紙包裝印刷環境監測系統設計

朱茜琳

（北京印刷學院，北京 102600）

印刷包裝產業不斷追求綠色環保背景之下，紙制印刷包裝物因其生產原料來源廣泛、成本低、可回收等優勢，應用前景越來越廣[1]。而在其印刷過程中，紙張是整個印刷工藝流程中最基礎重要的一環。紙張本身性能就與印刷最終效果息息相關，因為紙張是親水性很強的材料，紙張含水量的變化會造成紙張變形、變脆，引起印品套印不準，變形紙張在印刷時容易錯位和疊印，造成紙品成型加工過程中出現斷裂等問題。而環境溫度和濕度的變化是影響紙張含水量的主要因素。所以控制紙張性能變化必須控制紙張含水量，控制紙張所處環境溫濕度。控制印刷環境恒溫、恒濕，不僅可以防止紙張變形，提高產品套印精度，還有助于確保油墨的適印性[2]。印刷環境監測是整個印裝過程的監測，有些印刷廠只注重印刷中的溫濕度，而不注重紙張儲存倉庫和印后加工車間的溫濕度。倉庫要注意紙張儲存的環境條件，要對倉庫環境的溫濕度進行監測。當紙張處于高濕度條件下時，它會吸收周圍的水分并發生卷曲、變形和起皺現象；當紙張存放在很干燥的環境下時，會導致紙張內的水分散失，使紙張變脆、易碎，出現緊邊現象。因此，紙張存放條件應與使用環境接近。印后加工車間也同樣應該恒溫恒濕，與印刷環境相接近，保證加工環境穩定。否則，當印刷品從恒溫恒濕的印刷車間進入干燥寒冷的印后加工車間，前面印刷好的紙張在進行下一步加工時，會出現紙邊緣斷裂、露白等問題，造成生產上的極大浪費。因此印刷廠在對印刷環境監測管理時，要全面考慮各環節對整體生產和產品質量的影響，保證各個環節的環境溫濕度能夠全面監測，創造一個良好的生產環境，提高生產質量。

1 主要研究內容

設計基于單片機的紙包裝印刷環境監測系統。該系統以STM32單片機為控制核心，能夠采集印刷車間內的溫度、濕度，經單片機進行數據處理后，能將環境參數實時顯示在顯示器上，來進行監測。研究思路及方法如下：

1）首先進行系統設計，確定系統方案，然后分模塊對各個部分進行設計；

2）通過溫度、濕度傳感器檢測環境參數并輸出相應的電壓信號；

3）通過函數編程將采集的環境信號進行數據處理，顯示等功能；

4）采集的環境參數與恒溫恒濕車間所要求的環境參數比較，超出一定范圍進行報警。

2 總體方案設計

印刷環境要保持在一定的溫濕度范圍內，才能使得紙張含水量平衡，保證印品質量。而車間內環境參數需要實時監測，便于人員管理。監測系統需要通過傳感器采集車間的環境參數，產生電信號，單片機讀取傳感器輸出信號后進行數據處理，將采集數據顯示在顯示屏上，并能與設定環境參數比較，越限報警。監測系統整體結構如圖1所示。

圖1 監測系統結構圖

3 硬件設計

3.1 主控板選型

隨著嵌入式微控制器的高速發展，高性能、低成本、低功耗已成為衡量一款控制器的標準之一，其中ST公司開發的基于ARM公司Cortex-M3內核的STM32系列微處理器成為眾多產品中最為突出的一款。本課題選擇STM32系列單片機作為本系統的主控板。選用芯片型號為STM32F103C8T6。STM32F103C8T6是一個中密度性能線，配有ARM Cortex-M3 32位微控制器，48路LQFP封裝。它結合了高性能的RISC內核，運行頻率可達72MHz，以及高速內嵌存儲器，增強范圍的強化輸入/輸出和外部連接至兩個APB總線。STM32F103C8T6具有12位模數轉換器，計時器，PWM計時器，標準和高級通訊接口。一套全面的省電模式允許設計者設計低功耗應用。該控制器引腳電路圖如圖2所示。

圖2 引腳電路圖

3.2 傳感器選型及電路

本設計需要對車間內溫度、濕度數據進行采集，選用了DHT11作為檢測溫濕度的傳感器。DHT11是一款溫濕度復合傳感器，并且可以直接輸出校準后的數字信號。它含有一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，可與8位單片機相連接。是一款廣泛使用的電子元器件。DHT11與單片機之間能采用簡單的單總線進行通信，僅僅需要一個I/O口。傳感器內部濕度和溫度數據40Bit的數據一次性傳給單片機，數據采用校驗和方式進行校驗，有效保證數據傳輸的準確性。DHT11功耗很低，5V電源電壓下，工作平均最大電流0.5mA。DHT11及其電路圖如圖3所示。

圖3 DHT11溫濕度傳感器

3.3 報警模塊

蜂鳴器在監測到環境參數超過設定值時發出警報。電路圖如圖4所示。

圖4 蜂鳴器電路圖

3.4 矩陣鍵盤與顯示模塊

通過矩陣鍵盤人工輸入期望的環境參數。通過行列掃描，確定哪一個按鍵按下。通過設置列輸出低電平，行輸出高電平，接收到行輸出有低電平時，說明有按鍵按下，根據接收的數據判斷時哪一行有按鍵按下，判斷列同理，由此確定按下的按鍵。矩陣鍵盤電路圖如圖5所示。

圖5 矩陣鍵盤電路圖

本設計選用I2C接口的四線OLED顯示屏，采用I2C接口，可以減少對控制器I/O口的占用。

4 軟件程序設計

環境監測主程序流程如圖6所示，程序流程依次為系統初始化、傳感器響應、數據采集、數據顯示、監測溫濕度、越限報警。需通過循環的方式采集數據，并進行數據對比處理，然后對相應狀況判斷處理。

圖6 軟件設計流程圖

4.1 傳感器數據采集

微處理器端口與DHT11的DATA引腳連接后，處理器主機發低電平開始信號，然后拉高并延時等待，此刻，DHT11進入高速狀態，待處理器開始信號消失，即轉為低電平，傳感器開始響應并給處理器傳送數據，同時開始新一輪的數據轉換。數據傳輸完畢后，DHT11 進入低速狀態，準備新一輪的傳送數據請求。其通訊過程如圖7所示。

圖7 DHT11通訊過程

4.2 OLED顯示

傳感器采集溫濕度數據后實時顯示在OLED屏上，部分程序如下：

4.3 蜂鳴器報警

傳感器采集到的溫濕度與設定參數值比較，超過范圍蜂鳴器報警，部分程序如下：

5 測試

用傳感器、顯示屏等模擬車間進行測試，監測到環境溫濕度并在顯示屏中顯示。

圖8 模擬測試圖

6 結論

印刷車間通常規模較大，不便人力測量環境參數，通過自動監測環境及實時顯示的系統，可以集中監測管理各印刷車間，實時性好，效率高。本設計中，模擬車間環境監測，使用溫濕度傳感器可以正常檢測數據，溫濕度參數將在OLED顯示屏上顯示，并且顯示出的參數會根據環境發生的變化得出一個準確數值。對印刷工廠實際應用還有許多挖掘性，部分研究內容需要進一步研究探索，如增加監測的環境因素，還有根據收集、積累的數據搭建數據庫，建立更加完善的模型，用計算機自主學習的算法，自主搭配出最合理的參數，增加對環境參數進行智能調控的功能等。