顧敏明，戴文戰(zhàn)，潘海鵬

(1.浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，杭州 310018;2.浙江工商大學(xué) 信息與電子工程學(xué)院，杭州 310019)

熱定型過程織物無線溫度記錄儀研制

顧敏明1，戴文戰(zhàn)2，潘海鵬1

(1.浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，杭州 310018;2.浙江工商大學(xué) 信息與電子工程學(xué)院，杭州 310019)

為準(zhǔn)確記錄定型機(jī)熱定型過程中的織物的實(shí)際溫度及其變化情況，設(shè)計(jì)了一種基于無線數(shù)據(jù)傳輸熱定型過程織物溫度檢測(cè)記錄儀；該記錄儀以PT100為溫度檢測(cè)傳感器，以鐵電存儲(chǔ)器FM24V05為存儲(chǔ)芯片，以STM8L152為主控芯片，實(shí)現(xiàn)了溫度數(shù)據(jù)的讀取及存儲(chǔ)，選用SI4463為無線收發(fā)芯片，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的傳輸，并設(shè)計(jì)了無線充電模塊，主體電路部分采用密閉隔熱材料封裝；經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，該裝置可以準(zhǔn)確的采集熱定型過程中移動(dòng)織物溫度的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行無線導(dǎo)出；解決了定型過程布匹溫度數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的問題，該數(shù)據(jù)還可用于定型過程的建模、分析及優(yōu)化，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

熱定型；溫度記錄；SI4463；無線傳輸

0 引言

為提高合成纖維的熱穩(wěn)定性，將織物在張力下置于高溫環(huán)境中(如170～210 ℃)，并保持一定的尺寸或形態(tài)，經(jīng)一段時(shí)間熱處理后，迅速冷卻降溫，使改變了的纖維微結(jié)構(gòu)被固定下來，從而使織物獲得相對(duì)穩(wěn)定的形態(tài)，該過程稱為熱定型。

目前,熱風(fēng)拉幅定型機(jī)是生產(chǎn)中采用最廣泛的定型設(shè)備。定型溫度對(duì)織物定型的品質(zhì)有及其重要的作用，國內(nèi)外研究人員對(duì)不同織物的熱定型溫度進(jìn)行了詳細(xì)的研究[1-2]。然而目前在操作中，往往用定型機(jī)烘箱的溫度替代織物實(shí)際的溫度，造成了一定的偏差[3]。造成定型機(jī)定型過程中織物實(shí)際溫度測(cè)量困難主要有以下因素：首先織物是在較低的高度內(nèi)移動(dòng)，檢測(cè)設(shè)備需要隨布匹一起移動(dòng)；其次，布匹在定型過程中會(huì)承受200 ℃左右的高溫，設(shè)備耐高溫特性要求較高制作困難。

為測(cè)量移動(dòng)織物的實(shí)時(shí)溫度，本文設(shè)計(jì)了一種耐高溫移動(dòng)溫度記錄設(shè)備，選用了耐高溫外殼，采用了無線充電、無線讀取數(shù)據(jù)的方式，較好的記錄與再現(xiàn)了織物在熱定型過程中的溫度數(shù)據(jù)。

1 工作原理與設(shè)計(jì)方案

定型機(jī)熱定型織物溫度記錄儀由PT100溫度傳感器及信號(hào)調(diào)理電路、無線充電部分、微控制器模塊、無線通訊模塊、鐵電存儲(chǔ)模塊等構(gòu)成。系統(tǒng)的原理框圖如圖1 所示。

為反映織物溫度，PT100傳感器與待測(cè)織物緊密貼合，并通過特氟龍耐高溫導(dǎo)線與設(shè)備進(jìn)行連接，傳感器信號(hào)經(jīng)模擬前端電路進(jìn)行放大、濾波等處理后，由微控制器定時(shí)觸發(fā)ADC接口進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)經(jīng)處理后存入鐵電存儲(chǔ)器。裝置需在高溫下工作，因此內(nèi)部電路部分進(jìn)行了灌膠隔熱處理，由于密封，設(shè)備在電池充電、數(shù)據(jù)讀取均采用了無線方式。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 溫度采集與存儲(chǔ)

溫度采集傳感器選用鉑電阻PT100。為更準(zhǔn)確采集織物溫度，記錄儀取用了4路PT100，并進(jìn)行了平均處理。當(dāng)溫度采集開始，記錄儀按設(shè)定的采樣周期將采集到的數(shù)據(jù)寫入到鐵電存儲(chǔ)器FM24V05。

2.2 無線通訊功能設(shè)計(jì)

由于記錄儀殼體采用耐熱材料完全密封，因此數(shù)據(jù)讀取依賴無線通訊。對(duì)比WIFI、藍(lán)牙、Zigbee等2.4 G通訊方式，Si4463芯片具備繞射性能強(qiáng)、穿墻能力優(yōu)秀、接收靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)、功耗低的特點(diǎn)，被選定為記錄儀的無線輸出形式[4-5]。

Si4463同MCU連接關(guān)系如圖2所示。

圖2 單片機(jī)同Si4463連接關(guān)系圖

兩者通過SPI接口進(jìn)行通訊，同時(shí)nIRQ引腳連接到微控制器的外部中斷引腳，Si4463配置了64字節(jié)的FIFO及相應(yīng)的數(shù)據(jù)包處理功能。該模式下，芯片自動(dòng)添加和偵測(cè)前導(dǎo)碼、同步字、校驗(yàn)等，并通過中斷表示通信狀態(tài)，大大方便了通信過程。

記錄儀主要實(shí)現(xiàn)以下功能：1)喚醒和休眠；2)數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)；3)獲取采集數(shù)據(jù)。

2.2.1 喚醒和休眠

在記錄儀中，Si4463平時(shí)工作在低功耗模式下，并用周期喚醒，在喚醒時(shí)檢測(cè)是否有有效無線信號(hào)。若沒有檢測(cè)到有效的前導(dǎo)碼，那么芯片將自動(dòng)進(jìn)入休眠模式，直至下一個(gè)喚醒周期。相反，如果檢測(cè)到有效的前導(dǎo)碼和同步字，芯片將進(jìn)入接收狀態(tài)，直到整個(gè)數(shù)據(jù)包接收完畢。整個(gè)過程不需要微控制器的參與，芯片會(huì)在接收到數(shù)據(jù)包之后通過中斷 nIRQ 引腳來通知微控制器處理。再利用微控制器將Si4463切換至正常收發(fā)模式，應(yīng)答數(shù)據(jù)讀取端，從而開始高速數(shù)據(jù)傳輸。

時(shí)序邏輯如圖3所示。

圖3 記錄儀被喚醒過程時(shí)序邏輯圖

圖3中，tw代表周期喚醒時(shí)間，ts代表休眠時(shí)間，由此可以看出設(shè)備大部分時(shí)間都處于休眠，整體功耗低，可大幅延長電池的工作時(shí)間。

在單片機(jī)無溫度采集任務(wù)，且數(shù)據(jù)讀取端無數(shù)據(jù)下發(fā)情況下，記錄儀中微控制器進(jìn)入低功耗模式，同時(shí)Si4463也再次切換至休眠，等待下一次的喚醒。

2.2.2 數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)流程圖

記錄儀被喚醒后，由數(shù)據(jù)讀取端發(fā)送包括記錄開始時(shí)間及記錄間隔等配置信息，記錄儀接收數(shù)據(jù)并完成校驗(yàn)，再將讀取配置參數(shù)寫入到鐵電存儲(chǔ)器FM24V05的0X0001-0X001F的字節(jié)中；然后將記錄裝置安裝至待加工織物上；數(shù)據(jù)讀取端遠(yuǎn)程發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)，記錄儀開始數(shù)據(jù)采集；記錄儀利用ADC接口采集四路溫度電橋的信號(hào)，處理得到溫度值，并將平均值寫入到鐵電存儲(chǔ)器0X0020開始的區(qū)間內(nèi)，這里每個(gè)溫度占兩字節(jié)的方式。

2.2.2 獲取采集數(shù)據(jù)

待數(shù)據(jù)采集完畢，數(shù)據(jù)讀取端可以隨時(shí)讀取采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)讀取端喚醒記錄儀后，發(fā)出讀取配置命令，記錄儀從0X0000-0X001F讀取開始時(shí)間、時(shí)間間隔等參數(shù)，并按照約定命令格式硬性應(yīng)答；數(shù)據(jù)讀取端再發(fā)出讀取數(shù)據(jù)命令，記錄儀發(fā)送溫度數(shù)據(jù)幀，流程圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)讀取端獲取采集數(shù)據(jù)流程圖

由于鐵電存儲(chǔ)器空白部分事先采用0XFF填充，因此判定數(shù)據(jù)尾的方法如下：首先判斷第N數(shù)據(jù)幀是否全為0XFF，若是則認(rèn)為已到達(dá)數(shù)據(jù)尾部，數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束，否則發(fā)送下一塊數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)讀取端處理數(shù)據(jù)的時(shí)候，對(duì)最后一塊數(shù)據(jù)則從尾部開始，將數(shù)據(jù)中0XFF的數(shù)據(jù)舍棄，保留非0XFF的字節(jié)。

無線數(shù)據(jù)傳遞過程中，溫度數(shù)據(jù)幀(放在Si4463數(shù)據(jù)包中data區(qū)域)格式如表1所示。

表1 溫度數(shù)據(jù)幀格式表

其中，指令碼代表溫度傳遞命令，流水號(hào)有程序自加產(chǎn)生，值在0～255之間，用于無線通訊中數(shù)據(jù)的應(yīng)答，數(shù)據(jù)讀取端對(duì)每次無線接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，會(huì)針對(duì)該流水號(hào)做回復(fù)以告知數(shù)據(jù)接收是否正常。數(shù)據(jù)號(hào)代碼數(shù)字對(duì)應(yīng)在鐵電存儲(chǔ)中的位置序號(hào)，數(shù)據(jù)是溫度數(shù)據(jù)，校驗(yàn)碼是CRC16值。其中，一個(gè)溫度由兩字節(jié)構(gòu)成，如185.6 ℃用 0xB9，0x06表示，高位是整數(shù)，低位是小數(shù)。

2.3 供電設(shè)計(jì)

因?yàn)橛涗泝x采用電池供電，且由于隔熱要求，電路板完全密封，電池不可拆卸，故充電采用無線方式進(jìn)行。供電部分原理如圖6所示。

圖6 記錄儀供電部分原理圖

在充電過程中，記錄儀與無線充電器并不通過導(dǎo)線相連，而是在兩者內(nèi)部都有一個(gè)線圈，在充電的過程中能量和信號(hào)都在兩線圈之間的電磁波中進(jìn)行傳輸，通過信號(hào)來控制線圈發(fā)射功率，最終達(dá)到較好的充電效果。本裝置充電符合QI協(xié)議[6]，在此不再贅述。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證記錄儀采集的效果及系統(tǒng)的可靠性與實(shí)用性。論文選取了2種不同的熱定型過程中進(jìn)行了測(cè)試，獲得的待加工織物(干燥)在定型過程中實(shí)際溫度數(shù)據(jù)及其變化情況，所得的結(jié)果如圖7所示。

圖7中，實(shí)驗(yàn)選用的定型機(jī)為韓國理和Platinmu定型機(jī)，共10節(jié)烘箱，選用的織物為某滌綸織物。從進(jìn)入定型機(jī)開始截取有效數(shù)據(jù)，其中曲線1是全程設(shè)置溫度為200 ℃情況下織物實(shí)際溫度；曲線2是前半程設(shè)置180 ℃，后半程設(shè)置200 ℃情況下實(shí)際溫度。

圖7 定型過程織物實(shí)際溫度數(shù)據(jù)曲線

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，溫度曲線連貫，數(shù)據(jù)無突變，數(shù)據(jù)曲線同理論模型基本吻合，數(shù)據(jù)可信度高。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了基于Si4463無線通訊的溫度記錄儀，分析了無線傳輸?shù)墓ぷ鬟^程，并在定型機(jī)中進(jìn)行了應(yīng)用，得到了熱定型加工過程中布匹實(shí)際溫度的真實(shí)數(shù)據(jù)曲線，相比人工估算，準(zhǔn)確度得到了大幅提升，所得到的數(shù)據(jù)為熱定型過程的深入分析及優(yōu)化控制提供了原始素材。

此外，本文中記錄儀的設(shè)計(jì)思路對(duì)于那些環(huán)境惡劣、布線困難、功耗低等要求的場(chǎng)合中信號(hào)檢測(cè)具有一定的借鑒意義。

[1] 張翠玲,趙 國,王甜甜,等. 熱定型溫度對(duì)滌綸針織物性能的影響 [J]. 紡織學(xué)報(bào),2008,29(9):78-81.

[2] 尹麗敏,鄧炳耀,劉慶生,等. 熱定型工藝對(duì)底網(wǎng)針刺造紙毛毯性能的影響[J]. 紡織學(xué)報(bào),2015,36(3):48-53.

[3] 曾林泉,紡織品熱定型整理原理及實(shí)踐[J]. 染整技術(shù),2011,33(12):1-6.

[4] 周 曉，孫國峰，趙 鋒,等. 基于S14463的信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2015, 23(7):2482-2484.

[5] 賈文洋,毛 征,張 輝,等. 基于SI4463無線實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J]. 系統(tǒng)仿真技術(shù)及其應(yīng)用, 2015,16: 421-425.

[6] 熊承龍,沈 兵,趙 寧.基于電磁感應(yīng)的無線充電技術(shù)傳輸效率的仿真研究[J]. 電子器件, 2014(1): 131-134.

Design of Wireless Temperature Recorder Used in Heat Setting Process

Gu Minming1，Dai Wenzhan2，Pan Haipeng1

(1.Faculty of Mechanical Engineering and Automation,Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhoou 310018, China； 2.School of Information & Electronic Engineering, Zhejiang Gongshang University, Hangzhoo 310019, China)

In order to accurately record the temperature of the fabric during the heat setting process in the Stenter Frame Range, a temperature recording device based on wireless was designed.PT100 was chosen as temperature sensor, Fram FM24V05 for memory chips, STM8L152 as control core, The device had realized the temperature data acquisition and storage. The Si4463 was selected as the wireless transceiver chip to achieve the data transmission, also the wireless charging device was designed. Most of the devices and PCB are sealed by thermal insulation materials.The experiment shows that the device can accurately capture the heat setting process of moving fabric temperature data, and export data in the way of wireless.The recorder has got accurate temperature data, it can be used in modeling, analyzing and optimization, has a high value in engineering application.

heat setting; temperature recorder; Si4463; wireless transmission

2016-08-05；

2016-09-13。

浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(LQ14F030013); 國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2009AA04Z139)資助。

顧敏明 (1982-)，男，博士研究生，主要從事機(jī)電設(shè)備的智能檢測(cè)、控制等方向的研究。

1671-4598(2017)01-0239-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.01.066

TP311

A

戴文戰(zhàn) (1958-)，男，教授，博士生導(dǎo)師， 主要從事機(jī)電控制系統(tǒng)混合建模與智能控制方向的研究。

潘海鵬 (1965-)，男，教授，主要從事系統(tǒng)建模、智能檢測(cè)與控制方向的研究。