摘要 针对流通包装测试现状及存在的缺点，介绍了一种结合传感器、单片机和PC机技术的现场测试记录装置，探讨了其软、硬件结构，该装置具有使用范围广，运行时间长，体积小，功耗低且不需要随行人员等特点。


　 关键词　运输包装 单片微机 测试技术



　　产品在流通过程中，将受到多种环境负荷的综合作用，其内外包装系统，能否达到预期效果，能否经得起流通环境各种负荷的考验而使产品免遭破坏，要经过流通试验才能肯定。产品流通试验可通过二种方式进行：一、实验室模拟试验，即使用专用的机电设备和测试仪表，在室内模拟再现实际流通环境的负荷，模拟试验可以精确控制试验条件，然而模拟环境、相关因素和破损结果与实际流通情况有一定差距，且要求较高的设备投资和技术，因此给这种试验技术的普及应用带来困难。二、现场试验，即使用简单的计量和记录仪表，把待测包装件按一定方式置于运输工具上，按既定的装载量、运行速度、路线状况和气象环境等行使完一定的路程，然后开箱检查包装及包装产品的完好程度。现场试验操作技术简单，实验结果直观，较多机械产品、电器产品和军工用品沿用着这种方法。但是目前，我国现场试验水平较低，缺点较多：①由于缺乏专门的测试记录装置，对破损原因很难定量分析，分析时主观性较大；②由于操作人员、操作技术上的差异，导致测试记录数据相差较大，失去试验结果的客观性、可比性；③测试记录项目单一，同一流通过程常需进行多次单项目测试。


　　包装件流通过程现场测试装置研究是我国包装工程领域急待解决的一个关键课题，用一个体积小、重量轻、性能比较齐全、价格便宜的自动测试记录装置—“黑匣子”代替目前需要随行人员的多个单项目测试记录仪器。流通前，将该装置和待测产品安装在一起放入包装容器内，同包装件一起流通，到达目的地后，从包装件中驱除该装置，并和PC机通信，利用PC机读取存储在该装置中的测试记录数据。流通包装结构设计人员可根据测试装置所记录的数据，得到对流通环境负荷准确的评价，对原包装设计方案进行修改，使包装件及容器的结构、强度、内部缓冲衬垫、集装方式等设计更趋合理，确保产品流通的可靠性，同时也防止过分包装。在目的地一定的情况下，把产品按不同的方式集装，采用不同的运输工具，经历不同的流通路线，分别做现场试验，则可以比较各种流通方案的优劣，为确定合理的流通方案提供决策基础。本课题的研究、发展和推广,将较大程度地提高我国流通包装件的设计水平和设计效率，减少各类商品在流通中的损失。另外，此装置在解决包装流通损坏纠纷，进行包装事故责任仲裁上也有重要的作用。


　　1 装置的研制


　　在流通过程中,对产品的破损失效产生影响的环境负荷是很多的，既有动力学因素：如跌落冲击、水平冲击、倾翻冲击、振动、静压力等；还有气候和生物化学因素：如温度、湿度、气压、水分、微生物等。要设计出一种装置，把流通中的环境负荷全部记录下来，这从客观条件来讲是不现实的，也没有必要。因此，我们计划逐步开发出成系列的流通环境现场测试记录装置，用户可根据自己主要测试要求，选用不同型号的仪器。


　　1.1装置的基本要求


　　流通环境现场测试记录仪器，作为对流通环境现场测试、记录的装置，必须随包装件一起承受多种环境负荷的作用。有时候，这种环境负荷相当严酷。为了保证本装置能在较大范围满足不同操作对象的需要，在各种工作状况下均能正常工作，测试结果准确，必须满足以下基本要求：


　　①内部结构紧凑，体积小，重量轻。
　　②测量量程大，测试记录时间长。
　　③安装、操作方便，运行可靠。
　　④结构较简单、容易生产、制作成本较低，便于普及。
　　⑤整个装置，包括各个零件，具有较高防震、耐冲击强度。


　　作为系列的首个装置，在广泛听取包装企业和包装产品检测部门的意见，结合自身的研究条件，确定了三个主要测试记录参数：跌落高度、方位、温度。


　　1.2装置的总体方案


　　该装置外形为长方形六面体，长180cm,宽120cm,高60cm,外壳采用高冲击强度、高表面硬度的工程塑料制成。


　　该装置的总体方案如图1所示，现对其各部件功能简述如下：


　　①跌落高度传感器：用以测试产品的跌落高度。


　　②方位传感器：用以测试产品放置方位的变化。


　　③温度传感器：用以测试产品流通途中温度的变化。


　　④信号处理电路：即传感器与单片机的接口电路，用以从传感器信号中提取有用的特征信号，并把信号进行适当的变换、放大、整形等，送入单片机系统。


　　⑤单片机系统：用以接受传感器传递的信息，加以分析处理，选择有价值的信息加以记录保存。


　　⑥电源：4V电池直流电源供电，1.5V后备电源作内存掉电保护。　　
　　⑦通信接口：用以该仪器测试完毕后与上位机（IBM-PC机）
　　⑧状态设置开关：用以预先设置该装置不同工况下的工作状态常数，也为扩充装置功能做好准备。
　　⑨按钮：用以一定的操作密码来启动装置，防止误操作或人为破坏内存信息。　　
　　⑩显示器：用发光二极管显示装置的工作状态。


　　1.3单片机数据处理模式研究


　　数据处理模式是单片机程序设计的基础，受内存的限制，我们不可能把传感器测得的信号全部进行记录，必须选择对分析包装件破损有价值的数据进行记录。


　　1.3.1跌落高度数据记录


　　通过对包装环境分析可知，包装件可能产生的跌落冲击高度同包装件重量、尺寸有一定的关系，重量、尺寸不同的包装件的跌落敏感段是不同的。因此，确定跌落高度记录最低限时，根据包装件重量、尺寸而设定了相应的常数。


　　包装件跌落高度越高，造成产品破损失效的可能性就越大，而包装件不同方位承受跌落冲击的能力往往不同。故决定每个方位记录最大的10次跌落高度及相应的跌落时间。


　　某些精密的产品在离地面10cm以上跌落，就会对产品的破损失效带来一定的影响，而一般包装件可能发生的跌落高度在160cm分档处理，记录每档发生跌落的次数。


　　1.3.2方位记录


　　在测试过程中，装置每1秒钟测试一次方位，如果和前面曾记录过的方位相同，则不记录；不一致，则记录倾翻方位、发生时间，并在该方位次数存储单元内加1，另在包装件发生跌落时，在记录跌落高度同时记录方位。


　　1.3.3温度记录


　　根据大气温度热量惯性大、变化缓慢的特征，每1分钟测量一次温度，即可得到精确度较高的测量值。若未出现温度极值点，每1小时记录一次温度值；若出现极值点，则可记录72个温度极值点及相应的发生时间。


　　2 装置的特点


　　2.1单片机的应用


　　选用单片微机作为本装置数据采集和记录系统的核心部件，这是因为单片微机系统较其它记录装置有以下无可比拟的优点：①结构简单、体积特别小；②可靠性高、抗干扰能力强，适宜在较恶劣的环境下工作；③功能强，具数据处理能力，对模拟电路要求较低，对实时事件的响应和处理速度快；④系统扩展方便，结构规范化；⑤性能价格比高，价格便宜，易产品化；⑥应用温度范围广，工业用芯片可达-40～+85℃，军工用芯片可达-65～+125℃。


　　83C51GA是intel公司生产的MCS-51系列单片机的一种，其内部资源主要有：


　　8位CPU


　　两个16位定时/计数器


　　4K字节ROM程序贮存器


　　一个全双工异步串行口


　　128字节RAM数据贮存器


　　一个8位A/D转换器


　　32根I/O线（4个8位I/O口）


　　7个中断源，2个中断优先级


　　64K程序贮存器空间


　　64K外部数据贮存器空间


　　片内振荡器（频率范围为1.2MHZ～12MHZ）


　　2.2低功耗设计


　　由于本装置是直接放在包装箱内部，和产品一起流通，因此不适宜用交流供电，其可供电能仅为6安时。另一方面，装置设计运行时间长达30天。可见，电力是十分宝贵的，低功耗设计是本装置的一个关键技术。


　　①芯片工艺的选择


　　在元器件制造工艺上，选择CMOS、CHMOS工艺生产的芯片：如83C51GA单片机，静态RAM6116，74HC373等。其功耗低、抗干扰能力强。


　　②振荡器频率的选择


　　83C51GA单片机振荡器可选频率范围较大，一般在1.2MHZ～12MHZ，典型值为12MHZ，振荡频率越高，机器周期越短，运算速度越快，但功耗也越大。为了减少功耗，同时满足速度的要求，选择震荡频率为6MHZ。


　　③待机运行方式和中断的应用


　　83C51GA单片机不仅运行时耗电省，而且还提供了两种节电方式：待机运行方式和掉电方式，以进一步降低功耗，正常工作时，典型电流为11～20mA，空闲状态为1.7～4mA，掉电状态为5～50uA。待机运行方式是它的标准节电运行工作方式，将单片机特殊功能寄存器中的功耗寄存器PCON的DO位（IDL）置位后，单片机即进入待机运行模式，通过中断和复位可结束待机运行方式。


　　单片机主程序框图、时间中断服务程序框图如图2、3所示。在运行的绝大多数时间里，单片机被设置在待机方式下运行，每隔1ms单片机申请一次中断，单片机马上终止待机运行状态，CPU响应中断，执行相应的中断服务程序，中断处理完以后，从激活待机方式指令的下一条指令开始执行程序，单片机重新回到待机状态。


　　④利用硬件设置减少功耗


　　在需要使用传感器时，才给传感器一定的电力供应，其他时间，不给传感器供电。


　　2.3IBM-PC机与83C51GA单片机的数据通信


　　当被测包装件到达目的地时，“黑匣子”结束了测试任务，需把它与上位机（IBM-PC机）连接，通过IBM-PC机读取其内存记录数据进行分析、统计。


　　IBM-PC机内装有异步通信适配器板，其主要元件为可编程的UART8250芯片，它使该机有能力与其他具有标准RS-232C串行通信接口的计算机和终端设备进行通信。而83C51GA单片机内部有一全双工异步串行通讯接口，具有四种工作方式，就、可以同时发送和接受数据，配以相应的接口电路，进行电平转换，即可组成简单可行的RS-232C通信接口，从而可以与上位IBM-PC机进行通讯。其硬件电路见图4，图中MC1488为集成RS-232C发送器，MC1489为集成RS-232C接受器。

(作者单位 上海水产大学上海大学）