蒸汽式收縮爐溫度檢測系統設計＊

林燕虹，楊成海，劉全海

（1.廣東松山職業技術學院，廣東韶關 512126；2.廣東寶地南華產城發展有限公司，廣東韶關 512126）

在大多數桶裝水包裝線中，套標裝置與蒸汽式收縮爐配套使用，水桶桶口完成套標后經輸送帶輸送到熱縮裝置中，利用蒸汽將套標膜料收縮在桶口處，套標膜料收縮均勻、清晰美觀。但在套標時，溫度過高或過低會導致標簽變形或脫落，因此需要監控和調節蒸汽式收縮爐溫度，才能達到完美有效的收縮效果。基于此，本溫度檢測系統為了提高測量的準確性，選擇熱電偶作為測溫元件，測量方式設計為插入式，能迅速、準確測量出收縮爐內的溫度。該系統包括軟硬件模塊設計、顯示模塊設計，監測溫度時，易于顯示、讀數，方便實用。

1 溫度檢測系統簡介

1.1 溫度檢測原理

熱電偶是目前應用最廣泛的一種接觸式溫度傳感器，具有測量范圍大、性能可靠、響應時間快、機械強度好、結構簡單、安裝方便快捷等優點。熱電偶的工作原理是由2種不同成分的均質導體組成閉合回路，當2 個結點不相同（即T≠T0）時，回路中2 個結點之間產生熱電勢，這就是塞貝克效應[1]。

熱電偶的測溫原理如圖1 所示。2 種不同成分的均質導體分別為熱電極A 和熱電極B，溫度較高的一個結點稱為熱端T，溫度較低的另一個結點稱為冷端T0。熱電偶回路中熱電極A 和熱電極B 兩結點之間所產生的熱電勢體現了熱端T和冷端T0兩端溫度間的差值。在實際測量中，熱端T一般為工作溫度，冷端T0為環境溫度，T＞T0。如果熱電偶的選型已確定，在冷端溫度（T0=恒定常數）不變時，熱電偶的熱電動勢EAB（T，T0）與熱端溫度T呈一定的比例關系，也就是單值函數。因此，在冷端溫度T0已知時，可通過此單值函數確定出熱端的實際溫度值。但是在冷端溫度（T0≠恒定常數）變化時，熱端的溫度T會隨冷端溫度T0的變化而變化，導致測量精度受影響。于是，在冷端采取一定措施來補償因冷端溫度變化造成的影響稱為熱電偶的冷端補償[2]。

圖1 熱電偶的檢溫原理

1.2 熱電偶選型

熱電偶按標準分類時，可分為標準化熱電偶和非標準化熱電偶2 類。所謂標準化熱電偶，是指其熱電勢與測量溫度呈一定的比例關系，測量結果在一定的允許誤差內，具有統一的標準分度表。目前常見的標準熱電偶有8 類，分別是S、R、B、K、N、E、J、T。非標準化熱電偶，也叫工作用熱電偶，沒有統一的分度表，通常用于某些特殊環境下的溫度測量[3]。在溫度檢測系統設計中，熱電偶的選型是很關鍵的一個環節，直接影響溫度檢測系統的測量精度。熱電偶測量誤差不僅取決于自身的物理性能，還與使用過程密切相關。使用熱電偶進行測量時產生的測量誤差主要是熱電偶材料成分發生變化導致的或由冷端溫度變化引起。在使用過程中去監測熱電偶材料成分是否發生變化的做法不實際且對消除測量誤差意義不大，因此，通過監測冷端溫度變化從而進行溫度補償是最佳的方法。在實際測量過程中，由于容易受到熱端工作溫度和環境溫度變化的影響，熱電偶的冷端溫度難以保持恒定，需進行冷端補償。

收縮爐工作溫度可以設定在70～75 ℃[4]，故選用了K 型（鎳鉻-鎳硅）熱電偶。K 型（鎳鉻-鎳硅）熱電偶是最常用的熱電偶，其分度號為K，其正極鎳、鉻質量分數比為9∶1，負極鎳、硅質量分數比為97∶3，主要測量生產過程中-200～1 300 ℃的液體、蒸汽和氣體介質及固體的表面溫度。K 型熱電偶在熱電偶系列中具有價格便宜、準確度高、穩定性好、測溫區寬、使用壽命長等優點。

2 系統硬件設計

溫度檢測系統是基于熱電偶溫度傳感器設計的，以單片機為核心，由溫度檢測模塊、溫度顯示模塊、按鍵模塊和報警模塊組成，系統框圖如圖2 所示。溫度檢測系統工作流程是以單片機為控制器，通過帶有冷端補償的溫度轉換芯片MAX6675 和熱電偶，將檢測到的溫度信號轉換成數字信號，通過串行通信方式輸送數據給片機，并通過溫度模塊顯示實時檢測的溫度當前值。如果采集到的溫度數據異常，啟動報警模塊。

圖2 溫度檢測系統框架圖設計

2.1 單片機模塊設計

單片機模塊是整個溫度檢測系統的控制核心。單片機最小系統由單片機芯片、時鐘電路、復位電路和電源組成，為單片機提供基本運行環境[5]。該最小系統選用STC89C52RC 單片機。STC89C52RC 有著體積小、質量輕、價格低等優點，為眾多嵌入式控制應用和開發提供了靈活、高效的解決方案。時鐘電路由晶振和電容器組成，STC89C52RC 的18 腳和19 腳是外接晶振引腳，其時鐘頻率為11.059 26 MHz，并外接2 個20 pF 電容協助晶振起振及維持振蕩信號穩定，負責驅動單片機內部各部分電路正常工作。

STC89C52RC 的復位電路單片機復位通常可分為上電復位、手動復位、程序自動復位3 種情況。它正常工作時是低電平，復位則是高電平。復位電路主要用于單片機程序的復位，連接至單片機的9 腳，即RST復位引腳。該設計中提供按鈕進行手動復位，通過復位按鍵讓程序重新初始化運行。單片機的電源主要分為5 V 和3.3 V 這2 個標準，STC89C52RC 屬于5 V 單片機，當前電路選用USB 供電，供電電路分別連接至單片機的40 腳VCC 和20 腳GND，分別接+5 V 電源正極與電源負極。

2.2 溫度檢測模塊設計

溫度檢測模塊的主要任務是采集、檢測溫度信號，并完成溫度信號到數字信號的轉換。該溫度檢測模塊選用K 型熱電偶作為溫度傳感器，通過K 型熱電偶的冷端補償專用芯片MAX6675 對傳感器信號進行冷端溫度補償，并對溫度進行數字化測量處理。

MAX6675 是一個集成了熱電偶放大器、冷端補償、A/D 轉換器及SPI（Serial Peripheral Interface，串行外圍設備接口）的熱電偶放大器與數字轉換器[6]，具有12 位0.25 ℃的分辨率。在進行溫度檢測模塊設計時，MAX6675 的主要作用有2 個：①通過MAX6675校正環境溫度變化，完成冷端補償檢測。具體做法是通過MAX6675 內部的二極管D 將環境溫度轉換為溫度補償電壓，而K 型熱電偶將熱電偶熱端的工作溫度轉換為熱電勢。②利用MAX6675 將溫度補償電壓和熱電勢這2 個模擬信號送到ADC（模數轉換器）中轉換為代表溫度的數字信號，依據這2 個信號計算熱電偶的熱端溫度，再從串行接口輸出測量結果，這就是熱端的實際溫度。

2.3 按鍵模塊設計

輕觸按鍵，共有4 個按鍵。在按鍵設置中，KEY0為復位鍵，KEY1 為模式切換鍵，KEY2 為電路預警值增加鍵，KEY3 為電路預警值減少鍵。按一次模式切換鍵KEY1，可自動切換到LCD1602 液晶顯示屏上的溫度上限值或下限值，并可以通過預警值增加鍵KEY2和預警值減少鍵KEY3 設置測量溫度的上限值或下限值，也可以按下復位鍵KEY0，系統恢復初始狀態。

2.4 溫度顯示模塊設計

溫度顯示模塊選用LCD1602 液晶顯示屏。LCD1602 液晶顯示屏是點陣型液晶，主控芯片是HD44780，并行方式驅動，并行數據為8 位，程序通過這8 位數據線控制或讀取LCD1602 模塊的顯示或狀態，完成由單片機發送的溫度數據在LCD1602 上直接顯示溫度當前值和溫度預警上下限值。

2.5 報警模塊設計

報警模塊由發光二極管和蜂鳴器組成。如果熱電偶傳感器檢測到的溫度數據高于上限值或低于下限值，單片機啟動聲光報警模塊，蜂鳴器鳴響、LED 燈閃爍，這為報警響應，表示溫度異常。反之，如果異常處理完畢，需要通過按鍵模塊中復位鍵KEY0 解除報警，同時，通過按鍵模塊重新設置溫度預警上下限值，為下一次檢測做準備。

2.6 調節模塊設計

系統實現的是智能化控制，會根據出現的情況做出相應的調節，用固態繼電器驅動外接負載，外接負載分為升溫、降溫模塊。

3 系統軟件設計

收縮爐溫度檢測系統由硬件、軟件2 個部分組成。硬件為軟件功能的實現提供物質基礎，軟件則實現各具體功能。軟件程序主要由主程序和子程序構成，主程序為整個軟件的核心，用以調度硬件配置及與用戶進行交互。子程序則完成測溫、存儲等實質性工作。溫度檢測系統主程序流程如圖3 所示。

圖3 溫度檢測系統主程序流程

4 系統的軟、硬件仿真及試驗

利用Proteus 軟件與KeiluVision4 共同完成系統仿真。其中KeiluVision4 用以編寫軟件代碼，Proteus 用以單片機仿真。在Proteus 軟件中繪制電路原理圖，并導入KeiluVision4中代碼生成的HEX文件中進行仿真模擬。

硬件方面，通過電路設計、制板、焊接、組裝、調試后，保證每個模塊測試功能正常，再進行系統聯調。系統整機工作正常后，對系統的各項功能進行測試。測試過程中，將該溫度檢測系統在收縮爐中進行測驗，在不同時間段進行重復測量，并記錄測量結果，試驗效果不錯。

5 結論

為了使蒸汽收縮爐收縮膜料時達到有效收縮效果，設計了以STC89C52RC 單片機為核心的溫度檢測系統，K 型熱電偶為溫度傳感器，通過MAX6675 芯片完成冷端補償、信號轉換，以按鍵調節溫度上下限設定，通過LED 顯示當前檢測溫度。通過硬件和軟件設計實現對收縮爐爐內溫度的檢測，保證標簽收縮均勻、美觀，整個系統結構簡單、成本低、操作方便，具有一定的實用價值。