注塑模具型腔溫度測試系統設計*

王海雄 陳暉陽 秦建華

(①桂林理工大學廣西礦冶與環境科學實驗中心 廣西 桂林 541004; ②桂林理工大學機械與控制工程學院, 廣西 桂林 541004)

在注塑成型過程中，模具型腔溫度分布場是影響塑膠產品質量與生產效率重要因素[1-2]。對于不同的塑料和塑膠件，模具型腔的溫度要求不一樣，模具型腔溫度過低，則高溫塑膠熔體易于冷卻，不利于充填；模具型腔溫度過高，不利于充填后的冷卻。因此，模具的溫度必須控制在一定范圍內才能保證塑膠產品的質量[3-4]。目前，對溫度對模具影響以及模具溫控系統的研究較多，但是對模具型腔溫度實現實時監測和精確控制的研究很少有報道[5-6]。尺寸精度和產品質量要求高的塑膠產品，需要對模具型腔溫度嚴格控制，在模具中安裝相應的溫度傳感器，對型腔溫度場進行監控并反饋，為注塑成型工藝參數的設置提供參考。

本課題首先對溫度測試系統的整體進行設計，確定溫度傳感器的安裝部位，然后將該系統分為上位機和下位機兩個部分，采用STC89C52單片機與都是DS18B20溫度傳感器作為整個系統的下位機，應用虛擬儀器LabView作為整個系統的上位機，最后編制出測試系統的顯示界面，并且測試效果良好。

1 溫度測試系統的組成

本設計測溫系統主要由下位機與上位機兩個部分組成。上位機選用的是虛擬儀器Labview軟件，其主要作用是對下位機輸送過來數據處理及實時溫度曲線的顯示。下位機由DS18B20溫度傳感器及STC89C52單片機兩部分組成，上位機與下位機通信方式采用的是串行口通信方式。編程部分由STC89C52單片機程序與LabView程序構成，利用C語言編程對溫度的數據采集、處理功能，再經過LabView利用G語言編程實現溫度數據處理及顯示。該測溫系統使用STC89C52RC單片機作為微處理器，利用上位機與下位機組成測溫系統，檢測當前溫度并通過單片機實現采集到的溫度數據通過串口通信方式傳輸到虛擬儀器LabView，實現實時溫度曲線顯示。

由于注塑模具是一個封閉的整體，要測量到型腔的溫度，就需要在模具模仁從外面向型腔內表面打孔，如圖1在注塑模凹模上鉆出5個分布均勻的圓孔，孔的深度距離型腔內壁1 mm左右，這樣所測的溫度可以最大程度接近模具型腔各部分的真實溫度。該溫測系統需要滿足實時監測模具型腔溫度，要實現溫度的實時曲線顯示，必須將檢測電路檢測到的實時信號傳輸到單片機進行處理并存儲，再由串行口通信方式，把經過單片機處理的信號傳送至計算機，經LabView處理，溫度變化曲線在算機屏幕顯示。

2 溫測系統下位機設計

2.1 控制模塊硬件設計

該系統主要由單片機最小系統、晶振電路、復位電路、溫度檢測電路和實現溫度曲線實時顯示的上位機LabView等組成。測溫系統的下位機使用STC89C52RC單片機作為控制和處理的核心，它是8051單片機的改進增強型，所以與8051可以完全兼容[7]。8KB字節可編程閃存，其工作電壓范圍為3.4～5 V，工作頻率范圍0～40 MHz；溫度檢測電路主要由DS18B20傳感器件組成。DS18B20有著這些優勢：使用單總線技術，每個DS18B20與微處理器連接只需要一根線；同時每個DS18B20都有自己的64位序列號，這樣每個DS18B20便都不相同；其工作電壓的范圍為3～5 V，溫度檢測范圍為-55℃～+125℃，誤差可以控制在±0.5℃以內；晶振電路由12 MHz和兩個電容組成，復位電路由kΩ電阻和獨立按鍵組成，保持兩個周期便可以復位。

2.2 主控電路

本系統的主控電路由時鐘電路、復位電路、電源模塊組成。單片機STC89C52RC工作電壓為3.4～5 V，所以電源模塊可以使用USB線連接筆記本USB～5 V作為電源輸入，符合便攜手持式產品的設計。時鐘電路采用12 MHz晶振與陶瓷電容組成。復位電路由電解電容和電阻構成，保持兩個機器周期便可以復位。

在單片機系統中都需要有晶振，因為在單片機系統中它起到結合單片機內部的電路，產生單片機所必須的時鐘頻率，單片機一切指令的執行都建立在這個基礎上的，單片機的運行速度與晶振提供的時鐘頻率有關。晶振為系統提供基本時鐘信號，圖2是系統電路時鐘電路。系統設計了一個按鍵電平復位。復位操作對于單片機有著重要作用，當出現死機時，按下復位鍵盤便可以初始化。在設計復位電路時，當RESET引腳保持10 ms以上的高電平時就可以進行復位。當按下復位鍵盤，RESET輸入高電平，松開按鍵變成低電平，此時單片機執行程序地址為0000H。圖3所示為按鍵式復位電路，按下按鍵后，R1與R2接通形成回路，使RESET引腳產生高電平，按鍵的時間決定了復位時間。將DS18B20的VDD引腳與VCC相連，DQ引腳接在已經定義好的P1.1上， DS18B20的GND引腳再與單片機地端連接，這樣就構成了本系統的檢測電路部分，如圖4所示。

3 溫測系統上位機設計

本系統上位機的設計主要包括串口通訊模塊設計、數據處理模塊設計和數據顯示模塊設計，在各模塊設計的基礎上設計出整個系統的程序框圖。程序框圖的設計，是能否實現系統功能的關鍵部分。

3.1 串口通信模塊設計

由于上位機與下位機的通訊方式為串行通信，所以該模塊作用是將下位機與上位機實現數據傳送。該程序從串口讀取的十進制字符串，再將讀進來的字符串處理。

如圖5所示為本設計串行口通訊模塊總體框圖，從VISA資源名稱(串口COM4)讀取十進制的字符數，再由VISA的串口配置，將數據寫入緩沖區，然后再從緩存區的數據讀出。本程序一次從緩沖區讀取4個字節進行轉換，字符串端連接為字符串。偏移量一定為數值，字符串第一個字符的偏移量設置為0，不連線默認值為0。長度量為數值，本設計為4。子字符串等于長度值減去偏移量，本程序為4-0=4，所以字符串值為4。

VISA資源指定的串口按設置初始化，將數據與VISA資源名稱連接，確定要用的多態實例。該程序VISA配置串口的數據設置為：波特率2 400，數據比特8，奇偶0。也就是與在下位機程序設定好的串口工作模式中的波特率相同，同時也要設置接入的串口的波特率、數據比特和奇偶校驗要與VISA配置串口的設置相同，這樣才能進行通訊VISA資源名稱與本系統下位機串口傳輸數據連接，同時把數據返回到讀取緩存區。

3.2 數據處理模塊設計

數據處理模塊程序使用的是截取字符串函數和連接字符串函數，連接字符串函數：該函數還可以把所有的輸入的多個合并成一個輸出字符串。輸入也可以是單一字符串、字符串數組或字符簇，在快捷菜單中選擇添加輸入，或調整函數大小，均可向函數增加輸入端。連接的字符串函數包含連接的輸入字符串、溫度符號℃和行結束常量。

數據處理該程序使用的掃描字符串函數在輸出時乘以常數1，掃描字符串函數分別對輸入字符串中的浮點數、整數、字符串以及時間控件進行掃描識別。連接一個格式字符串，它將根據字符串指定的格式進行轉換。本程序選擇%f，其中%代表格式說明符開始，f指帶小數格式的浮點數(例如，12.345)。如果無設置，將進行默認格式的轉換。該函數的初始掃描位置參數用于設置初始掃描位置，即字符串中的偏移量(默認值為0)相連。

3.3 數據顯示模塊設計

為實現顯示，把上面處理好的數據以曲線形式、數值形式和直觀的溫度計數值顯示出來。將經過處理的數據與溫度曲線圖連接在一起，將實時采集的溫度在一個曲線圖顯示出來。使用溫度計顯示控件、數值顯示控件和曲線圖，將實時溫度數值在數值控件顯示，同時也在溫度計顯示。

計算出來的溫度數據分為三支：一是溫度顯示；二是報警模塊；三是歷史溫度顯示模塊。溫度報警模塊，由條件結構、比較符號和布爾控件組成。當輸出的溫度數據大于上限溫度30 ℃，此時條件為真，上限溫度報警燈亮；當輸出的溫度數據小于下限溫度20 ℃，此時條件為真，下限溫度報警燈亮。溫度顯示模塊由一個布爾時間按鈕、創建表格函數和輸出表格組成。按下時間按鈕，就可以在表格輸出的每個溫度數值前加上時間，歷史溫度表格能夠保存每個時間點溫度數據。

3.4 上位機程序框圖總體

根據串行口通信模塊、數據處理和顯示部分模塊，并增加了系統的上限和下限報警功能及歷史溫度數據生成報表的功能，得到的上位機程序框圖如圖6。整個程序使用到了平鋪式順序結構，本程序需要按順序進行多步的操作，所以需要在單框架順序結構的基礎上創建多框架順序結構。同時還是用到了條件結構，它相當于C語言中的if語句。條件結構根據相應的設置，執行不同的過程。包含一個或多個程序框圖、分支。結構執行時，只有滿足條件的一個子程序框圖或分支才能執行。連線至選擇器接線端的值決定要執行的分支，條件結構默認分支選擇器為布爾量輸入控件，程序選擇器選擇為真，只有為真時，也就是輸出數值與設定的上下限數據相比較，大于上限值或小于下限值時，才有輸出，報警燈才會亮。

3.5 前面板設計

前面板是人機交互的界面，由輸入控件、輸出控件和顯示控件三部分構成，它相當于真實儀器的操作面板。由于需要顯示實時溫度數值，所以需要顯示數值控件和直觀觀察的溫度計，還需要進行串口通訊，也需要一個I/O輸入控件、相關波特率及數據比特輸入控件。溫度曲線顯示，需要一個曲線圖，并將曲線圖的X、Y的標尺進行調整，顯示設置為自動調整圖例大小，這樣可以使溫度曲線更好觀察。還有歷史數據模塊的，時間顯示控件及歷史數據圖表。最后是報警模塊的布爾控件，包括兩個溫度報警燈。把所選的控件按一定的順序擺放好，構成上位機的前面板。圖7為本系統的前面板。

4 系統調試結果

將溫度檢測系統與模具連接，如圖8所示。先驗證上位機的程序編寫是否正確。在后面板上的菜單欄，有著單步執行、連續運行、中斷執行、暫停和高亮顯示功能按鈕，其中使用高亮顯示執行過程，就可以看到整個程序工作的過程。按下高亮顯示，再按下連續執行按鈕，可以看到。說明所編寫的程序是正確的。在VISA資源名稱找到串口COM4，然后按下連續執行按鈕。實驗條件在室溫下，當模具溫度接近室溫28 ℃，所設置的溫度曲線圖Y軸數值從22至35，這樣便于觀察曲線變化情況。從顯示的溫度變化曲線圖可以看出，當模具溫度為28 ℃時，顯示的溫度非常接近28 ℃，誤差在1 ℃以內。再改變模具的溫度，可以從曲線圖上明顯看出溫度的變化，如圖9所示，而且系統響應的時間很短，不超過0.1 s。

5 結語

根據模具型腔的結構特點，確定溫度傳感器的安裝位置，使其能夠反映型腔各部分的溫度變化。使用STC89C52RC單片機作為該溫度檢測系統控制和處理的核心并設計出主控檢測電路。系統的上位機的設計主要包括串口通訊模塊設計、數據處理模塊設計和數據顯示模塊設計，在各模塊設計的基礎上設計出整個系統的程序框圖。通過前面板的設計，實際檢測溫度及變化情況可以實時顯示，便于觀察。將整個系統與模具連接，對溫度檢測系統進行調試，調試結果說明該系統能夠檢測出模具型腔實時溫度的變化。

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