基于STM32的保溫杯保溫性能檢測系統設計

劉 洋，廖 平

（中南大學 高性能復雜制造國家重點實驗室，長沙 410083）

0 引言

在保溫杯生產過程中保溫性能的檢測是十分重要的環節，其檢測結果直接決定了保溫杯生產質量是否合格。目前對保溫杯保溫性能的檢測方法主要有泡水測溫法、蒸汽測溫法、壓力測溫法、特爾摩斯法等，其中蒸汽測溫法可以實現半機械化操作，且其消耗的能源、資源相對較少，在工業生產檢測中廣泛應用[1]。

蒸汽測溫法是向保溫杯內部注入高溫蒸汽，間隔一定時間后再由生產人員主觀感知保溫杯外部是否有明顯發熱現象，若保溫杯外部出現明顯發熱現象則說明保溫性能不合格，反之則說明保溫性能合格。顯然生產人員主觀進行檢測的方式其檢測結果準確度不高，且效率較低，已經越來越不能滿足工業生產規模化、精益化等要求。因此本文在蒸汽測溫法的基礎上，設計了一種基于STM32的保溫杯保溫性能檢測系統。測試表明，該檢測系統可布置在保溫杯生產檢測流水線上，能夠無損、準確地檢測出保溫性能不合格的保溫杯杯體并實時報警，實現了保溫杯保溫性能檢測的自動化。

1 紅外測溫法理論分析

1.1 輻射測溫基本理論

自然界中一切自身溫度高于絕對零度的物體都在向周圍空間輻射出紅外能量。黑體輻射測溫理論中最基本的定律為普朗克定律，它反映了黑體的光譜輻射出射度Mbλ（T）與絕對溫度T之間的關系：

式中：Mbλ（T）為黑體的光譜輻射出射度，W/（m2·μm）；λ為波長，μm；T為絕對溫度，K；c1、c2為第一、第二輻射常數。

對式(1)的波長λ從0到+∞積分計算可得：

式(4)即為斯蒂芬-玻爾茲曼輻射定律的表達式，表明了黑體的全輻射出射度與其絕對溫度的四次方成正比。因此即使很小的溫度變化也會引起黑體全輻射出射度顯著的改變[2,3]。

在全輻射測溫法中，物體的輻射出射度一般均小于黑體的輻射出射度，二者之比即為物體的表面發射率ε[4]，其數學表達式為：

故物體的輻射出射度為：

物體表面的溫度T與物體的輻射出射度M(T)以及物體的表面發射率ε之間的關系為：

即可通過測量物體表面的輻射出射度求得被測物體的表面溫度。

1.2 MLX90614測溫原理及結構方案

為防止檢測過程對保溫杯表面造成二次損傷，本系統采用非接觸式紅外溫度傳感器MLX90614測量保溫杯表面溫度，其測溫范圍為-70℃～380℃，最高測溫精度可達0.5℃。傳感器內部集成紅外探測熱電堆MLX81101和信號處理芯片MLX90302。紅外探測熱電堆MLX81101主要由微型熱電偶組成，熱端固定在感溫薄膜上，冷端與芯片基體直接相連。感溫薄膜吸收被測目標輻射出的紅外能量后使得熱端溫度升高或降低，熱端與冷端的溫度差則會導致熱電堆MLX81101產生相應的電勢差。信號處理芯片MLX90302根據熱電堆MLX81101的電勢差和冷端溫度信號即可計算出被測目標的溫度[5]。

為減少工業生產中環境因素的干擾[6]，本設計方案在紅外溫度傳感器MLX90614與被測目標之間增設了紅外光學濾波器，如圖1所示。該紅外光學濾波器主要用于截斷可見光和近紅外輻射，以此來提高紅外溫度傳感器MLX90614的抗干擾能力。可透過該紅外光學濾波器的波長范圍為5.5μm～14μm，根據維恩位移定律λT=2.9×10-3m·k可知，此時紅外溫度傳感器MLX90614可測量的目標溫度范圍約為-66℃～254.12℃，滿足本方案0℃～220℃的測溫要求。

圖1 MLX90614測溫結構方案圖

2 系統硬件設計

本檢測系統硬件總體結構主要包括紅外測溫模塊、感應模塊、報警模塊、電源模塊以及串口通信模塊，硬件總體方案如圖2所示。

圖2 系統總體硬件方案圖

2.1 紅外測溫模塊硬件設計

紅外測溫模塊主要由紅外溫度傳感器MLX90614及其信號處理電路組成，其中傳感器MLX90614實現對保溫杯表面溫度的非接觸式測量，信號處理電路則主要負責傳感器MLX90614的驅動控制以及信號傳輸等功能，其相應的電路原理圖如圖3所示。

圖3 紅外測溫模塊電路原理圖

由于本檢測系統采用24V外接電源進行供電，而傳感器MLX90614其工作電壓為3.3V，故采用電源芯片LM2596-3.3將24V電平轉換為3.3V電平完成對傳感器的驅動供電。

紅外溫度傳感器MLX90614采用二線制SMBus通信協議與STM32單片機進行通信，時鐘引腳SCL和數據引腳SDA與STM32單片機I/O引腳直接連接。此時傳感器MLX90614引腳被配置為開漏模式，時鐘引腳SCL和數據引腳SDA均需要10kΩ上拉電阻才能正常工作。

2.2 感應模塊硬件設計

為確定當前檢測工位是否有待檢測的保溫杯杯體，本檢測系統設計了保溫杯杯體感應模塊。感應模塊主要采用了臺邦公司的TB1204-N型接近開關，其主要對當前工位是否存在保溫杯杯體進行非接觸式感應檢測。TB1204-N型接近開關采用電磁感應式的工作原理，具有響應速度快、檢測結果準確、接線簡單等優點，在工業生產中廣泛應用，其電路原理圖如圖4所示。

圖4 感應模塊電路原理圖

TB1204-N型接近開關其檢測結果通過2號引腳直接輸出，其輸出電壓與STM32單片機I/O引腳輸入電壓不匹配，故采用集成光耦TLP2301進行橋接，將24V電壓信號轉換為3.3V電壓信號輸入給單片機。其中R11為限流電阻，其阻值大小為10kΩ，防止電路電流過大從而導致元器件損壞；D4為反向保護二極管，防止電源正負極反接或出現過大的反向電壓導致光耦損壞。

2.3 報警模塊硬件設計

在工業生產檢測中為及時提醒生產人員篩選出保溫性能不合格的保溫杯杯體，本系統采用了施耐德公司的XB2-BSB4LC型帶燈蜂鳴器作為報警指示器，其內部集成有報警燈和蜂鳴器，可同時進行聲光報警指示，且其響應速度快，可直接采用24V直流電源進行驅動。

2.4 串口通信模塊硬件設計

本檢測系統采用USB轉串口芯片CH340完成與上位機的通信。CH340芯片內置了USB上拉電阻，其UD+和UD-引腳可直接連接到USB總線上，可與計算機端的串口應用程序完全兼容，易于實現硬件系統與上位機的雙向數據通信。

3 系統程序設計

本檢測系統程序采用了模塊化的程序設計方法，主要包括主程序設計、紅外測溫模塊程序設計以及串口通信協議設計等內容。

3.1 主程序設計

檢測系統上電復位后，首先根據上位機指令執行系統的初始化工作，初始化溫度閾值與相關紅外溫度傳感器的發射率；系統初始化完成后進入監聽模式，等待感應模塊觸發外部中斷進入中斷服務程序；在中斷服務程序中，STM32單片機控制紅外溫度傳感器MLX90614對待檢測的保溫杯杯底表面溫度進行非接觸式測量，并將實測值與系統預設的溫度閾值進行比較，判斷當前檢測的保溫杯保溫性能是否合格，若保溫杯不合格則立即進行聲光報警指示；最后將檢測數據發送給上位機，退出中斷服務程序繼續進入監聽模式，等待感應模塊觸發外部中斷進行下一次的檢測。系統主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

3.2 紅外測溫模塊程序設計

本檢測系統中STM32單片機采用SMBus協議來實現對紅外溫度傳感器MLX90614的控制和溫度數據的讀取。SMBus協議是一種二線制的串行通信協議，其對應引腳為SCL引腳和SDA引腳，其中SCL引腳為時鐘引腳，SDA引腳為串行數據輸入/輸出引腳。系統采用主從工作模式：STM32單片機作為主控器，負責提供同步時鐘、起始位、停止位以及數據收發；紅外溫度傳感器MLX90614則作為從控器，負責接收同步時鐘、指令以及數據收發。

STM32單片機控制紅外溫度傳感器MLX90614讀取一次溫度數據的程序流程圖如圖6所示。在讀取一次溫度數據的過程中，紅外溫度傳感器MLX90614接收到指令數據后都會發送確認應答，并且STM32單片機接收數據后也需要向傳感器發送確認信號，以此來保證二者之間數據傳輸的完整性。若接收到的溫度數據CRC校驗不正確，則直接丟棄數據并返回讀取錯誤標志。

圖6 MLX90614測溫程序流程圖

3.3 串口通信協議設計

本系統與上位機采用串口通信的方式完成雙向數據傳輸，其通信協議采用數據包的形式進行組包、傳輸以及數據解析[7]。其通信協議格式如表1、表2所示。

表1 上位機發送給檢測系統的數據包格式

表2 檢測系統發送給上位機的數據包格式

（續）

上位機可通過發送相關指令數據包設置檢測系統的溫度閾值以及紅外溫度傳感器的發射率等參數，而檢測系統則可以將相關檢測數據以數據包的形式傳輸至上位機進行下一步的處理、分析。同時在數據包格式設置中，按照“傳感器編號+傳感器發射率/傳感器溫度”的形式設置，便于后續布置多個紅外溫度傳感器進行檢測。

4 系統上位機軟件設計

本系統上位機軟件采用C++語言在Qt平臺上開發完成。系統開發環境為Qt Creator 4.9.0，采用Qt平臺支持的控件與串口驅動直接進行開發，可大大縮短上位機軟件的開發周期。

系統上位機軟件可搜索與計算機連接的相關串口并調用打開完成與下位機的通信；同時可通過該軟件設置保溫杯保溫性能檢測流水線上當前所檢測的保溫杯型號，設置下位機系統的溫度閾值以及相關紅外溫度傳感器的發射率；最后實時顯示環境溫度與傳感器實測溫度值，并指示當前保溫杯保溫性能是否合格。該上位機軟件界面如圖7所示。

圖7 檢測系統上位機界面

5 實驗與分析

5.1 保溫杯溫升實驗

在保溫杯保溫性能檢測流水線上，生產人員首先對保溫杯內部噴吹60s左右的高溫蒸汽完成對保溫杯的加熱，再進行手工檢測。因此本實驗主要對0s～60s加熱過程中保溫杯杯底表面的溫度變化情況進行測量分析，并對比驗證本檢測系統的測溫效果。

在室溫環境下，采用高精度熱電偶測溫儀和本檢測系統分別測量處于加熱過程中合格與不合格保溫杯杯底表面的溫度，所選取的高精度熱電偶測溫儀為FLUKE 51-II-T型熱電偶測溫儀，其測溫范圍為-250℃～400℃，測溫精度可達0.5℃，保溫杯溫升實驗結構示意圖如圖8所示。其中，待檢測的合格與不合格保溫杯杯底表面初始溫度均為29.2℃，保溫杯杯體倒扣在高溫蒸汽加熱臺上，蒸汽加熱臺上的高溫蒸汽噴嘴噴吹220℃左右的高溫蒸汽對保溫杯內部持續加熱，高溫蒸汽通過蒸汽回流口進行回流；FLUKE 51-II-T型熱電偶測溫儀其熱端直接固定在保溫杯杯底表面，可準確地測量杯底表面的溫度數據；為消除距離因素對紅外測溫結果的影響，傳感器MLX90614與待檢測的保溫杯杯底表面保持2cm的垂直距離[8-9]；考慮到保溫杯杯底材質為粗加工不銹鋼，故將傳感器發射率設置為0.21[10]。0s～60s加熱過程中合格與不合格保溫杯杯底表面的溫度變化曲線如圖9、圖10所示。

圖8 保溫杯溫升實驗結構示意圖

圖9 合格保溫杯杯底溫升曲線

由圖9、圖10可知，在測量處于加熱過程中合格與不合格保溫杯杯底表面溫度時，紅外溫度傳感器MLX90614測量的溫度數據與FLUKE 51-II-T型熱電偶測溫儀的測量值相近，兩者的數據之差最大不超過0.5℃；而測量值前者稍高于后者，這是由于傳感器MLX90614測溫視場內存在保溫杯杯底本身的環狀凸起結構，該結構采用沖壓工藝成型，表面較為光滑，反射率稍高，可輻射出較多的紅外能量使得傳感器MLX90614測量值偏高，屬于正常范圍。綜合上述分析可知，本設計方案能夠無接觸、準確地測量保溫杯杯底表面的溫度，測溫精度高。

圖10 不合格保溫杯杯底溫升曲線

對比圖9、圖10的實驗結果可知，在對初始溫度相同的合格與不合格保溫杯內部加熱60s后，合格保溫杯杯底表面溫度有少許的上升，其主要原因是保溫杯杯膽內部的熱量通過金屬杯口傳遞到了杯體表面，使得杯體表面溫度升高；而不合格保溫杯杯底表面溫度則有顯著的上升，這是由于不合格保溫杯除金屬杯口部分傳遞的熱量外，由于其杯體與杯膽之間的夾層空間真空度低、保溫性能差，內部熱量更易于通過熱對流的方式傳遞到杯體表面，使得杯體表面溫度明顯高于合格保溫杯。故對初始溫度相同的合格與不合格保溫杯加熱60s后，不合格保溫杯杯底表面溫度（≥40℃）明顯高于合格保溫杯杯底表面溫度（≤33℃），因此設置檢測系統的溫度閾值為二者溫度的中間值即可準確地檢測出加熱60s后的保溫杯保溫性能是否合格。若傳感器實測溫度高于系統溫度閾值，則說明保溫杯保溫性能不合格，反之則說明保溫杯保溫性能合格。

5.2 保溫杯保溫性能檢測實驗

為驗證本檢測系統對保溫杯保溫性能的檢測效果，將本系統布置在保溫杯保溫性能檢測流水線上進行測試。在室溫條件下，取初始溫度均為29℃左右的12個合格與12個不合格保溫杯，分別加熱60s后采用本檢測系統對其進行無損檢測。根據多次保溫杯溫升實驗的結果設置本檢測系統的溫度閾值為36℃，其檢測結果如圖11所示。

由圖11可知，保溫性能合格與不合格的保溫杯完成加熱后，其杯底表面溫度有明顯的差異，合格保溫杯其杯底表面溫度均低于34℃，不合格保溫杯其杯底表面溫度均高于38℃，且本系統檢測到不合格保溫杯時報警模塊均進行了實時報警指示。因此本檢測系統可以無損、準確地檢測出不合格的保溫杯杯體，實現了保溫杯保溫性能檢測的自動化，本設計方案具有一定的可行性。

圖11 保溫杯保溫性能檢測結果

6 結語

本文提出了一種基于STM32的保溫杯保溫性能檢測系統的設計方案，采用模塊化的設計思想對各個模塊進行合理設計。經過理論分析與實驗驗證，證明該設計方案能夠滿足對保溫杯保溫性能無損、自動化檢測的目的和效果，對應用于保溫杯保溫性能實際工業生產檢測具有重要意義。