保护是由R11和VT15完成的。
R11串联在调整管VT17的发射极和输出端之间。
当输出电流超过额定值时,即R11压降超过0.7V时,VT15管导通,使VT16管基极电位降低,减少注入,从而限制了输出电流。
R13,VD2,R12,和VT15管组成了调整安全工作区保护电路。
在容许的工作电流下,VT17管的基-射压差限制在一定范围里(约7V),超过这个范围时,R13,VD2支路将有电流通过,其中一部分注入VT15管的基极使其工作,限制VT17的输出电流。
VT17管集射压差越大,VT15管基极注入电流越大,VT17集电极电流就减少得越多,使VT17的工作电压、电流保持在安全工作区内。
R7和VT14组成了过热保护电路。
R7是正温度系数的扩散电阻,VT14管的E,B结电压具有负的温度系数,VT14管的集电极接在VT16管的基极上。
温度较低时,R7上的压降不足以激励VT14管导通,对输出调整管没有影响。
当芯片温度达到临界值时,R7上的压降升高,VT14管导通,VT14集电极电位降低,从而减小VT16,VT17的输出电流,减小芯片功耗,降低芯片的温度,达到过热保护的目的。
四系统的实现
(一)、系统设计指标
(1)因BE卷烟包装机组生产能力为8000支/min,每包烟内有20支,则要求检测系统的工作频率
>
÷60=6.67Hz。
(2)有声音报警及自动剔除功能,声音报警延时约2秒,剔除位置在检测器后第11步。
(3)因设备上的空间有限,要求检测距离为0~50mm。
(4)工作环境温度:
20~24℃。
(5)封签纸颜色与烟包商标纸颜色不同。
(6)设备供给电压VDD:
+DC24V。
(二)、初步方案
1、系统的初步设想
在生产过程中,操作工人繁忙,且机器运行速度很高,不能等操作人员手工剔除无封签烟包,检测系统必须有自动剔除装置,同时,为了防止有漏剔现象,提醒工人注意,还要有铃声报警系统。
烟包通过一段长900mm、宽60mm的导轨时,由检测器检测是否有封签纸并报警,当烟包运行至第11步时把无封签烟剔除,完好烟包继续进入下一道工序(见图4-1)
检测器
图4-1烟包检测流程图
2、系统的组成
图4-2烟包检测原理图
BE卷烟包装机缺封签纸检测系统的组成如图4-2,由色差检测器检测封签纸,当有封签纸的烟包通过时,检测器输出低电平,铃声报警不进行,剔除机构不执行;当无封签纸的烟包通过时,色差检测器输出高电平,铃声报警部分即时执行报警,铃声持续一段时间后,自动停止,恢复至原来的状态。
在执行铃声报警的同时,自动剔除机构开始计位,当无封签纸烟包运行到规定位置时,信号传给继电器,带动电磁阀,控制剔除执行机构把烟包剔除之后自动复位,为下一操作准备。
根据原理图,可把系统分为同步信号整形模块、移位模块、稳压电源模块、剔除模块、色差检测模块和延时报警模块六个模块,见总体设计框图(图4-3)
图4-3总体设计框图
(三)、系统的设计(见图4-4)
1、检测器的选择
由于卷烟的封签纸为纸质,电磁式检测器是无法检测的,不能使用电磁式检测器。
若使用对射式检测器,由于有无封签纸的烟包都能遮挡检测光,所以无法检测出封签纸是否存在。
因封签纸与烟包顶部的颜色不同,两者返回的光谱也不同,所以色差检测器能很好地区分封
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- 一种 色差 检测 系统 研制