電熨斗在線溫度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

鄭堅(jiān)璐，柯 煜，王 一，邵一軼，陳 樂

(1.中國計(jì)量學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 杭州310018;2.寧波新樂生活電器有限公司，浙江寧波315010)

0 引言

現(xiàn)今，電熨斗已成為居家生活必備的電器產(chǎn)品之一，年生產(chǎn)總量達(dá)到3000萬臺(tái)以上。電熨斗底板溫度隨著溫控器的通斷而變化，如果溫控器的調(diào)溫旋鈕沒有調(diào)節(jié)準(zhǔn)確，就會(huì)導(dǎo)致溫度范圍的偏移，使得底板溫度不能滿足熨燙織物的要求。為確保產(chǎn)品質(zhì)量，國家制定了相關(guān)的性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)［1］，然而，當(dāng)前生產(chǎn)線上工人只利用一臺(tái)實(shí)時(shí)溫度表來調(diào)節(jié)溫控器，人為地判斷其溫度范圍，一個(gè)工人對(duì)應(yīng)6個(gè)工位，存在著工作量大、效率低下、準(zhǔn)確性差等問題，導(dǎo)致出廠產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊。這種勞動(dòng)密集型的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，缺乏對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的檢測(cè)和穩(wěn)定性保障，制約了企業(yè)的發(fā)展。

為了給在線調(diào)溫工作提供一種簡(jiǎn)便可行的手段，開發(fā)研制一種電熨斗在線溫度檢測(cè)系統(tǒng)，使其能自動(dòng)判斷電熨斗溫度范圍，工人只要通過系統(tǒng)的指示報(bào)警就能簡(jiǎn)單區(qū)分不合格的溫度指標(biāo)。用串口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信，把相關(guān)的溫度數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)進(jìn)行處理。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與硬件電路設(shè)計(jì)

電熨斗在線溫度與檢測(cè)系統(tǒng)以單片機(jī)為核心控制器件，其硬件電路部分主要由溫度采集、信號(hào)調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、單片機(jī)系統(tǒng)、按鍵、顯示報(bào)警電路和上位機(jī)通信接口組成。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig 1 Overall block diagram of the system

檢測(cè)系統(tǒng)采用熱電偶溫度傳感器將測(cè)得的相關(guān)參數(shù)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)，送入單片機(jī)中存儲(chǔ)、比較，由單片機(jī)的輸出口將數(shù)據(jù)信息送LED顯示報(bào)警，鍵盤控制其預(yù)設(shè)數(shù)值的輸入，還可以通過串口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信，構(gòu)成溫度采集、數(shù)據(jù)分析和處理系統(tǒng)。

1.1 溫度采集

由于電熨斗的底板溫度在300℃范圍以下，因此，溫度采集時(shí)所用傳感器選擇比較廉價(jià)的K型(鎳鉻—鎳硅)熱電偶傳感器［2］。其具有線性度好、熱電動(dòng)勢(shì)大、靈敏度高、抗氧化性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)溫度檢測(cè)系統(tǒng)中。

1.2 信號(hào)調(diào)理與A/D轉(zhuǎn)換模塊

信號(hào)調(diào)理與A/D轉(zhuǎn)換部分選用K型熱電偶放大器與數(shù)字轉(zhuǎn)換器MAX6675，該器件將熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換所需的熱電偶放大器、冷端補(bǔ)償、A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)字量輸出的串行同步通信接口全部集成在一個(gè)芯片內(nèi)而無需使用任何的外圍元件，使用方便。自帶冷端補(bǔ)償電路，能將K型熱電偶的輸出熱電勢(shì)轉(zhuǎn)換為12位溫度值，分辨率為0.25℃，溫度數(shù)據(jù)通過串行同步通信接口發(fā)送給單片機(jī)。當(dāng)供電電壓為+3.3 V，其在0～700℃時(shí)精度為±2℃［3］。原理圖如圖2所示。

圖2 信號(hào)調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換模塊原理圖Fig 2 Principle diagram of signal conditioning，A/D conversion module

1.3 單片機(jī)系統(tǒng)

單片機(jī)系統(tǒng)是本檢測(cè)系統(tǒng)的核心，選用了宏晶公司的STC12C5608型單片機(jī)［4］，它具有高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾等優(yōu)點(diǎn)，指令代碼與傳統(tǒng)51單片機(jī)完全兼容，但是速度快8～12倍;具有8 k應(yīng)用程序空間，因其Flash可反復(fù)擦寫，有效降低了開發(fā)成本;ISP在系統(tǒng)可編程，無需專用編程器、仿真器，可通過串口直接下載用戶程序;有內(nèi)部EEPROM，可保存用戶設(shè)定的溫度指標(biāo)數(shù)據(jù)。單片機(jī)控制系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

圖3 單片機(jī)系統(tǒng)原理圖Fig 3 Principle diagram of single-chip microcomputer system

1.4 人機(jī)接口電路

人機(jī)接口主要是按鍵部分電路和顯示報(bào)警電路。按鍵選用 3個(gè)觸動(dòng)按鈕，分別為“FUNC”功能鍵、“UP”/“DOWN”功能選擇及溫度增減鍵，用來預(yù)設(shè)最高溫度、最低溫度、初次超常溫度和溫幅指標(biāo)。為了現(xiàn)場(chǎng)工人調(diào)節(jié)溫控器時(shí)能夠直觀簡(jiǎn)便的區(qū)分相應(yīng)的溫度指標(biāo)是否超過預(yù)設(shè)溫度，故而顯示報(bào)警模塊采用紅綠雙色數(shù)碼管并附帶蜂鳴器指示報(bào)警。這是本系統(tǒng)的關(guān)鍵，采用三組顯示窗口，分別是最大溫度顯示窗口、實(shí)時(shí)溫度顯示窗口和最低溫度顯示窗口，其溫度顯示范圍為0～999.8℃，人機(jī)接口與單片機(jī)系統(tǒng)組成如圖4所示。其中，數(shù)碼管采用移位寄存器芯片74HC595來驅(qū)動(dòng)顯示，其部分原理圖如圖5所示。

圖4 人機(jī)接口與單片機(jī)系統(tǒng)組成框圖Fig 4 Composition block diagram of man-machine interface with SCM system

圖5 部分顯示驅(qū)動(dòng)電路原理圖Fig 5 Principle diagram of partial display and driving circuit

1.5 上位機(jī)通信模塊

本系統(tǒng)利用RS—232串口，把相關(guān)的溫度數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)進(jìn)行分析處理，便于廠家做產(chǎn)品質(zhì)量的CPK分析報(bào)告。采用常用的MAX232芯片實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，其原理圖如圖6所示。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)主程序

系統(tǒng)主程序功能包括:完成系統(tǒng)初始化操作;打開定時(shí)器T0和串口中斷，其中溫度顯示子程序在T0中斷里完成，串口中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)與上位機(jī)的通信，讀取內(nèi)部EEP-ROM中存儲(chǔ)的溫度指標(biāo)，采集溫度，掃描按鍵并作相應(yīng)鍵值處理，進(jìn)行數(shù)據(jù)比較，判斷周期內(nèi)的最高、最低溫度;判斷溫度是否超標(biāo)，并進(jìn)行相應(yīng)的報(bào)警顯示。主程序流程圖如圖7所示。

圖6 串行口通信電路原理圖Fig 6 Principle diagram of serial port communication circuit

圖7 主程序流程圖Fig 7 Flow chart of main program

2.2 數(shù)據(jù)比較子程序

程序開發(fā)環(huán)境選用了Keil C51［5］，其中數(shù)據(jù)比較子程序流程圖如圖8所示。

2.3 串口通信模塊

系統(tǒng)下位機(jī)溫度指標(biāo)以字符串形式發(fā)送數(shù)據(jù)給上位機(jī)，每隔500 ms發(fā)送實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)，便于上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

系統(tǒng)上位機(jī)軟件利用VC++6.0提供的通訊控件MSComm，以MFC來設(shè)計(jì)界面編制程序，實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的通信［6］。上位機(jī)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控電熨斗溫度變化，記錄下不同型號(hào)熨斗的溫度變化范圍，方便工廠進(jìn)行電熨斗品質(zhì)管理。

在功能上，滿足了溫度檢測(cè)系統(tǒng)的基本要求，包括通信串口的選擇、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)查詢和檢測(cè)報(bào)表打印等。界面簡(jiǎn)單，操作方便。

3 數(shù)據(jù)的修正與標(biāo)定

系統(tǒng)由于信號(hào)采集轉(zhuǎn)換等模塊會(huì)存在誤差，因而需要通過軟件修正，標(biāo)定顯示的溫度數(shù)值。這里選用FLUKE 724溫度校驗(yàn)儀，其能輸出毫伏電壓值模擬熱電偶信號(hào)，通過比對(duì)K型熱電偶分度表對(duì)應(yīng)的溫度值和顯示值之差，來軟件修正系統(tǒng)的顯示溫度。修正前的示值誤差如表1所示，其中誤差范圍Δ為標(biāo)準(zhǔn)值和檢測(cè)示值之差。校準(zhǔn)以后的誤差在1℃范圍之內(nèi)。

圖8 數(shù)據(jù)比較子程序流程圖Fig 8 Flow chart of data comparison subprogram

表1 系統(tǒng)示值誤差與修正方法Tab 1 Indication error of the system and correction method

4 測(cè)試結(jié)果

開啟系統(tǒng)，預(yù)設(shè)溫度指標(biāo)，把K型熱電偶置于電熨斗底板中心點(diǎn)位置，給電熨斗通電，熨斗工作過程中下位機(jī)系統(tǒng)能很直觀的給出周期性溫度變化的最高、最低值，并用紅綠雙色區(qū)分相應(yīng)指標(biāo)是否滿足要求，三周期檢測(cè)結(jié)束后，顯示電熨斗溫度合格與否。上位機(jī)能接收并顯示實(shí)時(shí)溫度曲線與三周期的溫度指標(biāo)，便于工廠做后續(xù)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理。

5 結(jié)論

這種電熨斗在線溫度檢測(cè)系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，直觀方便。測(cè)溫范圍為0～999.8℃，精度為0.5℃，誤差在1℃范圍之內(nèi)，滿足電熨斗出廠溫度檢測(cè)要求。生產(chǎn)線上使用此系統(tǒng)后一個(gè)工人可對(duì)應(yīng)8～12個(gè)工位，不但節(jié)省了大量的勞動(dòng)力，提高了生產(chǎn)效率，而且確保了出廠溫度的準(zhǔn)確性;通過RS—232串口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信，把測(cè)得的溫度指標(biāo)保存于上位機(jī)文件中，便于廠家做產(chǎn)品質(zhì)量的分析報(bào)告。

［1］GB/T 18799—2008，家用和類似用途電熨斗性能測(cè)試方法［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［2］王江超，周方明，周 濤.基于AT89C52單片機(jī)的焊接溫度場(chǎng)測(cè)量?jī)x［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2008(1):80－82.

［3］趙 燕.一種基于STC單片機(jī)的溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，10(4):42－44.

［4］虞致國，徐健健.MAX6675的原理及應(yīng)用［J］.國外電子元器件，2002(12):41－43.

［5］尹 勇，李 字.μVision2單片機(jī)應(yīng)用程序開發(fā)指南［M］.北京:科學(xué)出版社，2005.

［6］龔建偉，熊光明.Visual C++/Turbo C串口通信編程實(shí)踐［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008.