劉 莉，邢 華

(燕山大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河北 秦皇島066004)

0 引 言

對(duì)于瓦楞原紙的生產(chǎn)過(guò)程而言，溫度是影響瓦楞紙質(zhì)量的一個(gè)至關(guān)重要的因素。原紙?jiān)谶M(jìn)入單面機(jī)形成瓦楞之前，需要對(duì)原紙溫度加熱到一定的溫度，進(jìn)入單面機(jī)的原紙最好能有70～90 ℃，這樣能生產(chǎn)出高質(zhì)量的瓦楞紙。如果原紙的溫度過(guò)高，原紙的水分會(huì)大幅度失去，輕者或發(fā)生斷紙降低生成效率，或產(chǎn)生碎楞致使產(chǎn)品作廢，重者還會(huì)因使原紙具有超高的溫度而燃燒，引起火災(zāi)。而當(dāng)原紙溫度過(guò)低達(dá)不到需求溫度時(shí)，紙板將不能良好的粘合，生產(chǎn)出劣質(zhì)品。為了生產(chǎn)出高質(zhì)量的瓦楞紙，不浪費(fèi)材料資源，需要對(duì)進(jìn)入單面機(jī)的原紙溫度進(jìn)行監(jiān)控，隨時(shí)獲悉原紙溫度情況，保證生產(chǎn)過(guò)程的順利［1］。

原紙通過(guò)烘缸進(jìn)行加熱，周?chē)h(huán)境溫度較高，長(zhǎng)期處在高溫環(huán)境中，線路和儀器各種設(shè)備的耗損會(huì)比較大，并且高溫也會(huì)對(duì)其工作性能產(chǎn)生負(fù)面影響。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是當(dāng)今的前沿技術(shù)，而且發(fā)展的越來(lái)越成熟，在工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛［2］，尤其是在監(jiān)控系統(tǒng)中，其具有微型化、容錯(cuò)性、高靈活性、節(jié)省布線等優(yōu)點(diǎn)［3，4］。本文設(shè)計(jì)了基于無(wú)線溫度傳感器的原紙溫度監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)原紙溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用CC2530 芯片，數(shù)據(jù)采集模塊為紅外溫度傳感器，通過(guò)放大電路與CC2530 的A/D 轉(zhuǎn)換口連接，此外還有電源模塊和復(fù)位電路模塊。CC2530 具有無(wú)線通信功能，能收發(fā)無(wú)線信號(hào)，通過(guò)串行通信接口連接本地控制PLC，最后溫度數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控計(jì)算機(jī)。系統(tǒng)工作原理如圖1 所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 外圍電路

圖1 系統(tǒng)工作原理圖Fig 1 Working principle diagram of system

本系統(tǒng)選用的CC2530 結(jié)合了領(lǐng)先的RF 收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051CPU，系統(tǒng)內(nèi)具有128 kB可編程閃存，8 kBRAM等功能。2 個(gè)USART，可支持多種串行通信協(xié)議，有12 位分辨率的可配置的A/D 轉(zhuǎn)換器和8 路輸入，21 個(gè)通用GPIO 口［5，6］。CC2530 能根據(jù)需要切換不同的運(yùn)行模式，具備低能耗、較強(qiáng)的抗干擾性、較好的接收信號(hào)能力的優(yōu)點(diǎn)。該芯片具有完全集成的壓控振蕩器，只需要天線、16 MHz 晶體等非常少的外圍電路就可以工作。外圍電路如圖2 所示。

圖2 外圍電路Fig 2 Peripheral circuit

其中，20 引腳所接電路為復(fù)位電路，如圖3 所示。

圖3 復(fù)位電路Fig 3 Reset circuit

2.2 電源模塊

電源電路如圖4 所示，采用AMS1117—3.3 芯片將常見(jiàn)的5 V 電源轉(zhuǎn)換為3.3 V 為電路供電。AMS1117 是一個(gè)正向低壓降穩(wěn)壓器，內(nèi)部集成過(guò)熱保護(hù)和限流電路，有固定輸出版本和可調(diào)版本，此處采用的是固定輸出3.3V 的版本，電路接線非常簡(jiǎn)單。

圖4 電源電路Fig 4 Power circuit

2.3 傳感器模塊

監(jiān)控系統(tǒng)具有瓦楞原紙運(yùn)動(dòng)速度快，環(huán)境溫度高、灰塵多等特點(diǎn)，采用接觸式測(cè)溫傳感器，觸碰紙張會(huì)引起紙張變形損壞等后果，因此，在此監(jiān)控系統(tǒng)中采用了具有非接觸式測(cè)溫功能的紅外溫度傳感器SMTIR9902SIL，能夠不破壞測(cè)溫現(xiàn)場(chǎng)，響應(yīng)速度快，非常適合運(yùn)動(dòng)著的原紙溫度的監(jiān)測(cè)。

SMTIR9902SIL 紅外溫度傳感器是熱點(diǎn)堆型紅外傳感器，具有高精度、高敏感度、低阻抗等特點(diǎn)，有非常好的信噪比，響應(yīng)時(shí)間小于40 ms，可達(dá)到0.5%的精度。紅外溫度傳感器和放大電路如圖5 所示。

圖5 傳感器和放大電路Fig 5 Sensor and amplifying circuit

其中用到了AMS1117—ADJ 芯片，輸出電壓可調(diào)版本，輸出電壓的計(jì)算公式如下

其中，VREF=1.25 V，IAQDJ=60 μA。

根據(jù)計(jì)算公式，為得到2 V 的輸出電壓，取R3=820 Ω，R4=470 Ω。

2.4 串行通信接口電路

串行通信接口實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與本地控制PLC 的連接，如圖6 所示。采用SP3232 芯片，串口采用常用的RS—232 接口，RS—232 有9 根引腳，實(shí)現(xiàn)基本數(shù)據(jù)的傳送，也能用于控制調(diào)制解調(diào)器。本系統(tǒng)用到的引腳有5 根，分別為RXD，TXD，RTS，CTS 和GND，它們的功能分別為接收數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)、請(qǐng)求發(fā)送、清除發(fā)送和信號(hào)地。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的作用是加入網(wǎng)絡(luò)、采集溫度數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，包括硬件的初始化和協(xié)議棧的初始化。之后請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)，入網(wǎng)成功后，會(huì)循環(huán)查詢是否有事件發(fā)生，有溫度采集事件發(fā)生，則節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，然后將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，直到發(fā)送成功為止。程序流程如圖7 所示。

圖6 串口電路Fig 6 Serial port circuit

圖7 傳感器節(jié)點(diǎn)流程圖Fig 7 Flow chart of sensor nodes

3.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的作用是建立網(wǎng)絡(luò)、允許子節(jié)點(diǎn)的加入、接收數(shù)據(jù)以及將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)。節(jié)點(diǎn)上電后，首先進(jìn)行的也是系統(tǒng)的初始化，即硬件的初始化和協(xié)議棧的初始化。之后建立網(wǎng)絡(luò)，建網(wǎng)成功后，同意請(qǐng)求的子節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，接收數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)接收成功，將其打包傳送到上位機(jī)。程序流程如圖8 所示。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)借助造紙廠車(chē)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，放置了3 個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行了為期3 天的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。為保證生產(chǎn)出高質(zhì)量的瓦楞紙，車(chē)間原紙溫控系統(tǒng)將理想的原紙溫度設(shè)置為了80 ℃，隨機(jī)選取了90 min 記錄的溫度，其曲線圖如圖9所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該溫度監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，溫度指示比較平穩(wěn)，可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)出高質(zhì)量瓦楞紙的目標(biāo)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

圖8 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)流程圖Fig 8 Flow chart of coordinator nodes

圖9 溫度曲線Fig 9 Temperature curve

本文將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到了瓦楞原紙溫度的監(jiān)控系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)原紙溫度的監(jiān)控，保障了生產(chǎn)高質(zhì)量高效率地進(jìn)行。通過(guò)在生產(chǎn)車(chē)間的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，證明了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有可靠性，能夠在生產(chǎn)車(chē)間中穩(wěn)定運(yùn)行，并且此監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)省布線、測(cè)量精度高、功耗低以及成本低廉等優(yōu)勢(shì)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到生產(chǎn)中將是未來(lái)工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

［1］ 葉建美.基于PLC 的瓦楞原紙模糊PID 溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［D］.杭州:浙江工業(yè)大學(xué)，2009.

［2］ 許家棟，張斌珍，王瑋冰，等.一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的車(chē)間多參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2013，32(10):96－109.

［3］ 龔發(fā)根，汪 煒，秦 拯.基于Zig Bee 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)廢氣監(jiān)控系統(tǒng)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2011，30(1):86－89.

［4］ 安 璐，丁恩杰，李曙俏.基于Zig Bee 的采空區(qū)無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2012，31(4):96－98.

［5］ 李新慧，俞阿龍，潘 苗.基于CC2530 的水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2013，32(3):85－88.

［6］ 劉 慧，王 鳴.基于CC2530 的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2012，25(4):49－50.