熱定型過程織物無線溫度記錄儀研制

顧敏明，戴文戰，潘海鵬

(1.浙江理工大學 機械與自動控制學院，杭州 310018;2.浙江工商大學 信息與電子工程學院，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2，潘海鵬1

(1.浙江理工大學 機械與自動控制學院，杭州 310018;2.浙江工商大學 信息與電子工程學院，杭州 310019)

為準確記錄定型機熱定型過程中的織物的實際溫度及其變化情況，設計了一種基于無線數據傳輸熱定型過程織物溫度檢測記錄儀；該記錄儀以PT100為溫度檢測傳感器，以鐵電存儲器FM24V05為存儲芯片，以STM8L152為主控芯片，實現了溫度數據的讀取及存儲，選用SI4463為無線收發芯片，實現了數據的傳輸，并設計了無線充電模塊，主體電路部分采用密閉隔熱材料封裝；經實驗測定，該裝置可以準確的采集熱定型過程中移動織物溫度的數據，并進行無線導出；解決了定型過程布匹溫度數據不準確的問題，該數據還可用于定型過程的建模、分析及優化，具有較高的工程應用價值。

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定性，將織物在張力下置于高溫環境中(如170～210 ℃)，并保持一定的尺寸或形態，經一段時間熱處理后，迅速冷卻降溫，使改變了的纖維微結構被固定下來，從而使織物獲得相對穩定的形態，該過程稱為熱定型。

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

為測量移動織物的實時溫度，本文設計了一種耐高溫移動溫度記錄設備，選用了耐高溫外殼，采用了無線充電、無線讀取數據的方式，較好的記錄與再現了織物在熱定型過程中的溫度數據。

1 工作原理與設計方案

定型機熱定型織物溫度記錄儀由PT100溫度傳感器及信號調理電路、無線充電部分、微控制器模塊、無線通訊模塊、鐵電存儲模塊等構成。系統的原理框圖如圖1 所示。

為反映織物溫度，PT100傳感器與待測織物緊密貼合，并通過特氟龍耐高溫導線與設備進行連接，傳感器信號經模擬前端電路進行放大、濾波等處理后，由微控制器定時觸發ADC接口進行采集，數據經處理后存入鐵電存儲器。裝置需在高溫下工作，因此內部電路部分進行了灌膠隔熱處理，由于密封，設備在電池充電、數據讀取均采用了無線方式。

圖1 系統原理框圖

2 系統設計

2.1 溫度采集與存儲

溫度采集傳感器選用鉑電阻PT100。為更準確采集織物溫度，記錄儀取用了4路PT100，并進行了平均處理。當溫度采集開始，記錄儀按設定的采樣周期將采集到的數據寫入到鐵電存儲器FM24V05。

2.2 無線通訊功能設計

由于記錄儀殼體采用耐熱材料完全密封，因此數據讀取依賴無線通訊。對比WIFI、藍牙、Zigbee等2.4 G通訊方式，Si4463芯片具備繞射性能強、穿墻能力優秀、接收靈敏度高，抗干擾能力強、功耗低的特點，被選定為記錄儀的無線輸出形式[4-5]。

Si4463同MCU連接關系如圖2所示。

圖2 單片機同Si4463連接關系圖

兩者通過SPI接口進行通訊，同時nIRQ引腳連接到微控制器的外部中斷引腳，Si4463配置了64字節的FIFO及相應的數據包處理功能。該模式下，芯片自動添加和偵測前導碼、同步字、校驗等，并通過中斷表示通信狀態，大大方便了通信過程。

記錄儀主要實現以下功能：1)喚醒和休眠；2)數據采集及存儲；3)獲取采集數據。

2.2.1 喚醒和休眠

在記錄儀中，Si4463平時工作在低功耗模式下，并用周期喚醒，在喚醒時檢測是否有有效無線信號。若沒有檢測到有效的前導碼，那么芯片將自動進入休眠模式，直至下一個喚醒周期。相反，如果檢測到有效的前導碼和同步字，芯片將進入接收狀態，直到整個數據包接收完畢。整個過程不需要微控制器的參與，芯片會在接收到數據包之后通過中斷 nIRQ 引腳來通知微控制器處理。再利用微控制器將Si4463切換至正常收發模式，應答數據讀取端，從而開始高速數據傳輸。

時序邏輯如圖3所示。

圖3 記錄儀被喚醒過程時序邏輯圖

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

在單片機無溫度采集任務，且數據讀取端無數據下發情況下，記錄儀中微控制器進入低功耗模式，同時Si4463也再次切換至休眠，等待下一次的喚醒。

2.2.2 數據采集及存儲

數據采集及存儲流程如圖4所示。

圖4 數據采集及存儲流程圖

記錄儀被喚醒后，由數據讀取端發送包括記錄開始時間及記錄間隔等配置信息，記錄儀接收數據并完成校驗，再將讀取配置參數寫入到鐵電存儲器FM24V05的0X0001-0X001F的字節中；然后將記錄裝置安裝至待加工織物上；數據讀取端遠程發出啟動信號，記錄儀開始數據采集；記錄儀利用ADC接口采集四路溫度電橋的信號，處理得到溫度值，并將平均值寫入到鐵電存儲器0X0020開始的區間內，這里每個溫度占兩字節的方式。

2.2.2 獲取采集數據

待數據采集完畢，數據讀取端可以隨時讀取采集數據。數據讀取端喚醒記錄儀后，發出讀取配置命令，記錄儀從0X0000-0X001F讀取開始時間、時間間隔等參數，并按照約定命令格式硬性應答；數據讀取端再發出讀取數據命令，記錄儀發送溫度數據幀，流程圖5所示。

圖5 數據讀取端獲取采集數據流程圖

由于鐵電存儲器空白部分事先采用0XFF填充，因此判定數據尾的方法如下：首先判斷第N數據幀是否全為0XFF，若是則認為已到達數據尾部，數據傳輸結束，否則發送下一塊數據。在數據讀取端處理數據的時候，對最后一塊數據則從尾部開始，將數據中0XFF的數據舍棄，保留非0XFF的字節。

無線數據傳遞過程中，溫度數據幀(放在Si4463數據包中data區域)格式如表1所示。

表1 溫度數據幀格式表

其中，指令碼代表溫度傳遞命令，流水號有程序自加產生，值在0～255之間，用于無線通訊中數據的應答，數據讀取端對每次無線接收到的數據進行校驗，會針對該流水號做回復以告知數據接收是否正常。數據號代碼數字對應在鐵電存儲中的位置序號，數據是溫度數據，校驗碼是CRC16值。其中，一個溫度由兩字節構成，如185.6 ℃用 0xB9，0x06表示，高位是整數，低位是小數。

2.3 供電設計

因為記錄儀采用電池供電，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線相連，而是在兩者內部都有一個線圈，在充電的過程中能量和信號都在兩線圈之間的電磁波中進行傳輸，通過信號來控制線圈發射功率，最終達到較好的充電效果。本裝置充電符合QI協議[6]，在此不再贅述。

3 實驗結果與分析

為驗證記錄儀采集的效果及系統的可靠性與實用性。論文選取了2種不同的熱定型過程中進行了測試，獲得的待加工織物(干燥)在定型過程中實際溫度數據及其變化情況，所得的結果如圖7所示。

圖7中，實驗選用的定型機為韓國理和Platinmu定型機，共10節烘箱，選用的織物為某滌綸織物。從進入定型機開始截取有效數據，其中曲線1是全程設置溫度為200 ℃情況下織物實際溫度；曲線2是前半程設置180 ℃，后半程設置200 ℃情況下實際溫度。

圖7 定型過程織物實際溫度數據曲線

實驗結果表明，溫度曲線連貫，數據無突變，數據曲線同理論模型基本吻合，數據可信度高。

4 結束語

本文設計了基于Si4463無線通訊的溫度記錄儀，分析了無線傳輸的工作過程，并在定型機中進行了應用，得到了熱定型加工過程中布匹實際溫度的真實數據曲線，相比人工估算，準確度得到了大幅提升，所得到的數據為熱定型過程的深入分析及優化控制提供了原始素材。

此外，本文中記錄儀的設計思路對于那些環境惡劣、布線困難、功耗低等要求的場合中信號檢測具有一定的借鑒意義。

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

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

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

[4] 周 曉，孫國峰，趙 鋒,等. 基于S14463的信息采集系統設計[J]. 計算機測量與控制,2015, 23(7):2482-2484.

[5] 賈文洋,毛 征,張 輝,等. 基于SI4463無線實時數據收發系統的實現[J]. 系統仿真技術及其應用, 2015,16: 421-425.

[6] 熊承龍,沈 兵,趙 寧.基于電磁感應的無線充電技術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。

浙江省自然科學基金資助項目(LQ14F030013); 國家高技術研究發展計劃項目(2009AA04Z139)資助。

顧敏明 (1982-)，男，博士研究生，主要從事機電設備的智能檢測、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 (1958-)，男，教授，博士生導師， 主要從事機電控制系統混合建模與智能控制方向的研究。

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