基于光敏器件的投影法药品包装检测系统研究

李汝山 孙彦萍 颜迎金

（山东理工大学电气与电子工程学院，山东淄博255049）

0 引言

在药品的自动包装过程中经常存在一些包装缺损或多余的现象，这就需要对药品包装的完整性进行检测。一般药厂均采用人工检测的方法进行检测，长时间的操作会耗费大量的人力，而且由于人眼会产生疲劳，其检测准确度也会随之降低，检测效率很低。近几年，社会上出现了一些新的检测技术，不仅加快了药品包装检测速度，而且提高了检测效率。

在目前较为先进的基于机器视觉的药品包装在线检测技术的基础上，本文阐述了基于光敏器件的投影法包装完整性检测技术的工作原理。此技术应用于药品生产流水线中，主要针对外层包装盒的检测，检测范围较为广泛，使药品检测水平及效率得到了很大提高。

1 系统元件的介绍

1.1 STC89C52单片机

单片机是指一个集成在一块芯片上的完整的计算机系统，也被称为微控制器（M icro Controller），它最早被应用于工业控制领域。

目前，国内外使用较多的是以51内核扩展出的单片机，即通常所说的51单片机。STC89C52单片机是51系列中的一种带8K字节闪烁、可编程可擦除只读存储器（Flash Programmable and Erasable Read Only Memory，FPEROM）的低电压、高性能CMOS8的微处理器。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MSC-51指令集和输出管脚相兼容。

1.2 光敏电阻

光敏电阻是一种对光敏感的元件，它的电阻值能随着外界光照强弱（明暗）的变化而变化。光敏电阻在电路中用字母“R”或者“RL”、“RG”表示。光敏电阻通常由光敏层、玻璃基片（或树脂防潮膜）和电极等组成，如图1所示。

光敏电阻是利用半导体光电导效应制成的一种特殊电阻器，对光线十分敏感。它在无光照射时，呈高阻状态；当有光照射时，其电阻值迅速减小。光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响，因此要将导光电导体严密封装在玻璃壳体中。如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小，其连线电路如图2所示。

图1 光敏电阻的结构及外形

图2 光敏电阻连接到外电路示意图

光敏电阻具有很高的灵敏度和很好的光谱特性，光谱响应包括从紫外区到红外区范围内，而且体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜，因此应用较为广泛。

1.3 电机驱动器

因为从控制模块输出的信号功率很弱，即使在没有其他外在负载时也无法带动电机，所以在实际电路中通过加入电机驱动芯片可提高输入电机信号的功率，从而能够根据需要控制电机转动。驱动芯片比较常见的是15脚的L298N，内部包含4通道逻辑驱动电路，可以方便驱动2个直流电机或1个两相步进电机。

L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片，如图3所示。该芯片采用15脚封装，其特点有：

图3 L298N电机驱动器

（1）工作电压高，最高工作电压可达46V；

（2）输出电流大，瞬间峰值电流可达3 A，持续工作电流为2 A；

（3）额定功率25W；

（4）内含2个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电机和步进电机、继电器线圈等感性负载；

（5）采用标准逻辑电平信号控制；

（6）具有2个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；

（7）可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。使用L298N芯片驱动电机，可以驱动1台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动2台直流电机。

图4为L298N内部原理，OUT1与OUT2与一个电机的正负极相连，OUT3与OUT4与另一个电机的正负极相连，单片机通过控制IN1与IN2、IN3与IN4分别控制电机的正反转。ENA与ENB分别控制2个电机的使能。

图4 L298N内部原理图

1.4 数据采集元件

1.4.1 74LS148编码器

图5为74LS148管脚图，74LS148为8线－3线优先编码器，共有54/74148和54/74LS148 2种线路结构型式，将8条数据线（0～7）进行3线（4-2-1）二进制（八进制）优先编码，即对最高位数据线进行译码。利用选通输入端（EI）和选通输出端（EO）可进行八进制扩展。

图5 74LS148管脚图

表1为74LS148功能表。表中，0～7为编码输入端（低电平有效）；EI为选通输入端（低电平有效）；A0、A1、A2为3位二进制编码输出信号，即编码输出端（低电平有效）；GS为片优先编码输出端，即宽展端（低电平有效）；EO为选通输出端，即使能输出端。

表1 74LS148功能表

1.4.2 74LS138译码器

74LS138为3线－8线译码器，共有54/74S138和54/74LS138 2种线路结构型式。

图6 74LS138管脚图

（3）若将选通端中的一个作为数据输入端时，74LS138还可作数据分配器。

（4）可用在8086的译码电路中扩展内存。

2 检测系统工作原理的介绍

此设备应用在药品或其他产品的生产线上的工作原理，如图7所示。

图7 检测装置

在检测系统的上方和左侧分别放置着一个光源，光源强度不宜过大，防止光的衍射干扰，在光源前面距透镜的一倍焦距处分别放置一个凸透镜使发散的光源变为平行光，增大检测精度。

在检测系统的底部和右方分别放置15 cm×15 cm（尺寸大小在此只做参考，可根据不同的需要加以调整）的光敏器件（光敏电阻），同时底部是一个由电机驱动可以360°旋转的圆盘，当产品封装好后通过传送带或其他设备运送到此设备的底盘上。

先打开上方的光源，由于产品的遮挡经过透镜的平行光会在底部的光敏感应区域产生阴影区，此时光敏器件采集信号即阴影区的大小反馈给控制器，控制器把采集到的尺寸数据与标准的尺寸大小进行比较，若不符合标准，则通过设备前方的风机将产品吹到回收车内。

若符合标准，则需对产品的侧面进行检验：

打开左侧的光源，同时圆盘以一定的速度开始旋转，随之引起投影面积大小的变化，在变化的过程中分别会出现一个最大以及最小的面积，位于右侧的光敏传感器，实时地将检测到的最小面积数据与标准最小面积数据进行比较。

若符合要求，控制器再控制电机旋转90°，采集另一个侧面面积的大小并与另一标准尺寸比较，若不符合标准，则通过设备前方的风机将产品吹到回收车内。

若符合标准，则通过左侧光源上方的风机将药品吹到位于左侧的传送带上，回到生产线进行其他操作。

在此检测过程中，光敏器件采集的信号反馈给控制器时，采用74LS148编码器将采集到的信号转变成单片机能够识别的二进制数。当单片机将接收到的信号经过分析与处理后，又经过74LS138译码器输出。

3 结语

包装检测在生活中应用广泛，很多与人们生活息息相关的产业都涉及到包装完整性的检测。作为制药产业链的重要一环，此项检测的高效性对整个生产线的作业效率有很大的影响。

本文设计的投影法检测装置创新性强、检测度高，相信能够在包装完整性检测方面得到广泛的推广与应用。

［1］张登荣，刁建锋.浅析药品包装的在线检测［J］.机电信息，2005（18）

［2］郭天祥.新概念51单片机C语言教程：入门、提高、开发、拓展全攻略［M］.北京：电子工业出版社，2009