彩色像片洗印機溫度控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

１引言
在彩色像片的洗印過程中，必須將已曝光的像紙按照某種洗印工藝配制的顯影藥液進行顯影、穩(wěn)定藥液進行影像的穩(wěn)定、漂洗藥液進行漂洗，最后經(jīng)過擠壓干燥處理，即可得到一張色彩艷麗的像片。彩色像片的質(zhì)量除底片質(zhì)量和曝光效果外，洗印藥液的溫度穩(wěn)定性和控制精度，也直接影響彩色像片的最終效果，因此，精確控制各種藥液的工作溫度和穩(wěn)定性，是保證像片質(zhì)量的最終環(huán)節(jié)。盡管不同的像紙和洗印藥液的配方對各種藥液的工作溫度要求不同，其基準溫度范圍為30℃∽40℃，但多種洗印工藝的溫度控制精度是相同的，即對顯影藥液的控制精度為±0.3℃，穩(wěn)定和漂洗藥液的控制精度為±2℃。通過總結(jié)多種彩色像片洗印工藝，采用AT89C52單片機作為主控制器[2]，設計了能適應多種洗印工藝要求的彩色像片洗印機溫度控制系統(tǒng)。

2 溫度控制系統(tǒng)的硬件組成及工作原理
彩色像片洗印機溫度控制系統(tǒng)的硬件原理框圖如圖1所示。該系統(tǒng)在單片機AT89C52的控制下，完成三種藥液溫度的檢測與控制、鍵盤信息的輸入、相關(guān)信息的顯示、多種洗印工藝工作參數(shù)的存儲、電機控制和故障檢測與報警指示等功能。
2.1 藥液溫度檢測
藥液的溫度檢測采用DALLAS公司生產(chǎn)的DS1820單線數(shù)字溫度傳感器[3]，直接與P1口連接，將DS1820溫度傳感器密封在塑料棒內(nèi)，置于藥液中，每種藥液中放置3只傳感器。為了克服藥液在加熱過程中溫度場分布的不均勻性，各藥槽中均放置一只循環(huán)泵，該循環(huán)泵工作時，藥槽中的藥液從槽中一端抽出，另一端流入，使藥槽中藥液的溫度均勻分布，并將3只溫度傳感器所測得的溫度值進行數(shù)值預處理后，取其平均值作為本次測量的溫度值，從而保證溫度檢測的準確性。
2.2 藥液溫度控制
溫度控制電路主要由三路驅(qū)動器74LS05、光電隔離器MOC 3023、可控硅BTA12和AC 220V　180W的電加熱器組成，每路控制一種藥液的加溫。當溫度傳感器檢測到某種藥液的溫度低于工藝要求的設定值時，單片機AT89C52通過光電隔離器，控制可控硅導通，給加熱器提供AC 220V電源，而加溫藥液。當溫度傳感器檢測到某種藥液的溫度接近于工藝要求的設定值時，單片機AT89C52通過光電隔離器，控制可控硅截止，切斷加熱器的電源，而停止加溫藥液。從而實現(xiàn)對三種藥液的溫度進行控制。

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2.3 AT89C52系統(tǒng)
AT89C52系統(tǒng)由一片串行E2PROM X25045P、8個鍵開關(guān)、一塊LCM103 6位8段的液晶顯示模塊、電機控制和故障指示與報警電路組成，控制程序全部下載到AT89C52中。串行E2PROM用來存儲多種洗印工藝的溫度設定值和相應的溫度控制參數(shù)，同時，利用X25045P中的看門狗電路，對AT89C52進行非正常運行狀態(tài)下的自動復位操作，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。鍵盤用來實現(xiàn)對工藝溫度的設定值和溫度控制參數(shù)進行修改，以適應不同的洗印工藝要求，同時完成多種控制操作。液晶顯示模塊用來顯示各藥液的溫度值和相關(guān)系統(tǒng)信息；電機控制電路用來實現(xiàn)主電機與循環(huán)泵的啟動與停止；故障指示和報警電路用來指示故障部位和告知操作人員當前系統(tǒng)的運行狀態(tài)，同時電笛也用于提醒操作員按鍵動作的完成。整個控制系統(tǒng)在AT89C52的控制下，協(xié)調(diào)工作，完成相應控制功能。

3 系統(tǒng)軟件的設計
彩色像片洗印機控制系統(tǒng)的軟件流程如圖2所示。主程序采用順序循環(huán)結(jié)構(gòu)，當系統(tǒng)初始化完成后，主程序依次按判斷鍵盤的工作狀態(tài)，檢測與控制顯影、定影與漂洗藥液的溫度，顯示顯影藥液的溫度，測試是否有故障發(fā)生等步驟循環(huán)工作；當有鍵被按下或有故障發(fā)生時，則轉(zhuǎn)入相應的處理模塊，執(zhí)行完畢后，仍返回主程序循環(huán)工作。
3.1 溫度檢測模塊
溫度檢測模塊通過讀取DS1820內(nèi)溫度數(shù)字信息來確定當前藥液的溫度值。為了確保檢測溫度的可靠性和精度，在該模塊中對單只溫度傳感的檢測值采用了限幅濾波和算術(shù)平均值濾波兩種方法，根據(jù)系統(tǒng)的實際情況，限幅濾波相鄰兩次采樣值的允許最大偏差ΔT=0.3℃,則有：
      │T(k)-T(k-1)│≤0.3℃ 時， T(k)=T(k)   取本次采樣值
      │T(k)-T(k-1)│>0.3℃  時， T(k)=T(k-1)  取上次采樣值
算術(shù)平均值濾波的采樣次數(shù)N=5，則有：
            T(k)=[T(k)+T(k+1)+ T(k+2)+ T(k+3)+ T(k+4)]÷5
通過選擇適當?shù)牟蓸又芷?，不僅有效地抑止了系統(tǒng)的干擾，而且提高了DS1820的分辨率，實測系統(tǒng)的最高分辯率達到了±0.02℃。

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3.2 溫度控制模塊
本系統(tǒng)中，各藥槽中的藥液約為2500ml，加熱器為AC 220V 180W的一般電阻式加熱棒，被控對象為純滯后的控制對象，通過采用分段控制策略[1]，控制精度達到了38.5±0.2℃，取得了理想的控制效果。其控制策略如下：
當系統(tǒng)檢測的溫度值為T≤22℃時，為初始加溫階段，程序控制加熱器通電加溫，直到系統(tǒng)檢測的溫度值達到22℃時為止。
當系統(tǒng)檢測的溫度值為22℃<T≤35℃時，為溫度粗控階段，程序控制加熱器每次通電加溫的時間t=80ms,由于系統(tǒng)的純滯后效應，此階段藥液的溫度仍然上升很快。當藥液溫度上升到35℃時，被控對象的溫度仍處于純滯后上升趨勢中。
當系統(tǒng)檢測的溫度值為35℃<T≤38.1℃時，稱為溫度精控階段，為了緩解系統(tǒng)的純滯后效應，程序控制加熱器每次通電加溫的時間t=20ms,此階段藥液的溫度上升速度明顯減慢。當T=38.1℃時停止加溫，但在系統(tǒng)慣性的作用下，藥液溫度將繼續(xù)上升，根據(jù)不同的初始加溫條件和環(huán)境溫度，藥液的最高過沖溫度在38.8℃∽39.8℃之間，系統(tǒng)從初始加溫到穩(wěn)定工作的過渡時間為10min∽15min之間，滿足了用戶所提出的技術(shù)要求。
在恒溫階段，程序控制加熱器每次通電加溫的時間為t=8ms，溫度傳感器檢測的溫度值應為38.2℃≤T≤38.8℃。為了滿足控制精度，程序采用預估趨勢控制策略，當溫度傳感器檢測的溫度值T≤38.6℃，且T(K)>T(K+1)時，被控對象的溫度處于純滯后下降趨勢中，程序控制加熱器通電加溫，直到溫度傳感器檢測的溫度值T≥38.4℃，且T(K)<T(K+1)時，被控對象的溫度處于純滯后上升趨勢中，程序控制加熱器停止加溫，即可克服系統(tǒng)的純滯后效應，實測控制精度為38.3℃≤T≤38.7℃。
3.3 其它控制程序簡述
為了保證系統(tǒng)工作的可靠性和設備安全，系統(tǒng)中設置有故障檢測和報警程序，如當可控硅失效導通，藥液的溫度超過設定值時；加熱器斷路，控制加溫且藥液溫度不上升時；讀取串行E2PROM中的控制參數(shù)和DS1820溫度值，CRC校驗出錯時等，均通過電笛報警和發(fā)光二極管指示方式通知操作者，以便及時排除故障，確保設備安全運行。在程序設計中，由于硬件設計時采用了X25045P中的看門狗電路，因此，在程序的適當?shù)胤骄O置有對X25045P的操作指令，以防止看門狗電路錯誤復位系統(tǒng)。對于鍵盤處理程序、串行E2PROM和DS1820通訊程序、液晶顯示控制程序等，許多文獻中均有論述，在此不再重述。

4 結(jié)束語
本文中所提出的溫度檢測和控制策略，對小容量純滯后的被控對象具有一定的指導意義。溫度控制參數(shù)可方便地經(jīng)過系統(tǒng)實測進行整定，通過優(yōu)化控制參數(shù)，可縮短過渡時間或減小溫度的過沖量，從而進一步改善系統(tǒng)的控制品質(zhì)。在不改變系統(tǒng)控制參數(shù)的情況下，選用較高精度的加熱棒，其溫度控制精度可達到38.5±0.1℃。