基于STM32的保溫杯保溫性能檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 洋，廖 平

（中南大學(xué) 高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410083）

0 引言

在保溫杯生產(chǎn)過(guò)程中保溫性能的檢測(cè)是十分重要的環(huán)節(jié)，其檢測(cè)結(jié)果直接決定了保溫杯生產(chǎn)質(zhì)量是否合格。目前對(duì)保溫杯保溫性能的檢測(cè)方法主要有泡水測(cè)溫法、蒸汽測(cè)溫法、壓力測(cè)溫法、特爾摩斯法等，其中蒸汽測(cè)溫法可以實(shí)現(xiàn)半機(jī)械化操作，且其消耗的能源、資源相對(duì)較少，在工業(yè)生產(chǎn)檢測(cè)中廣泛應(yīng)用[1]。

蒸汽測(cè)溫法是向保溫杯內(nèi)部注入高溫蒸汽，間隔一定時(shí)間后再由生產(chǎn)人員主觀感知保溫杯外部是否有明顯發(fā)熱現(xiàn)象，若保溫杯外部出現(xiàn)明顯發(fā)熱現(xiàn)象則說(shuō)明保溫性能不合格，反之則說(shuō)明保溫性能合格。顯然生產(chǎn)人員主觀進(jìn)行檢測(cè)的方式其檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確度不高，且效率較低，已經(jīng)越來(lái)越不能滿足工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模化、精益化等要求。因此本文在蒸汽測(cè)溫法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于STM32的保溫杯保溫性能檢測(cè)系統(tǒng)。測(cè)試表明，該檢測(cè)系統(tǒng)可布置在保溫杯生產(chǎn)檢測(cè)流水線上，能夠無(wú)損、準(zhǔn)確地檢測(cè)出保溫性能不合格的保溫杯杯體并實(shí)時(shí)報(bào)警，實(shí)現(xiàn)了保溫杯保溫性能檢測(cè)的自動(dòng)化。

1 紅外測(cè)溫法理論分析

1.1 輻射測(cè)溫基本理論

自然界中一切自身溫度高于絕對(duì)零度的物體都在向周圍空間輻射出紅外能量。黑體輻射測(cè)溫理論中最基本的定律為普朗克定律，它反映了黑體的光譜輻射出射度Mbλ（T）與絕對(duì)溫度T之間的關(guān)系：

式中：Mbλ（T）為黑體的光譜輻射出射度，W/（m2·μm）；λ為波長(zhǎng)，μm；T為絕對(duì)溫度，K；c1、c2為第一、第二輻射常數(shù)。

對(duì)式(1)的波長(zhǎng)λ從0到+∞積分計(jì)算可得：

式(4)即為斯蒂芬-玻爾茲曼輻射定律的表達(dá)式，表明了黑體的全輻射出射度與其絕對(duì)溫度的四次方成正比。因此即使很小的溫度變化也會(huì)引起黑體全輻射出射度顯著的改變[2,3]。

在全輻射測(cè)溫法中，物體的輻射出射度一般均小于黑體的輻射出射度，二者之比即為物體的表面發(fā)射率ε[4]，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

故物體的輻射出射度為：

物體表面的溫度T與物體的輻射出射度M(T)以及物體的表面發(fā)射率ε之間的關(guān)系為：

即可通過(guò)測(cè)量物體表面的輻射出射度求得被測(cè)物體的表面溫度。

1.2 MLX90614測(cè)溫原理及結(jié)構(gòu)方案

為防止檢測(cè)過(guò)程對(duì)保溫杯表面造成二次損傷，本系統(tǒng)采用非接觸式紅外溫度傳感器MLX90614測(cè)量保溫杯表面溫度，其測(cè)溫范圍為-70℃～380℃，最高測(cè)溫精度可達(dá)0.5℃。傳感器內(nèi)部集成紅外探測(cè)熱電堆MLX81101和信號(hào)處理芯片MLX90302。紅外探測(cè)熱電堆MLX81101主要由微型熱電偶組成，熱端固定在感溫薄膜上，冷端與芯片基體直接相連。感溫薄膜吸收被測(cè)目標(biāo)輻射出的紅外能量后使得熱端溫度升高或降低，熱端與冷端的溫度差則會(huì)導(dǎo)致熱電堆MLX81101產(chǎn)生相應(yīng)的電勢(shì)差。信號(hào)處理芯片MLX90302根據(jù)熱電堆MLX81101的電勢(shì)差和冷端溫度信號(hào)即可計(jì)算出被測(cè)目標(biāo)的溫度[5]。

為減少工業(yè)生產(chǎn)中環(huán)境因素的干擾[6]，本設(shè)計(jì)方案在紅外溫度傳感器MLX90614與被測(cè)目標(biāo)之間增設(shè)了紅外光學(xué)濾波器，如圖1所示。該紅外光學(xué)濾波器主要用于截?cái)嗫梢?jiàn)光和近紅外輻射，以此來(lái)提高紅外溫度傳感器MLX90614的抗干擾能力。可透過(guò)該紅外光學(xué)濾波器的波長(zhǎng)范圍為5.5μm～14μm，根據(jù)維恩位移定律λT=2.9×10-3m·k可知，此時(shí)紅外溫度傳感器MLX90614可測(cè)量的目標(biāo)溫度范圍約為-66℃～254.12℃，滿足本方案0℃～220℃的測(cè)溫要求。

圖1 MLX90614測(cè)溫結(jié)構(gòu)方案圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本檢測(cè)系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)主要包括紅外測(cè)溫模塊、感應(yīng)模塊、報(bào)警模塊、電源模塊以及串口通信模塊，硬件總體方案如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體硬件方案圖

2.1 紅外測(cè)溫模塊硬件設(shè)計(jì)

紅外測(cè)溫模塊主要由紅外溫度傳感器MLX90614及其信號(hào)處理電路組成，其中傳感器MLX90614實(shí)現(xiàn)對(duì)保溫杯表面溫度的非接觸式測(cè)量，信號(hào)處理電路則主要負(fù)責(zé)傳感器MLX90614的驅(qū)動(dòng)控制以及信號(hào)傳輸?shù)裙δ埽湎鄳?yīng)的電路原理圖如圖3所示。

圖3 紅外測(cè)溫模塊電路原理圖

由于本檢測(cè)系統(tǒng)采用24V外接電源進(jìn)行供電，而傳感器MLX90614其工作電壓為3.3V，故采用電源芯片LM2596-3.3將24V電平轉(zhuǎn)換為3.3V電平完成對(duì)傳感器的驅(qū)動(dòng)供電。

紅外溫度傳感器MLX90614采用二線制SMBus通信協(xié)議與STM32單片機(jī)進(jìn)行通信，時(shí)鐘引腳SCL和數(shù)據(jù)引腳SDA與STM32單片機(jī)I/O引腳直接連接。此時(shí)傳感器MLX90614引腳被配置為開(kāi)漏模式，時(shí)鐘引腳SCL和數(shù)據(jù)引腳SDA均需要10kΩ上拉電阻才能正常工作。

2.2 感應(yīng)模塊硬件設(shè)計(jì)

為確定當(dāng)前檢測(cè)工位是否有待檢測(cè)的保溫杯杯體，本檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了保溫杯杯體感應(yīng)模塊。感應(yīng)模塊主要采用了臺(tái)邦公司的TB1204-N型接近開(kāi)關(guān)，其主要對(duì)當(dāng)前工位是否存在保溫杯杯體進(jìn)行非接觸式感應(yīng)檢測(cè)。TB1204-N型接近開(kāi)關(guān)采用電磁感應(yīng)式的工作原理，具有響應(yīng)速度快、檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確、接線簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，其電路原理圖如圖4所示。

圖4 感應(yīng)模塊電路原理圖

TB1204-N型接近開(kāi)關(guān)其檢測(cè)結(jié)果通過(guò)2號(hào)引腳直接輸出，其輸出電壓與STM32單片機(jī)I/O引腳輸入電壓不匹配，故采用集成光耦TLP2301進(jìn)行橋接，將24V電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為3.3V電壓信號(hào)輸入給單片機(jī)。其中R11為限流電阻，其阻值大小為10kΩ，防止電路電流過(guò)大從而導(dǎo)致元器件損壞；D4為反向保護(hù)二極管，防止電源正負(fù)極反接或出現(xiàn)過(guò)大的反向電壓導(dǎo)致光耦損壞。

2.3 報(bào)警模塊硬件設(shè)計(jì)

在工業(yè)生產(chǎn)檢測(cè)中為及時(shí)提醒生產(chǎn)人員篩選出保溫性能不合格的保溫杯杯體，本系統(tǒng)采用了施耐德公司的XB2-BSB4LC型帶燈蜂鳴器作為報(bào)警指示器，其內(nèi)部集成有報(bào)警燈和蜂鳴器，可同時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警指示，且其響應(yīng)速度快，可直接采用24V直流電源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

2.4 串口通信模塊硬件設(shè)計(jì)

本檢測(cè)系統(tǒng)采用USB轉(zhuǎn)串口芯片CH340完成與上位機(jī)的通信。CH340芯片內(nèi)置了USB上拉電阻，其UD+和UD-引腳可直接連接到USB總線上，可與計(jì)算機(jī)端的串口應(yīng)用程序完全兼容，易于實(shí)現(xiàn)硬件系統(tǒng)與上位機(jī)的雙向數(shù)據(jù)通信。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

本檢測(cè)系統(tǒng)程序采用了模塊化的程序設(shè)計(jì)方法，主要包括主程序設(shè)計(jì)、紅外測(cè)溫模塊程序設(shè)計(jì)以及串口通信協(xié)議設(shè)計(jì)等內(nèi)容。

3.1 主程序設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)上電復(fù)位后，首先根據(jù)上位機(jī)指令執(zhí)行系統(tǒng)的初始化工作，初始化溫度閾值與相關(guān)紅外溫度傳感器的發(fā)射率；系統(tǒng)初始化完成后進(jìn)入監(jiān)聽(tīng)模式，等待感應(yīng)模塊觸發(fā)外部中斷進(jìn)入中斷服務(wù)程序；在中斷服務(wù)程序中，STM32單片機(jī)控制紅外溫度傳感器MLX90614對(duì)待檢測(cè)的保溫杯杯底表面溫度進(jìn)行非接觸式測(cè)量，并將實(shí)測(cè)值與系統(tǒng)預(yù)設(shè)的溫度閾值進(jìn)行比較，判斷當(dāng)前檢測(cè)的保溫杯保溫性能是否合格，若保溫杯不合格則立即進(jìn)行聲光報(bào)警指示；最后將檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，退出中斷服務(wù)程序繼續(xù)進(jìn)入監(jiān)聽(tīng)模式，等待感應(yīng)模塊觸發(fā)外部中斷進(jìn)行下一次的檢測(cè)。系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

3.2 紅外測(cè)溫模塊程序設(shè)計(jì)

本檢測(cè)系統(tǒng)中STM32單片機(jī)采用SMBus協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外溫度傳感器MLX90614的控制和溫度數(shù)據(jù)的讀取。SMBus協(xié)議是一種二線制的串行通信協(xié)議，其對(duì)應(yīng)引腳為SCL引腳和SDA引腳，其中SCL引腳為時(shí)鐘引腳，SDA引腳為串行數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。系統(tǒng)采用主從工作模式：STM32單片機(jī)作為主控器，負(fù)責(zé)提供同步時(shí)鐘、起始位、停止位以及數(shù)據(jù)收發(fā)；紅外溫度傳感器MLX90614則作為從控器，負(fù)責(zé)接收同步時(shí)鐘、指令以及數(shù)據(jù)收發(fā)。

STM32單片機(jī)控制紅外溫度傳感器MLX90614讀取一次溫度數(shù)據(jù)的程序流程圖如圖6所示。在讀取一次溫度數(shù)據(jù)的過(guò)程中，紅外溫度傳感器MLX90614接收到指令數(shù)據(jù)后都會(huì)發(fā)送確認(rèn)應(yīng)答，并且STM32單片機(jī)接收數(shù)據(jù)后也需要向傳感器發(fā)送確認(rèn)信號(hào)，以此來(lái)保證二者之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾浴Ｈ艚邮盏降臏囟葦?shù)據(jù)CRC校驗(yàn)不正確，則直接丟棄數(shù)據(jù)并返回讀取錯(cuò)誤標(biāo)志。

圖6 MLX90614測(cè)溫程序流程圖

3.3 串口通信協(xié)議設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)與上位機(jī)采用串口通信的方式完成雙向數(shù)據(jù)傳輸，其通信協(xié)議采用數(shù)據(jù)包的形式進(jìn)行組包、傳輸以及數(shù)據(jù)解析[7]。其通信協(xié)議格式如表1、表2所示。

表1 上位機(jī)發(fā)送給檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包格式

表2 檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)送給上位機(jī)的數(shù)據(jù)包格式

（續(xù)）

上位機(jī)可通過(guò)發(fā)送相關(guān)指令數(shù)據(jù)包設(shè)置檢測(cè)系統(tǒng)的溫度閾值以及紅外溫度傳感器的發(fā)射率等參數(shù)，而檢測(cè)系統(tǒng)則可以將相關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的形式傳輸至上位機(jī)進(jìn)行下一步的處理、分析。同時(shí)在數(shù)據(jù)包格式設(shè)置中，按照“傳感器編號(hào)+傳感器發(fā)射率/傳感器溫度”的形式設(shè)置，便于后續(xù)布置多個(gè)紅外溫度傳感器進(jìn)行檢測(cè)。

4 系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)上位機(jī)軟件采用C++語(yǔ)言在Qt平臺(tái)上開(kāi)發(fā)完成。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境為Qt Creator 4.9.0，采用Qt平臺(tái)支持的控件與串口驅(qū)動(dòng)直接進(jìn)行開(kāi)發(fā)，可大大縮短上位機(jī)軟件的開(kāi)發(fā)周期。

系統(tǒng)上位機(jī)軟件可搜索與計(jì)算機(jī)連接的相關(guān)串口并調(diào)用打開(kāi)完成與下位機(jī)的通信；同時(shí)可通過(guò)該軟件設(shè)置保溫杯保溫性能檢測(cè)流水線上當(dāng)前所檢測(cè)的保溫杯型號(hào)，設(shè)置下位機(jī)系統(tǒng)的溫度閾值以及相關(guān)紅外溫度傳感器的發(fā)射率；最后實(shí)時(shí)顯示環(huán)境溫度與傳感器實(shí)測(cè)溫度值，并指示當(dāng)前保溫杯保溫性能是否合格。該上位機(jī)軟件界面如圖7所示。

圖7 檢測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)界面

5 實(shí)驗(yàn)與分析

5.1 保溫杯溫升實(shí)驗(yàn)

在保溫杯保溫性能檢測(cè)流水線上，生產(chǎn)人員首先對(duì)保溫杯內(nèi)部噴吹60s左右的高溫蒸汽完成對(duì)保溫杯的加熱，再進(jìn)行手工檢測(cè)。因此本實(shí)驗(yàn)主要對(duì)0s～60s加熱過(guò)程中保溫杯杯底表面的溫度變化情況進(jìn)行測(cè)量分析，并對(duì)比驗(yàn)證本檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)溫效果。

在室溫環(huán)境下，采用高精度熱電偶測(cè)溫儀和本檢測(cè)系統(tǒng)分別測(cè)量處于加熱過(guò)程中合格與不合格保溫杯杯底表面的溫度，所選取的高精度熱電偶測(cè)溫儀為FLUKE 51-II-T型熱電偶測(cè)溫儀，其測(cè)溫范圍為-250℃～400℃，測(cè)溫精度可達(dá)0.5℃，保溫杯溫升實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。其中，待檢測(cè)的合格與不合格保溫杯杯底表面初始溫度均為29.2℃，保溫杯杯體倒扣在高溫蒸汽加熱臺(tái)上，蒸汽加熱臺(tái)上的高溫蒸汽噴嘴噴吹220℃左右的高溫蒸汽對(duì)保溫杯內(nèi)部持續(xù)加熱，高溫蒸汽通過(guò)蒸汽回流口進(jìn)行回流；FLUKE 51-II-T型熱電偶測(cè)溫儀其熱端直接固定在保溫杯杯底表面，可準(zhǔn)確地測(cè)量杯底表面的溫度數(shù)據(jù)；為消除距離因素對(duì)紅外測(cè)溫結(jié)果的影響，傳感器MLX90614與待檢測(cè)的保溫杯杯底表面保持2cm的垂直距離[8-9]；考慮到保溫杯杯底材質(zhì)為粗加工不銹鋼，故將傳感器發(fā)射率設(shè)置為0.21[10]。0s～60s加熱過(guò)程中合格與不合格保溫杯杯底表面的溫度變化曲線如圖9、圖10所示。

圖8 保溫杯溫升實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)示意圖

圖9 合格保溫杯杯底溫升曲線

由圖9、圖10可知，在測(cè)量處于加熱過(guò)程中合格與不合格保溫杯杯底表面溫度時(shí)，紅外溫度傳感器MLX90614測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)與FLUKE 51-II-T型熱電偶測(cè)溫儀的測(cè)量值相近，兩者的數(shù)據(jù)之差最大不超過(guò)0.5℃；而測(cè)量值前者稍高于后者，這是由于傳感器MLX90614測(cè)溫視場(chǎng)內(nèi)存在保溫杯杯底本身的環(huán)狀凸起結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)采用沖壓工藝成型，表面較為光滑，反射率稍高，可輻射出較多的紅外能量使得傳感器MLX90614測(cè)量值偏高，屬于正常范圍。綜合上述分析可知，本設(shè)計(jì)方案能夠無(wú)接觸、準(zhǔn)確地測(cè)量保溫杯杯底表面的溫度，測(cè)溫精度高。

圖10 不合格保溫杯杯底溫升曲線

對(duì)比圖9、圖10的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在對(duì)初始溫度相同的合格與不合格保溫杯內(nèi)部加熱60s后，合格保溫杯杯底表面溫度有少許的上升，其主要原因是保溫杯杯膽內(nèi)部的熱量通過(guò)金屬杯口傳遞到了杯體表面，使得杯體表面溫度升高；而不合格保溫杯杯底表面溫度則有顯著的上升，這是由于不合格保溫杯除金屬杯口部分傳遞的熱量外，由于其杯體與杯膽之間的夾層空間真空度低、保溫性能差，內(nèi)部熱量更易于通過(guò)熱對(duì)流的方式傳遞到杯體表面，使得杯體表面溫度明顯高于合格保溫杯。故對(duì)初始溫度相同的合格與不合格保溫杯加熱60s后，不合格保溫杯杯底表面溫度（≥40℃）明顯高于合格保溫杯杯底表面溫度（≤33℃），因此設(shè)置檢測(cè)系統(tǒng)的溫度閾值為二者溫度的中間值即可準(zhǔn)確地檢測(cè)出加熱60s后的保溫杯保溫性能是否合格。若傳感器實(shí)測(cè)溫度高于系統(tǒng)溫度閾值，則說(shuō)明保溫杯保溫性能不合格，反之則說(shuō)明保溫杯保溫性能合格。

5.2 保溫杯保溫性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證本檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)保溫杯保溫性能的檢測(cè)效果，將本系統(tǒng)布置在保溫杯保溫性能檢測(cè)流水線上進(jìn)行測(cè)試。在室溫條件下，取初始溫度均為29℃左右的12個(gè)合格與12個(gè)不合格保溫杯，分別加熱60s后采用本檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。根據(jù)多次保溫杯溫升實(shí)驗(yàn)的結(jié)果設(shè)置本檢測(cè)系統(tǒng)的溫度閾值為36℃，其檢測(cè)結(jié)果如圖11所示。

由圖11可知，保溫性能合格與不合格的保溫杯完成加熱后，其杯底表面溫度有明顯的差異，合格保溫杯其杯底表面溫度均低于34℃，不合格保溫杯其杯底表面溫度均高于38℃，且本系統(tǒng)檢測(cè)到不合格保溫杯時(shí)報(bào)警模塊均進(jìn)行了實(shí)時(shí)報(bào)警指示。因此本檢測(cè)系統(tǒng)可以無(wú)損、準(zhǔn)確地檢測(cè)出不合格的保溫杯杯體，實(shí)現(xiàn)了保溫杯保溫性能檢測(cè)的自動(dòng)化，本設(shè)計(jì)方案具有一定的可行性。

圖11 保溫杯保溫性能檢測(cè)結(jié)果

6 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于STM32的保溫杯保溫性能檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，采用模塊化的設(shè)計(jì)思想對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明該設(shè)計(jì)方案能夠滿足對(duì)保溫杯保溫性能無(wú)損、自動(dòng)化檢測(cè)的目的和效果，對(duì)應(yīng)用于保溫杯保溫性能實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)檢測(cè)具有重要意義。