纸包装印刷环境监测系统设计

朱茜琳

（北京印刷学院，北京 102600）

印刷包装产业不断追求绿色环保背景之下，纸制印刷包装物因其生产原料来源广泛、成本低、可回收等优势，应用前景越来越广[1]。而在其印刷过程中，纸张是整个印刷工艺流程中最基础重要的一环。纸张本身性能就与印刷最终效果息息相关，因为纸张是亲水性很强的材料，纸张含水量的变化会造成纸张变形、变脆，引起印品套印不准，变形纸张在印刷时容易错位和叠印，造成纸品成型加工过程中出现断裂等问题。而环境温度和湿度的变化是影响纸张含水量的主要因素。所以控制纸张性能变化必须控制纸张含水量，控制纸张所处环境温湿度。控制印刷环境恒温、恒湿，不仅可以防止纸张变形，提高产品套印精度，还有助于确保油墨的适印性[2]。印刷环境监测是整个印装过程的监测，有些印刷厂只注重印刷中的温湿度，而不注重纸张储存仓库和印后加工车间的温湿度。仓库要注意纸张储存的环境条件，要对仓库环境的温湿度进行监测。当纸张处于高湿度条件下时，它会吸收周围的水分并发生卷曲、变形和起皱现象；当纸张存放在很干燥的环境下时，会导致纸张内的水分散失，使纸张变脆、易碎，出现紧边现象。因此，纸张存放条件应与使用环境接近。印后加工车间也同样应该恒温恒湿，与印刷环境相接近，保证加工环境稳定。否则，当印刷品从恒温恒湿的印刷车间进入干燥寒冷的印后加工车间，前面印刷好的纸张在进行下一步加工时，会出现纸边缘断裂、露白等问题，造成生产上的极大浪费。因此印刷厂在对印刷环境监测管理时，要全面考虑各环节对整体生产和产品质量的影响，保证各个环节的环境温湿度能够全面监测，创造一个良好的生产环境，提高生产质量。

1 主要研究内容

设计基于单片机的纸包装印刷环境监测系统。该系统以STM32单片机为控制核心，能够采集印刷车间内的温度、湿度，经单片机进行数据处理后，能将环境参数实时显示在显示器上，来进行监测。研究思路及方法如下：

1）首先进行系统设计，确定系统方案，然后分模块对各个部分进行设计；

2）通过温度、湿度传感器检测环境参数并输出相应的电压信号；

3）通过函数编程将采集的环境信号进行数据处理，显示等功能；

4）采集的环境参数与恒温恒湿车间所要求的环境参数比较，超出一定范围进行报警。

2 总体方案设计

印刷环境要保持在一定的温湿度范围内，才能使得纸张含水量平衡，保证印品质量。而车间内环境参数需要实时监测，便于人员管理。监测系统需要通过传感器采集车间的环境参数，产生电信号，单片机读取传感器输出信号后进行数据处理，将采集数据显示在显示屏上，并能与设定环境参数比较，越限报警。监测系统整体结构如图1所示。

图1 监测系统结构图

3 硬件设计

3.1 主控板选型

随着嵌入式微控制器的高速发展，高性能、低成本、低功耗已成为衡量一款控制器的标准之一，其中ST公司开发的基于ARM公司Cortex-M3内核的STM32系列微处理器成为众多产品中最为突出的一款。本课题选择STM32系列单片机作为本系统的主控板。选用芯片型号为STM32F103C8T6。STM32F103C8T6是一个中密度性能线，配有ARM Cortex-M3 32位微控制器，48路LQFP封装。它结合了高性能的RISC内核，运行频率可达72MHz，以及高速内嵌存储器，增强范围的强化输入/输出和外部连接至两个APB总线。STM32F103C8T6具有12位模数转换器，计时器，PWM计时器，标准和高级通讯接口。一套全面的省电模式允许设计者设计低功耗应用。该控制器引脚电路图如图2所示。

图2 引脚电路图

3.2 传感器选型及电路

本设计需要对车间内温度、湿度数据进行采集，选用了DHT11作为检测温湿度的传感器。DHT11是一款温湿度复合传感器，并且可以直接输出校准后的数字信号。它含有一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，可与8位单片机相连接。是一款广泛使用的电子元器件。DHT11与单片机之间能采用简单的单总线进行通信，仅仅需要一个I/O口。传感器内部湿度和温度数据40Bit的数据一次性传给单片机，数据采用校验和方式进行校验，有效保证数据传输的准确性。DHT11功耗很低，5V电源电压下，工作平均最大电流0.5mA。DHT11及其电路图如图3所示。

图3 DHT11温湿度传感器

3.3 报警模块

蜂鸣器在监测到环境参数超过设定值时发出警报。电路图如图4所示。

图4 蜂鸣器电路图

3.4 矩阵键盘与显示模块

通过矩阵键盘人工输入期望的环境参数。通过行列扫描，确定哪一个按键按下。通过设置列输出低电平，行输出高电平，接收到行输出有低电平时，说明有按键按下，根据接收的数据判断时哪一行有按键按下，判断列同理，由此确定按下的按键。矩阵键盘电路图如图5所示。

图5 矩阵键盘电路图

本设计选用I2C接口的四线OLED显示屏，采用I2C接口，可以减少对控制器I/O口的占用。

4 软件程序设计

环境监测主程序流程如图6所示，程序流程依次为系统初始化、传感器响应、数据采集、数据显示、监测温湿度、越限报警。需通过循环的方式采集数据，并进行数据对比处理，然后对相应状况判断处理。

图6 软件设计流程图

4.1 传感器数据采集

微处理器端口与DHT11的DATA引脚连接后，处理器主机发低电平开始信号，然后拉高并延时等待，此刻，DHT11进入高速状态，待处理器开始信号消失，即转为低电平，传感器开始响应并给处理器传送数据，同时开始新一轮的数据转换。数据传输完毕后，DHT11 进入低速状态，准备新一轮的传送数据请求。其通讯过程如图7所示。

图7 DHT11通讯过程

4.2 OLED显示

传感器采集温湿度数据后实时显示在OLED屏上，部分程序如下：

4.3 蜂鸣器报警

传感器采集到的温湿度与设定参数值比较，超过范围蜂鸣器报警，部分程序如下：

5 测试

用传感器、显示屏等模拟车间进行测试，监测到环境温湿度并在显示屏中显示。

图8 模拟测试图

6 结论

印刷车间通常规模较大，不便人力测量环境参数，通过自动监测环境及实时显示的系统，可以集中监测管理各印刷车间，实时性好，效率高。本设计中，模拟车间环境监测，使用温湿度传感器可以正常检测数据，温湿度参数将在OLED显示屏上显示，并且显示出的参数会根据环境发生的变化得出一个准确数值。对印刷工厂实际应用还有许多挖掘性，部分研究内容需要进一步研究探索，如增加监测的环境因素，还有根据收集、积累的数据搭建数据库，建立更加完善的模型，用计算机自主学习的算法，自主搭配出最合理的参数，增加对环境参数进行智能调控的功能等。