數碼噴墨印刷供墨系統硬件及軟件設計與分析

曹范亮

目前供墨系統主要要完成的功能是為噴頭提供合適的壓力，保持墨水彎月面在適當的范圍內，保證噴頭有連續可靠的工作時間。壓力主要是通過虹吸、位差氣壓或液壓泵來產生。其中虹吸和位差法結構簡單，但使用調整麻煩、穩定性相對較差。氣壓和液壓泵法調節性好，穩定性也不錯，但是設備復雜，集成性能較差。壓力的自動調節無疑是未來供墨系統的必須功能之一，從簡單的單墨盒，到有二級墨盒的緩沖，提高系統的控制精度，再到自動控制功能的加入，作為噴頭的配套設備，供墨系統的精確性已經日益受到人們的重視，機電一體化子系統的獨立運行是供墨系統未來的發展方向。同時隨著數碼噴墨打印技術應用范圍的不斷擴展，各種印刷墨水的功能正在不斷的創新，噴頭對墨水特性的要求也變得越來越高，保證噴頭有效工作的前提是保持供墨系統中墨水的特性穩定。另外，提高供墨系統的普遍應用性和噴頭間的兼容性能也能夠大幅度縮短噴墨系統的開發周期和研究成本。目前的供墨系統控制性差、集成度低、設備復雜以及無法對墨水特性進行調節等成為了普遍的不足，因此，開發出一套結構簡單、性能優異、墨水特性和供墨特性好并且能獨立運行、控制參數可調的可擴展的供墨系統對于我國現階段的噴墨印刷系統的開發具有重大意義。

數碼噴墨印刷供墨系統硬件設計

本文所提出如圖1所示的供墨系統，由主墨盒、次級墨盒、油墨泵、過濾器以及檢測反饋控制系統等組成。容量較小的次級墨盒儲存少量的經過過濾的墨水，用我們特定的壓力給噴頭提供墨流。直到次級墨盒里面的墨水消耗至一定程度，小型墨泵便開始從墨盒中抽取墨水，與此同時次級墨盒通過墨水過濾器補充消耗的墨水。次級墨盒內的液壓傳感器和溫度傳感器以及主墨盒中的液位開關和系統的控制面板，都是檢測反饋系統的一部分。通過系統中傳感器所檢測到的信號，把檢測到的溫度以及液位信息全部傳輸給控制面板，控制面版執行內部程序對數據進行處理，對油墨泵以及加熱裝置進行開關控制，從而控制系統的油墨溫度，噴頭負壓以及其他保證正常工作的要求的條件。

為了使供墨系統成為一個獨立的機電一體化裝備，那么必須具有數據采集功能和數字控制功能，才能具有溫度測量和液位的準確測量功能。那么對于系統所應用到的控制系統，本設計采用單片機控制技術，那么對于單片機技術，當今時代已經取得了階段行的進展，目前市場上應用最為廣泛的有單片機處理器、ARM處理器、DSP等。單片機技術是一種很特殊的技術，一個微小的單片機具備了很多模塊，其中包括CPU、儲存器和I/O接口模塊等。單片機是多模塊的集合體，具備了體積小，性價比高的優點，而且在使用過程當中，它的可靠性非常的高。在多年的使用過程中，它憑借著自身的優勢被廣泛應用于工業控制領域。其次，ARM為32位處理器，擁有比單片機更為豐富的內部資源和外部接口功能，它的運算速度幾乎能夠接近電子計算機的CPU速度。相對于單片機來說，ARM系統的優點比較偏向于控制，具有較強的組織管理功能，應用的領域也不用于單片機，ARM多被應用于手機，平板電腦等移動設備的核心芯片。除了單片機和ARM之外就是DSP，被稱作是數字信號處理技術，顧名思義就是專門處理數字信號的芯片，擁有非常強大的數字處理能力，可以大批量的，高速度的進行運算處理，被應用的領域也是高精尖的加密和解密等領域。由于本設計的控制數據只有溫度和液位二個量，執行元件只有加熱片，墨泵和信息顯示屏等，所以綜合考慮，選擇性價比高，具有絕對優勢的單片機作為主控芯片。本設計采用STC12C5628AD單片機，它的特點是具有較高的運算速度，同時低功耗和擁有超強抗干擾的能力等等，編程指令代碼完全與傳統8051的程序兼容，但是速度要快8～12倍，芯片內部集成了中央處理器、定時/計數器、數據和程序存儲器、A/D轉換、I/O接口、SPI接口、看門狗和外部晶體振蕩電路等。STC12C5628AD自身主要參數如下所示：工作電壓3.5～5.5V，Flash是8K，SRAM是786Byte，8路10位的A/D轉換和27個I/O端口。

控制系統框架示意圖如圖2所示，溫度傳感器PT100和壓力傳感器把采集的信號經過采集電路傳給放大電路，信號經過放大后準確的送給STC12C5628AD單片機，單片機自身具有A/D轉換模塊，信號經過轉換后進行相應的輸出，完成加熱片，墨泵和顯示屏的需求控制，除此之外，在整個控制系統上還安裝了串口通信模塊，可以進行相應的數據通信和軟件的更新。

本設計當中的次級墨盒內部設有壓力檢測裝置，型號為MPX2010DP，用于采集墨盒底部的壓強，通過簡單的換算可得出墨水的液位高度。傳感器特性參數詳見表1。

MPX2010DP采用差分壓力測量法，有兩個壓力端口，即P1和P2，然后P1和P2做減法運算，得到的值即為測量值。如圖3所示，對于次級墨盒來說，在測量時我們需要知道底部的壓力值，才能準確地測得液面的高度，所以如將壓力傳感器連接在墨盒底部輸出開口處，這樣才能得到壓力值P。

XAAR500噴頭負壓需求為-0.1～0.5kPa，相當于10～50mm的液面高度。本設計的核心部分，供墨系統所采用的壓力方式為液位高度差，此處所謂的高差指系統墨水的最低處與墨水最高點之間的差值。墨盒內液位需控制在60～100mm，如圖4所示。

在實際設計系統時，必須綜合考慮諸多因素，比如：系統工作的頻率，管路中墨水的流速和流量等。權衡各方面的因素之后，決定墨泵開啟的閥值為65mm，關閉閥值定為98mm，墨水液位控制策略為H大于98mm關閉油墨泵，H小于65mm開啟油墨泵。

在溫度測量模塊，本設計采用的是全方位立體式測量方式，其溫度傳感器的型號為PT100鉑熱電阻。此溫度傳感器的特性是電阻與環境溫度成正比，通過電阻值換算出對應的溫度值。對于PT100來說，測量溫度的方式有恒流源法和惠斯頓電橋法。首先，恒流源法指將一個恒流源接通鉑熱電阻，作用是檢測 PT100上電壓的變化范圍；另一個是采用專門的惠斯頓電橋，測量PT100阻值的變化所產生的電勢差值。上述兩種方法中，惠斯頓電橋法所得到的誤差較大，而且后期的換算處理過程繁瑣，所以本設計采用相對較簡單，而且誤差較小的恒流源法。通過PT100的電流的大小會對測量產生不可忽略的影響，電流過小的話會降低信噪比，而電流過大的話會使得PT100自熱效應非常明顯，產生測量誤差，權衡了各方面因素之后，選擇了1mA電流，可以達到系統需求。系統溫度測量的準確程度有很多影響因素，其中就包括恒流源，所以出于設計的要求，選擇TL431構成的恒流源，就有誤差小和抗干擾性強的優勢。

數碼噴墨印刷供墨系統軟件設計與測試

上文根據噴碼機系統總體設計方案設計了功能完善的硬件部分，接下來將對噴碼機系統軟件的設計進行整體的研究。對于一個控制系統來說，達到正常工作的目的，僅僅依靠基礎硬件部分是不足的，還得需要軟件部分的支持才可以構成一個完整可靠的控制系統。給出系統的控制軟件實現方法。

數碼噴墨印刷供墨系統的軟件設計是整個控制系統設計的核心，硬件設計作為基礎，在軟件的配合下完成預期的目標功能。硬件的設計存在通用性，而軟件設計大多數工作是針對某個特定對象，完成硬件不能夠完成的功能。軟件的設計十分具有靈活性，可以根據功能需求不斷變化。

系統的智能控制通過單片機來完成，溫度控制系統的編程使用了模塊化的設計方式，把我們所要實現的所有功能分塊實現與調試，全部調試成功后，把各個模塊通過程序連接在一起，便構成了整個單片機軟件的系統。之所以采取這樣的編程方式，是因為后續在程序有調試，維護以及升級時便于操作。我們所使用的系統是由系統主程序、各功能子程序以及中斷程序3個部分構成。主程序負責調取子程序，連接各個模塊所單獨實現的功能。中斷程序顧名思義就是處理中斷時間。當主程序完成初始化以后，依次執行子模塊中的程序，當中斷發生或者達到預定義的時間（所設置的控制時間），系統便執行中斷程序，直至中斷程序處理完畢再次跳回中斷前所處的狀態，主程序繼續執行。

整個控制系統分為兩個部分，分別為溫度控制和液位控制。如圖4所示，在采樣時間內得到的采樣值小于65mm時，則開啟油墨泵，如果液位大于98mm時，則關閉油墨泵，但是如果液位小于65mm時又無明顯上升趨勢時，這就說明墨盒當中的剩余量少于5cm，這時操作液位控制開關進行關閉操作，停止運行墨泵，與此同時，顯示屏需要顯示相應警告信息，這種狀態如果繼續下去，墨盒液位持續降低到62mm時，由串口發出警告信號傳到打印系統總控制臺，控制停止打印任務。

STC12C5628AD單片機可以通過PID控制的計算，將溫度誤差帶入到上個表達式里，最后輸出的值則對PWM方波的占空比有決定性的作用，同時也會對加熱片的實際工作加以控制，在對溫度的控制過程中我們可以為了增大系統前期的溫度響應來進行分步的操作，本課題可以通過設定溫度閾值Tset，當溫度低于該閾值時，加熱片會持續進行加熱。而當溫度大于閾值時，則需要PID控制來調節加熱片，達到穩定控制的目的。

在本設計當中，對于油墨泵的控制與設定的初始值密切相關。如果檢測到的液位高度小于設定初始值，則油墨泵開啟，進行補墨操作；否則油墨泵處于關閉狀態，這樣就使系統液位維持在設置初始值的固定高度。詳細中斷控制程序框架如圖7所示。

就本設計而言，次級墨盒溫度控制系統是非線性和大慣性的時變系統，而且要求其溫度響應速度要快。所以本系統的整個升溫過程由3個階段組成（如圖8所示），分別是：快速升溫過程、微調升溫過程、保持恒溫過程，其操作方法就是為這幾個過程找一個分界點，即設置一個溫度閥值。快速升溫過程一定要做到升溫的快速性，其實就是為了在盡可能短的時間內將溫度迅速提升到目標溫度閥值T1；然后是微調升溫過程，在這個過程中要求系統能對加熱組件進行精細控制，使墨水溫度緩緩升高，直至達到系統的目標溫度T；最后是恒溫過程，在此過程中系統需要對加熱組件進行間歇性的控制，要通過這樣連續的控制把墨水的溫度穩定在系統要求的范圍中。控制墨水的升溫是通過傳感器測量墨水溫度然后傳輸到單片機中，接著MCU運算后經過PWM接口傳輸信號至執行機構，進而控制加熱組件的運行與否，最終達到控制次級墨盒的熱量實現的。系統控制溫度的方法不止是從主墨盒中添加墨水這一種，且控制溫度過程中不計算熱傳導等方式的熱量損失，因此對溫度產生主要影響的就是加熱組件，控制好加熱組件就有了對溫度的主動直接的控制權。在系統的整個溫度控制過程中，應該盡量控制溫度不要超過目標溫度，因為如果墨水溫度高于系統目標溫度，而系統降溫只能依靠熱傳導消耗，所以無法使溫度及時回到目標溫度。

溫度控制系統并不是簡單的線性系統，而是參數不斷變化的，有時滯性和外界干擾的動態系統，要讓系統的控制效果理想化就得尋求更高級的控制策略，PID控制就是不錯的選擇，它在實現應用中也是最為廣泛。經過長時間發展的PID控制器不僅僅技術發展成熟，并且具有眾多優點，如：結構簡單、操作方便、性能可靠等，對于建立精確數學模型的控制系統尤為適合，可通過比例、積分、微分環節將系統誤差計算得出控制量，再對系統進行控制，原理框圖如圖9。

模糊PID控制器包括兩部分：常規PID控制器和模糊控制器，如圖10所示。e（t）和 ec（t）作為模糊控制器的輸入，e（t）和ec（t）分別是系統偏差和偏差變化率，PID的3個參數變化量作為輸出，最后通過模糊整定后的PID控制器輸出，達到控制執行機構動作的目的。圖11為控制流程。

本設計的目的在于設計出一種單獨運行的機電一體化裝備，供墨系統作為核心部分，此供墨系統具有統一的標準，可以隨意的安裝在其他需要的設備上。因為本設計的供給方式為高度壓差負壓法，這就造成在安裝過程當中必須人為的設定高度差，主機部分在下方，包括主墨盒，墨泵和過濾裝置以及相關的控制面板，顯示屏等等，基于方便快捷的想法考慮，供墨系統的主機部分大小為：40cm×10cm×30cm，次級墨盒位于上方，具體裝配效果如圖12、13、14所示。

系統的測試主要包括以下幾個方面：

①單片機A/D轉換的實際電壓；

②AD620調零程序的補償結果；

③OP7調零程序的補償結果；

④MPX2010P壓力傳感器的測試；

⑤系統采樣周期的設定，需要不斷地調試取得最佳值。

經過系統的調試，系統在室溫為18℃，墨盒當中的滿液位時，系統需要9.06分鐘的時間才能達到穩定狀態，其穩定溫度為30℃，溫度誤差為0.4℃。本系統裝備了信息顯示屏，現實的信息包括運行的溫度，液位的高度和緊急狀況發出的警報，除此之外，為了便于后期的維護和拓展，人性化的設計了串口通信，完成系統集成。

硬件設計是數碼噴墨印刷供墨系統基礎部分，軟件的支撐可以使系統更加靈活，功能更加完善。

隨著計算機技術的進步和微電子技術的快速發展，單片機控制系統在工業過程控制、汽車制造、軍事等消費類產品行業得到了廣泛的應用。基于單片機的數碼噴墨印刷控制系統是微型計算機控制系統在印刷領域的重大發展，為微型計算機系統的推廣和數碼噴墨印刷技術的進步起到了非常重要的推動作用。數碼噴墨印刷技術的研制開發，主要是為了改變目前國內噴墨印刷設備過于依賴進口產品的局面，數碼噴墨控制系統的設計是數碼噴墨研制開發中至關重要的一個環節。

本文在分析了數碼噴墨印刷系統的組成和工作原理及市場功能需求的基礎上進行了對控制系統的硬件設計以及軟件設計的討論。根據供墨系統功能要求，設計了相對應的供墨系統，采用51單片機為平臺，結合相應壓力溫度傳感器和執行器，有機地結合了XAAR500噴頭，開發出一套機電一體化獨立供墨系統。

作者單位：深圳市賢俊龍彩印有限公司