紙包裝印刷環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱茜琳

（北京印刷學(xué)院，北京 102600）

印刷包裝產(chǎn)業(yè)不斷追求綠色環(huán)保背景之下，紙制印刷包裝物因其生產(chǎn)原料來(lái)源廣泛、成本低、可回收等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景越來(lái)越廣[1]。而在其印刷過(guò)程中，紙張是整個(gè)印刷工藝流程中最基礎(chǔ)重要的一環(huán)。紙張本身性能就與印刷最終效果息息相關(guān)，因?yàn)榧垙埵怯H水性很強(qiáng)的材料，紙張含水量的變化會(huì)造成紙張變形、變脆，引起印品套印不準(zhǔn)，變形紙張?jiān)谟∷r(shí)容易錯(cuò)位和疊印，造成紙品成型加工過(guò)程中出現(xiàn)斷裂等問(wèn)題。而環(huán)境溫度和濕度的變化是影響紙張含水量的主要因素。所以控制紙張性能變化必須控制紙張含水量，控制紙張所處環(huán)境溫濕度。控制印刷環(huán)境恒溫、恒濕，不僅可以防止紙張變形，提高產(chǎn)品套印精度，還有助于確保油墨的適印性[2]。印刷環(huán)境監(jiān)測(cè)是整個(gè)印裝過(guò)程的監(jiān)測(cè)，有些印刷廠只注重印刷中的溫濕度，而不注重紙張儲(chǔ)存?zhèn)}庫(kù)和印后加工車間的溫濕度。倉(cāng)庫(kù)要注意紙張儲(chǔ)存的環(huán)境條件，要對(duì)倉(cāng)庫(kù)環(huán)境的溫濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)紙張?zhí)幱诟邼穸葪l件下時(shí)，它會(huì)吸收周圍的水分并發(fā)生卷曲、變形和起皺現(xiàn)象；當(dāng)紙張存放在很干燥的環(huán)境下時(shí)，會(huì)導(dǎo)致紙張內(nèi)的水分散失，使紙張變脆、易碎，出現(xiàn)緊邊現(xiàn)象。因此，紙張存放條件應(yīng)與使用環(huán)境接近。印后加工車間也同樣應(yīng)該恒溫恒濕，與印刷環(huán)境相接近，保證加工環(huán)境穩(wěn)定。否則，當(dāng)印刷品從恒溫恒濕的印刷車間進(jìn)入干燥寒冷的印后加工車間，前面印刷好的紙張?jiān)谶M(jìn)行下一步加工時(shí)，會(huì)出現(xiàn)紙邊緣斷裂、露白等問(wèn)題，造成生產(chǎn)上的極大浪費(fèi)。因此印刷廠在對(duì)印刷環(huán)境監(jiān)測(cè)管理時(shí)，要全面考慮各環(huán)節(jié)對(duì)整體生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量的影響，保證各個(gè)環(huán)節(jié)的環(huán)境溫濕度能夠全面監(jiān)測(cè)，創(chuàng)造一個(gè)良好的生產(chǎn)環(huán)境，提高生產(chǎn)質(zhì)量。

1 主要研究?jī)?nèi)容

設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的紙包裝印刷環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為控制核心，能夠采集印刷車間內(nèi)的溫度、濕度，經(jīng)單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，能將環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)顯示在顯示器上，來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。研究思路及方法如下：

1）首先進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，確定系統(tǒng)方案，然后分模塊對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)；

2）通過(guò)溫度、濕度傳感器檢測(cè)環(huán)境參數(shù)并輸出相應(yīng)的電壓信號(hào)；

3）通過(guò)函數(shù)編程將采集的環(huán)境信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，顯示等功能；

4）采集的環(huán)境參數(shù)與恒溫恒濕車間所要求的環(huán)境參數(shù)比較，超出一定范圍進(jìn)行報(bào)警。

2 總體方案設(shè)計(jì)

印刷環(huán)境要保持在一定的溫濕度范圍內(nèi)，才能使得紙張含水量平衡，保證印品質(zhì)量。而車間內(nèi)環(huán)境參數(shù)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，便于人員管理。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要通過(guò)傳感器采集車間的環(huán)境參數(shù)，產(chǎn)生電信號(hào)，單片機(jī)讀取傳感器輸出信號(hào)后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將采集數(shù)據(jù)顯示在顯示屏上，并能與設(shè)定環(huán)境參數(shù)比較，越限報(bào)警。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 主控板選型

隨著嵌入式微控制器的高速發(fā)展，高性能、低成本、低功耗已成為衡量一款控制器的標(biāo)準(zhǔn)之一，其中ST公司開(kāi)發(fā)的基于ARM公司Cortex-M3內(nèi)核的STM32系列微處理器成為眾多產(chǎn)品中最為突出的一款。本課題選擇STM32系列單片機(jī)作為本系統(tǒng)的主控板。選用芯片型號(hào)為STM32F103C8T6。STM32F103C8T6是一個(gè)中密度性能線，配有ARM Cortex-M3 32位微控制器，48路LQFP封裝。它結(jié)合了高性能的RISC內(nèi)核，運(yùn)行頻率可達(dá)72MHz，以及高速內(nèi)嵌存儲(chǔ)器，增強(qiáng)范圍的強(qiáng)化輸入/輸出和外部連接至兩個(gè)APB總線。STM32F103C8T6具有12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，計(jì)時(shí)器，PWM計(jì)時(shí)器，標(biāo)準(zhǔn)和高級(jí)通訊接口。一套全面的省電模式允許設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)低功耗應(yīng)用。該控制器引腳電路圖如圖2所示。

圖2 引腳電路圖

3.2 傳感器選型及電路

本設(shè)計(jì)需要對(duì)車間內(nèi)溫度、濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，選用了DHT11作為檢測(cè)溫濕度的傳感器。DHT11是一款溫濕度復(fù)合傳感器，并且可以直接輸出校準(zhǔn)后的數(shù)字信號(hào)。它含有一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，可與8位單片機(jī)相連接。是一款廣泛使用的電子元器件。DHT11與單片機(jī)之間能采用簡(jiǎn)單的單總線進(jìn)行通信，僅僅需要一個(gè)I/O口。傳感器內(nèi)部濕度和溫度數(shù)據(jù)40Bit的數(shù)據(jù)一次性傳給單片機(jī)，數(shù)據(jù)采用校驗(yàn)和方式進(jìn)行校驗(yàn)，有效保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。DHT11功耗很低，5V電源電壓下，工作平均最大電流0.5mA。DHT11及其電路圖如圖3所示。

圖3 DHT11溫濕度傳感器

3.3 報(bào)警模塊

蜂鳴器在監(jiān)測(cè)到環(huán)境參數(shù)超過(guò)設(shè)定值時(shí)發(fā)出警報(bào)。電路圖如圖4所示。

圖4 蜂鳴器電路圖

3.4 矩陣鍵盤(pán)與顯示模塊

通過(guò)矩陣鍵盤(pán)人工輸入期望的環(huán)境參數(shù)。通過(guò)行列掃描，確定哪一個(gè)按鍵按下。通過(guò)設(shè)置列輸出低電平，行輸出高電平，接收到行輸出有低電平時(shí)，說(shuō)明有按鍵按下，根據(jù)接收的數(shù)據(jù)判斷時(shí)哪一行有按鍵按下，判斷列同理，由此確定按下的按鍵。矩陣鍵盤(pán)電路圖如圖5所示。

圖5 矩陣鍵盤(pán)電路圖

本設(shè)計(jì)選用I2C接口的四線OLED顯示屏，采用I2C接口，可以減少對(duì)控制器I/O口的占用。

4 軟件程序設(shè)計(jì)

環(huán)境監(jiān)測(cè)主程序流程如圖6所示，程序流程依次為系統(tǒng)初始化、傳感器響應(yīng)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、監(jiān)測(cè)溫濕度、越限報(bào)警。需通過(guò)循環(huán)的方式采集數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比處理，然后對(duì)相應(yīng)狀況判斷處理。

圖6 軟件設(shè)計(jì)流程圖

4.1 傳感器數(shù)據(jù)采集

微處理器端口與DHT11的DATA引腳連接后，處理器主機(jī)發(fā)低電平開(kāi)始信號(hào)，然后拉高并延時(shí)等待，此刻，DHT11進(jìn)入高速狀態(tài)，待處理器開(kāi)始信號(hào)消失，即轉(zhuǎn)為低電平，傳感器開(kāi)始響應(yīng)并給處理器傳送數(shù)據(jù)，同時(shí)開(kāi)始新一輪的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)傳輸完畢后，DHT11 進(jìn)入低速狀態(tài)，準(zhǔn)備新一輪的傳送數(shù)據(jù)請(qǐng)求。其通訊過(guò)程如圖7所示。

圖7 DHT11通訊過(guò)程

4.2 OLED顯示

傳感器采集溫濕度數(shù)據(jù)后實(shí)時(shí)顯示在OLED屏上，部分程序如下：

4.3 蜂鳴器報(bào)警

傳感器采集到的溫濕度與設(shè)定參數(shù)值比較，超過(guò)范圍蜂鳴器報(bào)警，部分程序如下：

5 測(cè)試

用傳感器、顯示屏等模擬車間進(jìn)行測(cè)試，監(jiān)測(cè)到環(huán)境溫濕度并在顯示屏中顯示。

圖8 模擬測(cè)試圖

6 結(jié)論

印刷車間通常規(guī)模較大，不便人力測(cè)量環(huán)境參數(shù)，通過(guò)自動(dòng)監(jiān)測(cè)環(huán)境及實(shí)時(shí)顯示的系統(tǒng)，可以集中監(jiān)測(cè)管理各印刷車間，實(shí)時(shí)性好，效率高。本設(shè)計(jì)中，模擬車間環(huán)境監(jiān)測(cè)，使用溫濕度傳感器可以正常檢測(cè)數(shù)據(jù)，溫濕度參數(shù)將在OLED顯示屏上顯示，并且顯示出的參數(shù)會(huì)根據(jù)環(huán)境發(fā)生的變化得出一個(gè)準(zhǔn)確數(shù)值。對(duì)印刷工廠實(shí)際應(yīng)用還有許多挖掘性，部分研究?jī)?nèi)容需要進(jìn)一步研究探索，如增加監(jiān)測(cè)的環(huán)境因素，還有根據(jù)收集、積累的數(shù)據(jù)搭建數(shù)據(jù)庫(kù)，建立更加完善的模型，用計(jì)算機(jī)自主學(xué)習(xí)的算法，自主搭配出最合理的參數(shù)，增加對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行智能調(diào)控的功能等。