食品包裝中地磅自動定量計(jì)量系統(tǒng)研究

對食品包裝地磅自動定量計(jì)量系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)和結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行說明，其主要技術(shù)包括傳感器技術(shù)、信號預(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)、儲存系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和人機(jī)交互系統(tǒng)構(gòu)成整個硬件系統(tǒng)，Realview MDK 軟件為開發(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方面入手，提出完善該系統(tǒng)的解決方案。

隨著我國人民生活水平的提高和食品消費(fèi)市場的不斷壯大，消費(fèi)者對食品的質(zhì)量要求越來越高，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)行稱重，這種方式的人工勞動強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，同時手工稱量誤差大，易造成食品重量稱量的精度不足[3]。近些年電子技術(shù)的發(fā)展使得自動化稱量設(shè)備逐步代替手工稱量，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)的自動化水平，其中自動化定量計(jì)量包裝已經(jīng)占食品總包裝市場份額的 75 %左右，并且還呈現(xiàn)不斷增長的勢頭。電子計(jì)量技術(shù)是自動計(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)及自動化技術(shù)，是一種將無序的物料穩(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過程只需進(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，同時自動定量系統(tǒng)在用于食品包裝時能夠?qū)崿F(xiàn)食品自動連續(xù)包裝，降低人工成本，提高包裝效率。

目前我國自動定量系統(tǒng)用于固體食品包裝的技術(shù)及設(shè)備已經(jīng)比較成熟，但針對液體及具有粘性的半固體食品等流動性物料的計(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)一套適合具有流動性的食品的計(jì)量包裝。

1.食品包裝自動定量計(jì)量系統(tǒng)簡介

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

食品包裝自動定量計(jì)量系統(tǒng)的功能包括計(jì)量和自動包裝，它是食品自動包裝機(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)比較簡單，計(jì)量效率高，但加工精度較低；稱重式計(jì)量，用于流動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，單次包裝耗時長，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)盤式計(jì)量器使顆粒狀物料邊稱重便落入物料箱，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。

食品包裝自動定量計(jì)量系統(tǒng)具有較高的自動化程度是由于其內(nèi)部包含眾多電子化技術(shù)，其中主要有：①傳感器技術(shù)，傳感器作為檢測裝置，主要用于獲取設(shè)備工作過程中的相關(guān)參數(shù)信息，并轉(zhuǎn)化成電信號進(jìn)行傳輸及其他后續(xù)操作，傳感器是食品包裝自動計(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)定性好及線性范圍廣等特點(diǎn)。②信號預(yù)處理技術(shù)，傳感器直接接收到的信號一般比較微弱，難以直接被處理器獲取，因此可使用信號預(yù)處理技術(shù)將信號放大，同時過濾噪聲，排除干擾信號。③A/D 轉(zhuǎn)換技術(shù)，將預(yù)處理過的模擬信號轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以識別的數(shù)字信號，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，完成數(shù)據(jù)儲存等功能。⑤人機(jī)交互技術(shù)，通過顯示器將系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)及其他信息展示給用戶，同時用戶也可對參數(shù)進(jìn)行修正等操作，控制設(shè)備的運(yùn)行過程，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的人工控制。

1.2 食品包裝自動定量計(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，具體問題包括：①計(jì)量精度低。以某植物油加工廠為例，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 %以內(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 0.25 %；②生產(chǎn)速度慢。對于某些季節(jié)性食品，為保證產(chǎn)品質(zhì)量，對生產(chǎn)加工過程速度有一定要求，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程干擾因素較多，使定量計(jì)量過程質(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解決流體食品對稱重裝置產(chǎn)生的沖擊力所造成的動態(tài)補(bǔ)償問題；④解決流體食品運(yùn)輸過程中落差導(dǎo)致控制精度下降的問題。

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

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

食品包裝對自動定量計(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量物料的 0.1 %，即若食品稱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，食品包裝自動定量計(jì)量系統(tǒng)的主要設(shè)備包括儲料倉、給料設(shè)備、控制系統(tǒng)和計(jì)量設(shè)備。儲料倉一般應(yīng)保證有足夠的物料，若物料不足時可使用提升機(jī)來進(jìn)行補(bǔ)給；可根據(jù)物料類型選擇合適的給料設(shè)備，一般包括閥門式、螺旋式和振動式，對于流動性較大的物流一般選擇螺旋式送料設(shè)備，通過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)備通過傳感器接收物料質(zhì)量信號，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，對整個定量計(jì)量系統(tǒng)工作過程進(jìn)行控制。

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

食品包裝自動定量計(jì)量系統(tǒng)的硬件是控制整個系統(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，起到控制整個運(yùn)行過程中數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、處理、顯示和存儲以及根據(jù)參數(shù)控制送料系統(tǒng)和卸料系統(tǒng)開關(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進(jìn)行過濾及增強(qiáng)處理后，通過 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成可被內(nèi)部系統(tǒng)識別的數(shù)字信號；通信系統(tǒng)主要包括串口通信模塊和輸出驅(qū)動模塊，用來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的信息通信以及傳動電機(jī)和送料、卸料開關(guān)的驅(qū)動控制；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），為用戶提供了解和設(shè)定參數(shù)的窗口。

食品包裝自動定量計(jì)量系統(tǒng)的軟件是系統(tǒng)控制的核心，用來完成流程控制。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窗口，提高開發(fā)效率；具有強(qiáng)大的Simulation 仿真和分析功能，可以通過仿真模擬實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)開發(fā)環(huán)境和參數(shù)，減小開發(fā)周期；能夠自主匹配啟動代碼，便于用戶了解開發(fā)過程及狀況。

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)容包括時鐘、總線擴(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)動控制程序操作，計(jì)量包裝完成后將數(shù)據(jù)存儲至 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.食品包裝自動定量計(jì)量系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程

為檢測上文中提出的食品包裝自動定量計(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方面進(jìn)行分析。

3.1 食品包裝自動定量計(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，其中傳感器的受力程度決定了其電信號的大小，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)動誤差包括沖擊誤差，落料誤差和機(jī)械振動誤差，這些誤差是由于送料過程中物流機(jī)械運(yùn)動對計(jì)量斗產(chǎn)生一定力造成的，機(jī)械運(yùn)動誤差很難徹底消除，只能通過縮短下料距離，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)定以及外界信號干擾均會對系統(tǒng)軟件的執(zhí)行操作造成干擾。

3.2 食品包裝自動定量計(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)三級送料螺旋速度控制檔，利用時間控制流程，實(shí)現(xiàn)送料過程前期快速送料，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，過濾噪聲干擾，同時穩(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)備的電路與地級相連，減小模擬信號進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換時的干擾。

軟件設(shè)計(jì)時可對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)，減小信息傳遞過程中產(chǎn)生誤差的可能性，對參數(shù)設(shè)置邊界，排除外界干擾，對已經(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

包裝食品的實(shí)際需求促使自動食品包裝機(jī)械的不斷發(fā)展，其中自動定量計(jì)量系統(tǒng)是食品包裝機(jī)械的核心組成，其設(shè)計(jì)及性能決定著整個包裝系統(tǒng)的效率和精度。本文對食品包裝中自動定量計(jì)量系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)進(jìn)行說明，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 個方面入手，提出了優(yōu)化性能的實(shí)施方案。