一种色差检测系统的研制

1一、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。2二、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3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。4三、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。1234567141312111098ABQAQBQCQDGNDVccQHQGQFQERDCP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RD—CP—A或B，当RD为低电平时，不论CP、A、B为何种电平，输出均为低电平。当RD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RD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RD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RD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，5QB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RDCPABQAQB…QHL×××LLLHL××QAOQBOQHOHHHHQAnQGnHL×LQAnQGnH×LLQAnQGn波形如图3-2：RDABCPQAQBQCQDQEQFQGQH图3-274164波形图以下是74164移位寄存器各型号的参数（表3-2）清除清除6表3-2典型参数项目大小输入IN输出OUTNLSALSFACACTHCHCTBCBCT单位fmaxminCLK25256080802122MHZtwminCLK,CLR202075.08.02023nstsuminSERIAL1515074.58.01315nstholdminSERIAL5512101.554nstpdmaxCLEARQ3636111413.514.55148nstpdmaxCLKQ3232101110.512.54445nsIccmaxOPEN542720550.080.080.080.08mAImmaxALLH40200.220μAInmaxALLL1.60.40.10.6mAIOHmaxALLH0.40.40.41242442mAIOLmaxALLL88820242444mA（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。712345558765V+DISTHVCRFTGNDVssVcc,Vdd7555图3-3555引脚排列图Q8Q5Q16Q7Q14Q9Q17Q18Q19Q20Q6Q15Q21D1D2D3D4Q13Q12Q2Q1Q4Q3Q10Q11R?RES28VccVC65TH2T4R7DIS3F1GND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，8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R、T、TH。A1A2FFVCU?反相放大Q15K5K5K1007256THTCD1GND3F8Vcc4R+--+放电图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5557555/7556电源电压+18+18允许功耗600mW200mW/300mW工作温度TOPA0~+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。9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VCC4.516V电源电流ICCVCC=5V,输出低,空载36mAVCC=15V,输出低,空载1015mA5~15V,输出高,空载1mA初始定时精度C=0.1μF1%温度漂移RA、RB=1~100kΩ50ppm/℃VCC变化引起漂移0.01%/V阈值电压VTH2/3VCC触发电压VTVCC=15V5VVCC=5V1.67V触发电流IT0.5μA复位电压VR0.40.71V复位电流IR0.10.4mA阈值电流ITH（注）0.10.25μA控制电压电平VCVCC=15V91011VVCC=5V2.63.334V输出低电平电压VOLVCC=15V，吸10mA0.10.25VVCC=15V，吸50mA0.40.75VVOLVCC=15V吸100mA20.5V吸200MA2.5VVCC=5V吸8mAV吸5mA2.50.35V输出高电平电压VOHVCC=15V放200mA12.5V放100mA12.7513.3V10VCC=5V放100mA2.753.3V输出上升时间TR100ns输出下降时间TF100ns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，T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