食品包裝中地磅自動(dòng)定量計(jì)量系統(tǒng)研究

對(duì)食品包裝地磅自動(dòng)定量計(jì)量系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)和結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行說(shuō)明，其主要技術(shù)包括傳感器技術(shù)、信號(hào)預(yù)處理技術(shù)、A/D 轉(zhuǎn)換技術(shù)、微控技術(shù)和人機(jī)交互技術(shù)。深入分析了食品包裝自動(dòng)定量計(jì)量系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，主要控制系統(tǒng)為核心，結(jié)合電源系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、儲(chǔ)存系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和人機(jī)交互系統(tǒng)構(gòu)成整個(gè)硬件系統(tǒng)，Realview MDK 軟件為開(kāi)發(fā)工具，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的軟件實(shí)施辦法。最后從物料計(jì)量精度、硬件抗誤差能力和軟件控制精度三個(gè)方面入手，提出完善該系統(tǒng)的解決方案。

隨著我國(guó)人民生活水平的提高和食品消費(fèi)市場(chǎng)的不斷壯大，消費(fèi)者對(duì)食品的質(zhì)量要求越來(lái)越高，而食品包裝作為食品產(chǎn)品重要組成部分，具有保障食品質(zhì)量、方便食品運(yùn)輸和提升食品整體美感等作用。

食品包裝常常采用人工計(jì)量方式進(jìn)行稱(chēng)重，這種方式的人工勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，同時(shí)手工稱(chēng)量誤差大，易造成食品重量稱(chēng)量的精度不足[3]。近些年電子技術(shù)的發(fā)展使得自動(dòng)化稱(chēng)量設(shè)備逐步代替手工稱(chēng)量，機(jī)械行業(yè)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的跨越式發(fā)展顯著提高了食品包裝技術(shù)的自動(dòng)化水平，其中自動(dòng)化定量計(jì)量包裝已經(jīng)占食品總包裝市場(chǎng)份額的 75 %左右，并且還呈現(xiàn)不斷增長(zhǎng)的勢(shì)頭。電子計(jì)量技術(shù)是自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它包含了電子技術(shù)、控制技術(shù)、傳感器技術(shù)及自動(dòng)化技術(shù)，是一種將無(wú)序的物料穩(wěn)定分成規(guī)定質(zhì)量的裝置。食品包裝根據(jù)計(jì)量次數(shù)要求可分為單次計(jì)量和分量計(jì)量，其中單次計(jì)量是指食品包裝整個(gè)過(guò)程只需進(jìn)行一次計(jì)量，適合物料單一的食品包裝系統(tǒng)，分量計(jì)量是指根據(jù)不同物料的質(zhì)量配比分別加入同一包裝，同時(shí)自動(dòng)定量系統(tǒng)在用于食品包裝時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)食品自動(dòng)連續(xù)包裝，降低人工成本，提高包裝效率。

目前我國(guó)自動(dòng)定量系統(tǒng)用于固體食品包裝的技術(shù)及設(shè)備已經(jīng)比較成熟，但針對(duì)液體及具有粘性的半固體食品等流動(dòng)性物料的計(jì)量包裝設(shè)計(jì)及使用仍存在一定的局限性，基于此，本文在目前食品包裝定量計(jì)量系統(tǒng)的研究基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一套適合具有流動(dòng)性的食品的計(jì)量包裝。

1.食品包裝自動(dòng)定量計(jì)量系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 食品包裝自動(dòng)定量計(jì)量系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)

食品包裝自動(dòng)定量計(jì)量系統(tǒng)的功能包括計(jì)量和自動(dòng)包裝，它是食品自動(dòng)包裝機(jī)械最重要的系統(tǒng)，一般可根據(jù)計(jì)量方式分為三種，即：容積式計(jì)量，用于流動(dòng)性較好的液體物料的計(jì)量，該計(jì)量裝置結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，計(jì)量效率高，但加工精度較低；稱(chēng)重式計(jì)量，用于流動(dòng)性較差的半固體物料的計(jì)量，由于半固體物料易結(jié)塊，因此對(duì)于計(jì)量裝置要求較高，該計(jì)量裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，單次包裝耗時(shí)長(zhǎng)，但加工精度高；計(jì)數(shù)式計(jì)量，用于顆粒狀或塊狀固體物料的計(jì)量，利用轉(zhuǎn)盤(pán)式計(jì)量器使顆粒狀物料邊稱(chēng)重便落入物料箱，直到重量到達(dá)指定標(biāo)準(zhǔn)后，進(jìn)行卸料填充操作，完成包裝。

食品包裝自動(dòng)定量計(jì)量系統(tǒng)具有較高的自動(dòng)化程度是由于其內(nèi)部包含眾多電子化技術(shù)，其中主要有：①傳感器技術(shù)，傳感器作為檢測(cè)裝置，主要用于獲取設(shè)備工作過(guò)程中的相關(guān)參數(shù)信息，并轉(zhuǎn)化成電信號(hào)進(jìn)行傳輸及其他后續(xù)操作，傳感器是食品包裝自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)與外界聯(lián)系的節(jié)點(diǎn)，應(yīng)具有靈敏度高、穩(wěn)定性好及線(xiàn)性范圍廣等特點(diǎn)。②信號(hào)預(yù)處理技術(shù)，傳感器直接接收到的信號(hào)一般比較微弱，難以直接被處理器獲取，因此可使用信號(hào)預(yù)處理技術(shù)將信號(hào)放大，同時(shí)過(guò)濾噪聲，排除干擾信號(hào)。③A/D 轉(zhuǎn)換技術(shù)，將預(yù)處理過(guò)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，根據(jù)要求不同可使用不同的 A/D 轉(zhuǎn)換器。④微控技術(shù)，修正系統(tǒng)參數(shù)，處理接收到的數(shù)學(xué)信號(hào)，完成數(shù)據(jù)儲(chǔ)存等功能。⑤人機(jī)交互技術(shù)，通過(guò)顯示器將系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)及其他信息展示給用戶(hù)，同時(shí)用戶(hù)也可對(duì)參數(shù)進(jìn)行修正等操作，控制設(shè)備的運(yùn)行過(guò)程，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的人工控制。

1.2 食品包裝自動(dòng)定量計(jì)量系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)

目前食品包裝定量計(jì)量系統(tǒng)常利用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制，具體問(wèn)題包括：①計(jì)量精度低。以某植物油加工廠(chǎng)為例，在標(biāo)準(zhǔn)重量設(shè)定為 200 kg 的情況下，要求誤差控制在0.25 %以?xún)?nèi)，但在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)設(shè)備計(jì)量誤差常高于 0.5 kg，即超過(guò) 0.25 %；②生產(chǎn)速度慢。對(duì)于某些季節(jié)性食品，為保證產(chǎn)品質(zhì)量，對(duì)生產(chǎn)加工過(guò)程速度有一定要求，現(xiàn)有食品包裝生產(chǎn)設(shè)備加工速度有待提高；③控制策略不佳。傳統(tǒng)控制方式造成食品加工過(guò)程干擾因素較多，使定量計(jì)量過(guò)程質(zhì)量易超出要求范圍外，甚至導(dǎo)致原料溢出。

另外，基于食品包裝自動(dòng)定量計(jì)量系統(tǒng)的技術(shù)要求，其難點(diǎn)包括：①兼顧食品包裝自動(dòng)定量計(jì)量系統(tǒng)的精度和速度要求；②保障流體食品流量的穩(wěn)定性；

③解決流體食品對(duì)稱(chēng)重裝置產(chǎn)生的沖擊力所造成的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償問(wèn)題；④解決流體食品運(yùn)輸過(guò)程中落差導(dǎo)致控制精度下降的問(wèn)題。

2.食品包裝地磅自動(dòng)定量計(jì)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 食品包裝自動(dòng)定量計(jì)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

食品包裝對(duì)自動(dòng)定量計(jì)量系統(tǒng)的量程、精細(xì)度、效率等方面均有一定要求，其中計(jì)量精細(xì)度的允許偏差為待稱(chēng)量物料的 0.1 %，即若食品稱(chēng)量的重量范圍超出食品實(shí)際重量 0.1 %，則視為系統(tǒng)不達(dá)標(biāo)準(zhǔn)。圖 1為食品包裝自動(dòng)定量計(jì)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

由圖 1 可知，食品包裝自動(dòng)定量計(jì)量系統(tǒng)的主要設(shè)備包括儲(chǔ)料倉(cāng)、給料設(shè)備、控制系統(tǒng)和計(jì)量設(shè)備。儲(chǔ)料倉(cāng)一般應(yīng)保證有足夠的物料，若物料不足時(shí)可使用提升機(jī)來(lái)進(jìn)行補(bǔ)給；可根據(jù)物料類(lèi)型選擇合適的給料設(shè)備，一般包括閥門(mén)式、螺旋式和振動(dòng)式，對(duì)于流動(dòng)性較大的物流一般選擇螺旋式送料設(shè)備，通過(guò)重力及離心力作用使物料順利進(jìn)入計(jì)量斗；計(jì)量設(shè)備通過(guò)傳感器接收物料質(zhì)量信號(hào)，控制儀表控制參數(shù)及卸料；控制系統(tǒng)主要包括微處理器，對(duì)整個(gè)定量計(jì)量系統(tǒng)工作過(guò)程進(jìn)行控制。

2.2 食品包裝自動(dòng)定量計(jì)量系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計(jì)

食品包裝自動(dòng)定量計(jì)量系統(tǒng)的硬件是控制整個(gè)系統(tǒng)工作流程的載體，也是使系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行的設(shè)備基礎(chǔ)，主要構(gòu)成包括電源系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、主要控制系統(tǒng)、儲(chǔ)存系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和人機(jī)交互系統(tǒng)。其中主要控制系統(tǒng)是核心部分，起到控制整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、處理、顯示和存儲(chǔ)以及根據(jù)參數(shù)控制送料系統(tǒng)和卸料系統(tǒng)開(kāi)關(guān)的作用；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包含傳感器和 A/D 轉(zhuǎn)換器兩部分，主要是將傳感器捕捉到的微弱信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾及增強(qiáng)處理后，通過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成可被內(nèi)部系統(tǒng)識(shí)別的數(shù)字信號(hào)；通信系統(tǒng)主要包括串口通信模塊和輸出驅(qū)動(dòng)模塊，用來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的信息通信以及傳動(dòng)電機(jī)和送料、卸料開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)控制；人機(jī)交互系統(tǒng)主要包括觸摸屏和薄膜晶體管液晶顯示器 （Thin Film Transistor -Liquid Crystal Display，TFT-LCD），為用戶(hù)提供了解和設(shè)定參數(shù)的窗口。

食品包裝自動(dòng)定量計(jì)量系統(tǒng)的軟件是系統(tǒng)控制的核心，用來(lái)完成流程控制。控制系統(tǒng)的微機(jī)控制器采用 ARM Contex-M3 核心，其開(kāi)發(fā)工具選用Realview MDK 軟件。Realview MDK 軟件能夠完美支持 ARM Contex-M3 微機(jī)控制器，能靈活有效的組織并管理多個(gè)窗口，提高開(kāi)發(fā)效率；具有強(qiáng)大的Simulation 仿真和分析功能，可以通過(guò)仿真模擬實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)開(kāi)發(fā)環(huán)境和參數(shù)，減小開(kāi)發(fā)周期；能夠自主匹配啟動(dòng)代碼，便于用戶(hù)了解開(kāi)發(fā)過(guò)程及狀況。

控制系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)方案為：首先根據(jù)硬件組成模塊，進(jìn)行初始化操作，初始化內(nèi)容包括時(shí)鐘、總線(xiàn)擴(kuò)展器（General Purpose Input Output，GPIO）、嵌套向量中斷控制器（Nested Vectored Interrupt Controller，NVIC）、串口通信、數(shù)據(jù)采集、TFT-LCD、觸摸控制、SD 卡和FatFs 文件系統(tǒng)。然后設(shè)定參數(shù)并根據(jù)參數(shù)驅(qū)動(dòng)控制程序操作，計(jì)量包裝完成后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至 SD 卡，完成一次計(jì)量包裝工作。系統(tǒng)軟件控制流程如圖 2 所示。

3.食品包裝自動(dòng)定量計(jì)量系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程

為檢測(cè)上文中提出的食品包裝自動(dòng)定量計(jì)量系統(tǒng)的應(yīng)用性能，本文將從物料計(jì)量精度、硬件抗誤差能力和軟件控制精度三個(gè)方面進(jìn)行分析。

3.1 食品包裝自動(dòng)定量計(jì)量系統(tǒng)的影響因素分析

影響物料計(jì)量精度的因素包括傳感器誤差、計(jì)量斗結(jié)構(gòu)和機(jī)械運(yùn)動(dòng)，其中傳感器的受力程度決定了其電信號(hào)的大小，而傳感器的質(zhì)量決定于感應(yīng)材料、內(nèi)部電路、制作工藝及工作環(huán)境影響。計(jì)量斗應(yīng)采用光滑曲面結(jié)構(gòu)，同時(shí)傳感器應(yīng)均勻接觸計(jì)量斗，防止受力不均造成實(shí)驗(yàn)誤差。機(jī)械運(yùn)動(dòng)誤差包括沖擊誤差，落料誤差和機(jī)械振動(dòng)誤差，這些誤差是由于送料過(guò)程中物流機(jī)械運(yùn)動(dòng)對(duì)計(jì)量斗產(chǎn)生一定力造成的，機(jī)械運(yùn)動(dòng)誤差很難徹底消除，只能通過(guò)縮短下料距離，設(shè)置緩沖裝置等方式盡量減小。

硬件系統(tǒng)的工作環(huán)境干擾因素較多，例如電源噪聲、電磁波輻射、高壓電流等，這些干擾因素對(duì)系統(tǒng)硬件設(shè)備的抗干擾能力提出一定要求。

軟件系統(tǒng)是保障系統(tǒng)程序正常運(yùn)行的基礎(chǔ)，不同軟件模塊的連接方式、參數(shù)設(shè)定以及外界信號(hào)干擾均會(huì)對(duì)系統(tǒng)軟件的執(zhí)行操作造成干擾。

3.2 食品包裝自動(dòng)定量計(jì)量系統(tǒng)的驗(yàn)證分析

為減小物料計(jì)量誤差，設(shè)計(jì)三級(jí)送料螺旋速度控制檔，利用時(shí)間控制流程，實(shí)現(xiàn)送料過(guò)程前期快速送料，中期減緩速度，后期緩慢送料的方式，顯著減小了機(jī)械運(yùn)動(dòng)誤差。

為減小硬件系統(tǒng)誤差，一方面可以使用濾波技術(shù)和穩(wěn)壓器，過(guò)濾噪聲干擾，同時(shí)穩(wěn)定電壓，另一方面可以采取屏蔽技術(shù)抑制不同區(qū)域間的電磁場(chǎng)耦合現(xiàn)象，以及隔離技術(shù)隔離不同電路間地點(diǎn)位連接的現(xiàn)象，另外可采取接地措施，即將設(shè)備的電路與地級(jí)相連，減小模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換時(shí)的干擾。

軟件設(shè)計(jì)時(shí)可對(duì)不同模塊間信息傳遞代碼和接口進(jìn)行規(guī)范化設(shè)計(jì)，減小信息傳遞過(guò)程中產(chǎn)生誤差的可能性，對(duì)參數(shù)設(shè)置邊界，排除外界干擾，對(duì)已經(jīng)侵入的干擾采取強(qiáng)制復(fù)位操作，維護(hù)軟件系統(tǒng)的安全性。

4.結(jié)語(yǔ)

包裝食品的實(shí)際需求促使自動(dòng)食品包裝機(jī)械的不斷發(fā)展，其中自動(dòng)定量計(jì)量系統(tǒng)是食品包裝機(jī)械的核心組成，其設(shè)計(jì)及性能決定著整個(gè)包裝系統(tǒng)的效率和精度。本文對(duì)食品包裝中自動(dòng)定量計(jì)量系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)進(jìn)行說(shuō)明，并分別闡述了其硬件和軟件系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)。最后以物料計(jì)量精度、硬件抗誤差能力和軟件控制精度 3 個(gè)方面入手，提出了優(yōu)化性能的實(shí)施方案。