蒸汽式收缩炉温度检测系统设计＊

林燕虹，杨成海，刘全海

（1.广东松山职业技术学院，广东韶关 512126；2.广东宝地南华产城发展有限公司，广东韶关 512126）

在大多数桶装水包装线中，套标装置与蒸汽式收缩炉配套使用，水桶桶口完成套标后经输送带输送到热缩装置中，利用蒸汽将套标膜料收缩在桶口处，套标膜料收缩均匀、清晰美观。但在套标时，温度过高或过低会导致标签变形或脱落，因此需要监控和调节蒸汽式收缩炉温度，才能达到完美有效的收缩效果。基于此，本温度检测系统为了提高测量的准确性，选择热电偶作为测温元件，测量方式设计为插入式，能迅速、准确测量出收缩炉内的温度。该系统包括软硬件模块设计、显示模块设计，监测温度时，易于显示、读数，方便实用。

1 温度检测系统简介

1.1 温度检测原理

热电偶是目前应用最广泛的一种接触式温度传感器，具有测量范围大、性能可靠、响应时间快、机械强度好、结构简单、安装方便快捷等优点。热电偶的工作原理是由2种不同成分的均质导体组成闭合回路，当2 个结点不相同（即T≠T0）时，回路中2 个结点之间产生热电势，这就是塞贝克效应[1]。

热电偶的测温原理如图1 所示。2 种不同成分的均质导体分别为热电极A 和热电极B，温度较高的一个结点称为热端T，温度较低的另一个结点称为冷端T0。热电偶回路中热电极A 和热电极B 两结点之间所产生的热电势体现了热端T和冷端T0两端温度间的差值。在实际测量中，热端T一般为工作温度，冷端T0为环境温度，T＞T0。如果热电偶的选型已确定，在冷端温度（T0=恒定常数）不变时，热电偶的热电动势EAB（T，T0）与热端温度T呈一定的比例关系，也就是单值函数。因此，在冷端温度T0已知时，可通过此单值函数确定出热端的实际温度值。但是在冷端温度（T0≠恒定常数）变化时，热端的温度T会随冷端温度T0的变化而变化，导致测量精度受影响。于是，在冷端采取一定措施来补偿因冷端温度变化造成的影响称为热电偶的冷端补偿[2]。

图1 热电偶的检温原理

1.2 热电偶选型

热电偶按标准分类时，可分为标准化热电偶和非标准化热电偶2 类。所谓标准化热电偶，是指其热电势与测量温度呈一定的比例关系，测量结果在一定的允许误差内，具有统一的标准分度表。目前常见的标准热电偶有8 类，分别是S、R、B、K、N、E、J、T。非标准化热电偶，也叫工作用热电偶，没有统一的分度表，通常用于某些特殊环境下的温度测量[3]。在温度检测系统设计中，热电偶的选型是很关键的一个环节，直接影响温度检测系统的测量精度。热电偶测量误差不仅取决于自身的物理性能，还与使用过程密切相关。使用热电偶进行测量时产生的测量误差主要是热电偶材料成分发生变化导致的或由冷端温度变化引起。在使用过程中去监测热电偶材料成分是否发生变化的做法不实际且对消除测量误差意义不大，因此，通过监测冷端温度变化从而进行温度补偿是最佳的方法。在实际测量过程中，由于容易受到热端工作温度和环境温度变化的影响，热电偶的冷端温度难以保持恒定，需进行冷端补偿。

收缩炉工作温度可以设定在70～75 ℃[4]，故选用了K 型（镍铬-镍硅）热电偶。K 型（镍铬-镍硅）热电偶是最常用的热电偶，其分度号为K，其正极镍、铬质量分数比为9∶1，负极镍、硅质量分数比为97∶3，主要测量生产过程中-200～1 300 ℃的液体、蒸汽和气体介质及固体的表面温度。K 型热电偶在热电偶系列中具有价格便宜、准确度高、稳定性好、测温区宽、使用寿命长等优点。

2 系统硬件设计

温度检测系统是基于热电偶温度传感器设计的，以单片机为核心，由温度检测模块、温度显示模块、按键模块和报警模块组成，系统框图如图2 所示。温度检测系统工作流程是以单片机为控制器，通过带有冷端补偿的温度转换芯片MAX6675 和热电偶，将检测到的温度信号转换成数字信号，通过串行通信方式输送数据给片机，并通过温度模块显示实时检测的温度当前值。如果采集到的温度数据异常，启动报警模块。

图2 温度检测系统框架图设计

2.1 单片机模块设计

单片机模块是整个温度检测系统的控制核心。单片机最小系统由单片机芯片、时钟电路、复位电路和电源组成，为单片机提供基本运行环境[5]。该最小系统选用STC89C52RC 单片机。STC89C52RC 有着体积小、质量轻、价格低等优点，为众多嵌入式控制应用和开发提供了灵活、高效的解决方案。时钟电路由晶振和电容器组成，STC89C52RC 的18 脚和19 脚是外接晶振引脚，其时钟频率为11.059 26 MHz，并外接2 个20 pF 电容协助晶振起振及维持振荡信号稳定，负责驱动单片机内部各部分电路正常工作。

STC89C52RC 的复位电路单片机复位通常可分为上电复位、手动复位、程序自动复位3 种情况。它正常工作时是低电平，复位则是高电平。复位电路主要用于单片机程序的复位，连接至单片机的9 脚，即RST复位引脚。该设计中提供按钮进行手动复位，通过复位按键让程序重新初始化运行。单片机的电源主要分为5 V 和3.3 V 这2 个标准，STC89C52RC 属于5 V 单片机，当前电路选用USB 供电，供电电路分别连接至单片机的40 脚VCC 和20 脚GND，分别接+5 V 电源正极与电源负极。

2.2 温度检测模块设计

温度检测模块的主要任务是采集、检测温度信号，并完成温度信号到数字信号的转换。该温度检测模块选用K 型热电偶作为温度传感器，通过K 型热电偶的冷端补偿专用芯片MAX6675 对传感器信号进行冷端温度补偿，并对温度进行数字化测量处理。

MAX6675 是一个集成了热电偶放大器、冷端补偿、A/D 转换器及SPI（Serial Peripheral Interface，串行外围设备接口）的热电偶放大器与数字转换器[6]，具有12 位0.25 ℃的分辨率。在进行温度检测模块设计时，MAX6675 的主要作用有2 个：①通过MAX6675校正环境温度变化，完成冷端补偿检测。具体做法是通过MAX6675 内部的二极管D 将环境温度转换为温度补偿电压，而K 型热电偶将热电偶热端的工作温度转换为热电势。②利用MAX6675 将温度补偿电压和热电势这2 个模拟信号送到ADC（模数转换器）中转换为代表温度的数字信号，依据这2 个信号计算热电偶的热端温度，再从串行接口输出测量结果，这就是热端的实际温度。

2.3 按键模块设计

轻触按键，共有4 个按键。在按键设置中，KEY0为复位键，KEY1 为模式切换键，KEY2 为电路预警值增加键，KEY3 为电路预警值减少键。按一次模式切换键KEY1，可自动切换到LCD1602 液晶显示屏上的温度上限值或下限值，并可以通过预警值增加键KEY2和预警值减少键KEY3 设置测量温度的上限值或下限值，也可以按下复位键KEY0，系统恢复初始状态。

2.4 温度显示模块设计

温度显示模块选用LCD1602 液晶显示屏。LCD1602 液晶显示屏是点阵型液晶，主控芯片是HD44780，并行方式驱动，并行数据为8 位，程序通过这8 位数据线控制或读取LCD1602 模块的显示或状态，完成由单片机发送的温度数据在LCD1602 上直接显示温度当前值和温度预警上下限值。

2.5 报警模块设计

报警模块由发光二极管和蜂鸣器组成。如果热电偶传感器检测到的温度数据高于上限值或低于下限值，单片机启动声光报警模块，蜂鸣器鸣响、LED 灯闪烁，这为报警响应，表示温度异常。反之，如果异常处理完毕，需要通过按键模块中复位键KEY0 解除报警，同时，通过按键模块重新设置温度预警上下限值，为下一次检测做准备。

2.6 调节模块设计

系统实现的是智能化控制，会根据出现的情况做出相应的调节，用固态继电器驱动外接负载，外接负载分为升温、降温模块。

3 系统软件设计

收缩炉温度检测系统由硬件、软件2 个部分组成。硬件为软件功能的实现提供物质基础，软件则实现各具体功能。软件程序主要由主程序和子程序构成，主程序为整个软件的核心，用以调度硬件配置及与用户进行交互。子程序则完成测温、存储等实质性工作。温度检测系统主程序流程如图3 所示。

图3 温度检测系统主程序流程

4 系统的软、硬件仿真及试验

利用Proteus 软件与KeiluVision4 共同完成系统仿真。其中KeiluVision4 用以编写软件代码，Proteus 用以单片机仿真。在Proteus 软件中绘制电路原理图，并导入KeiluVision4中代码生成的HEX文件中进行仿真模拟。

硬件方面，通过电路设计、制板、焊接、组装、调试后，保证每个模块测试功能正常，再进行系统联调。系统整机工作正常后，对系统的各项功能进行测试。测试过程中，将该温度检测系统在收缩炉中进行测验，在不同时间段进行重复测量，并记录测量结果，试验效果不错。

5 结论

为了使蒸汽收缩炉收缩膜料时达到有效收缩效果，设计了以STC89C52RC 单片机为核心的温度检测系统，K 型热电偶为温度传感器，通过MAX6675 芯片完成冷端补偿、信号转换，以按键调节温度上下限设定，通过LED 显示当前检测温度。通过硬件和软件设计实现对收缩炉炉内温度的检测，保证标签收缩均匀、美观，整个系统结构简单、成本低、操作方便，具有一定的实用价值。