热定型过程织物无线温度记录仪研制

顾敏明，戴文战，潘海鹏

(1.浙江理工大学 机械与自动控制学院，杭州 310018;2.浙江工商大学 信息与电子工程学院，杭州 310019)

热定型过程织物无线温度记录仪研制

顾敏明1，戴文战2，潘海鹏1

(1.浙江理工大学 机械与自动控制学院，杭州 310018;2.浙江工商大学 信息与电子工程学院，杭州 310019)

为准确记录定型机热定型过程中的织物的实际温度及其变化情况，设计了一种基于无线数据传输热定型过程织物温度检测记录仪；该记录仪以PT100为温度检测传感器，以铁电存储器FM24V05为存储芯片，以STM8L152为主控芯片，实现了温度数据的读取及存储，选用SI4463为无线收发芯片，实现了数据的传输，并设计了无线充电模块，主体电路部分采用密闭隔热材料封装；经实验测定，该装置可以准确的采集热定型过程中移动织物温度的数据，并进行无线导出；解决了定型过程布匹温度数据不准确的问题，该数据还可用于定型过程的建模、分析及优化，具有较高的工程应用价值。

热定型；温度记录；SI4463；无线传输

0 引言

为提高合成纤维的热稳定性，将织物在张力下置于高温环境中(如170～210 ℃)，并保持一定的尺寸或形态，经一段时间热处理后，迅速冷却降温，使改变了的纤维微结构被固定下来，从而使织物获得相对稳定的形态，该过程称为热定型。

目前,热风拉幅定型机是生产中采用最广泛的定型设备。定型温度对织物定型的品质有及其重要的作用，国内外研究人员对不同织物的热定型温度进行了详细的研究[1-2]。然而目前在操作中，往往用定型机烘箱的温度替代织物实际的温度，造成了一定的偏差[3]。造成定型机定型过程中织物实际温度测量困难主要有以下因素：首先织物是在较低的高度内移动，检测设备需要随布匹一起移动；其次，布匹在定型过程中会承受200 ℃左右的高温，设备耐高温特性要求较高制作困难。

为测量移动织物的实时温度，本文设计了一种耐高温移动温度记录设备，选用了耐高温外壳，采用了无线充电、无线读取数据的方式，较好的记录与再现了织物在热定型过程中的温度数据。

1 工作原理与设计方案

定型机热定型织物温度记录仪由PT100温度传感器及信号调理电路、无线充电部分、微控制器模块、无线通讯模块、铁电存储模块等构成。系统的原理框图如图1 所示。

为反映织物温度，PT100传感器与待测织物紧密贴合，并通过特氟龙耐高温导线与设备进行连接，传感器信号经模拟前端电路进行放大、滤波等处理后，由微控制器定时触发ADC接口进行采集，数据经处理后存入铁电存储器。装置需在高温下工作，因此内部电路部分进行了灌胶隔热处理，由于密封，设备在电池充电、数据读取均采用了无线方式。

图1 系统原理框图

2 系统设计

2.1 温度采集与存储

温度采集传感器选用铂电阻PT100。为更准确采集织物温度，记录仪取用了4路PT100，并进行了平均处理。当温度采集开始，记录仪按设定的采样周期将采集到的数据写入到铁电存储器FM24V05。

2.2 无线通讯功能设计

由于记录仪壳体采用耐热材料完全密封，因此数据读取依赖无线通讯。对比WIFI、蓝牙、Zigbee等2.4 G通讯方式，Si4463芯片具备绕射性能强、穿墙能力优秀、接收灵敏度高，抗干扰能力强、功耗低的特点，被选定为记录仪的无线输出形式[4-5]。

Si4463同MCU连接关系如图2所示。

图2 单片机同Si4463连接关系图

两者通过SPI接口进行通讯，同时nIRQ引脚连接到微控制器的外部中断引脚，Si4463配置了64字节的FIFO及相应的数据包处理功能。该模式下，芯片自动添加和侦测前导码、同步字、校验等，并通过中断表示通信状态，大大方便了通信过程。

记录仪主要实现以下功能：1)唤醒和休眠；2)数据采集及存储；3)获取采集数据。

2.2.1 唤醒和休眠

在记录仪中，Si4463平时工作在低功耗模式下，并用周期唤醒，在唤醒时检测是否有有效无线信号。若没有检测到有效的前导码，那么芯片将自动进入休眠模式，直至下一个唤醒周期。相反，如果检测到有效的前导码和同步字，芯片将进入接收状态，直到整个数据包接收完毕。整个过程不需要微控制器的参与，芯片会在接收到数据包之后通过中断 nIRQ 引脚来通知微控制器处理。再利用微控制器将Si4463切换至正常收发模式，应答数据读取端，从而开始高速数据传输。

时序逻辑如图3所示。

图3 记录仪被唤醒过程时序逻辑图

图3中，tw代表周期唤醒时间，ts代表休眠时间，由此可以看出设备大部分时间都处于休眠，整体功耗低，可大幅延长电池的工作时间。

在单片机无温度采集任务，且数据读取端无数据下发情况下，记录仪中微控制器进入低功耗模式，同时Si4463也再次切换至休眠，等待下一次的唤醒。

2.2.2 数据采集及存储

数据采集及存储流程如图4所示。

图4 数据采集及存储流程图

记录仪被唤醒后，由数据读取端发送包括记录开始时间及记录间隔等配置信息，记录仪接收数据并完成校验，再将读取配置参数写入到铁电存储器FM24V05的0X0001-0X001F的字节中；然后将记录装置安装至待加工织物上；数据读取端远程发出启动信号，记录仪开始数据采集；记录仪利用ADC接口采集四路温度电桥的信号，处理得到温度值，并将平均值写入到铁电存储器0X0020开始的区间内，这里每个温度占两字节的方式。

2.2.2 获取采集数据

待数据采集完毕，数据读取端可以随时读取采集数据。数据读取端唤醒记录仪后，发出读取配置命令，记录仪从0X0000-0X001F读取开始时间、时间间隔等参数，并按照约定命令格式硬性应答；数据读取端再发出读取数据命令，记录仪发送温度数据帧，流程图5所示。

图5 数据读取端获取采集数据流程图

由于铁电存储器空白部分事先采用0XFF填充，因此判定数据尾的方法如下：首先判断第N数据帧是否全为0XFF，若是则认为已到达数据尾部，数据传输结束，否则发送下一块数据。在数据读取端处理数据的时候，对最后一块数据则从尾部开始，将数据中0XFF的数据舍弃，保留非0XFF的字节。

无线数据传递过程中，温度数据帧(放在Si4463数据包中data区域)格式如表1所示。

表1 温度数据帧格式表

其中，指令码代表温度传递命令，流水号有程序自加产生，值在0～255之间，用于无线通讯中数据的应答，数据读取端对每次无线接收到的数据进行校验，会针对该流水号做回复以告知数据接收是否正常。数据号代码数字对应在铁电存储中的位置序号，数据是温度数据，校验码是CRC16值。其中，一个温度由两字节构成，如185.6 ℃用 0xB9，0x06表示，高位是整数，低位是小数。

2.3 供电设计

因为记录仪采用电池供电，且由于隔热要求，电路板完全密封，电池不可拆卸，故充电采用无线方式进行。供电部分原理如图6所示。

图6 记录仪供电部分原理图

在充电过程中，记录仪与无线充电器并不通过导线相连，而是在两者内部都有一个线圈，在充电的过程中能量和信号都在两线圈之间的电磁波中进行传输，通过信号来控制线圈发射功率，最终达到较好的充电效果。本装置充电符合QI协议[6]，在此不再赘述。

3 实验结果与分析

为验证记录仪采集的效果及系统的可靠性与实用性。论文选取了2种不同的热定型过程中进行了测试，获得的待加工织物(干燥)在定型过程中实际温度数据及其变化情况，所得的结果如图7所示。

图7中，实验选用的定型机为韩国理和Platinmu定型机，共10节烘箱，选用的织物为某涤纶织物。从进入定型机开始截取有效数据，其中曲线1是全程设置温度为200 ℃情况下织物实际温度；曲线2是前半程设置180 ℃，后半程设置200 ℃情况下实际温度。

图7 定型过程织物实际温度数据曲线

实验结果表明，温度曲线连贯，数据无突变，数据曲线同理论模型基本吻合，数据可信度高。

4 结束语

本文设计了基于Si4463无线通讯的温度记录仪，分析了无线传输的工作过程，并在定型机中进行了应用，得到了热定型加工过程中布匹实际温度的真实数据曲线，相比人工估算，准确度得到了大幅提升，所得到的数据为热定型过程的深入分析及优化控制提供了原始素材。

此外，本文中记录仪的设计思路对于那些环境恶劣、布线困难、功耗低等要求的场合中信号检测具有一定的借鉴意义。

[1] 张翠玲,赵 国,王甜甜,等. 热定型温度对涤纶针织物性能的影响 [J]. 纺织学报,2008,29(9):78-81.

[2] 尹丽敏,邓炳耀,刘庆生,等. 热定型工艺对底网针刺造纸毛毯性能的影响[J]. 纺织学报,2015,36(3):48-53.

[3] 曾林泉,纺织品热定型整理原理及实践[J]. 染整技术,2011,33(12):1-6.

[4] 周 晓，孙国峰，赵 锋,等. 基于S14463的信息采集系统设计[J]. 计算机测量与控制,2015, 23(7):2482-2484.

[5] 贾文洋,毛 征,张 辉,等. 基于SI4463无线实时数据收发系统的实现[J]. 系统仿真技术及其应用, 2015,16: 421-425.

[6] 熊承龙,沈 兵,赵 宁.基于电磁感应的无线充电技术传输效率的仿真研究[J]. 电子器件, 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。

浙江省自然科学基金资助项目(LQ14F030013); 国家高技术研究发展计划项目(2009AA04Z139)资助。

顾敏明 (1982-)，男，博士研究生，主要从事机电设备的智能检测、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

戴文战 (1958-)，男，教授，博士生导师， 主要从事机电控制系统混合建模与智能控制方向的研究。

潘海鹏 (1965-)，男，教授，主要从事系统建模、智能检测与控制方向的研究。