彩色像片洗印機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)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(jìn)行顯影、穩(wěn)定藥液進(jìn)行影像的穩(wěn)定、漂洗藥液進(jìn)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(duì)各種藥液的工作溫度要求不同，其基準(zhǔn)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(duì)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(jī)作為主控制器[2]，設(shè)計(jì)了能適應(yīng)多種洗印工藝要求的彩色像片洗印機(jī)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(jī)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(jī)AT89C52的控制下，完成三種藥液溫度的檢測(cè)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(chǔ)、電機(jī)控制和故障檢測(cè)與報(bào)警指示等功能。
2.1 藥液溫度檢測(cè)
藥液的溫度檢測(cè)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(chǎng)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(shí)，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(cè)得的溫度值進(jìn)行數(shù)值預(yù)處理后，取其平均值作為本次測(cè)量的溫度值，從而保證溫度檢測(cè)的準(zhǔn)確性。
2.2 藥液溫度控制
溫度控制電路主要由三路驅(qū)動(dòng)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(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到某種藥液的溫度低于工藝要求的設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)AT89C52通過光電隔離器，控制可控硅導(dǎo)通，給加熱器提供AC 220V電源，而加溫藥液。當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到某種藥液的溫度接近于工藝要求的設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)三種藥液的溫度進(jìn)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(gè)鍵開關(guān)、一塊LCM103 6位8段的液晶顯示模塊、電機(jī)控制和故障指示與報(bào)警電路組成，控制程序全部下載到AT89C52中。串行E2PROM用來存儲(chǔ)多種洗印工藝的溫度設(shè)定值和相應(yīng)的溫度控制參數(shù)，同時(shí)，利用X25045P中的看門狗電路，對(duì)AT89C52進(jìn)行非正常運(yùn)行狀態(tài)下的自動(dòng)復(fù)位操作，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。鍵盤用來實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝溫度的設(shè)定值和溫度控制參數(shù)進(jìn)行修改，以適應(yīng)不同的洗印工藝要求，同時(shí)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(jī)控制電路用來實(shí)現(xiàn)主電機(jī)與循環(huán)泵的啟動(dòng)與停止；故障指示和報(bào)警電路用來指示故障部位和告知操作人員當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)電笛也用于提醒操作員按鍵動(dòng)作的完成。整個(gè)控制系統(tǒng)在AT89C52的控制下，協(xié)調(diào)工作，完成相應(yīng)控制功能。

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)
彩色像片洗印機(jī)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(dāng)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(cè)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(cè)試是否有故障發(fā)生等步驟循環(huán)工作；當(dāng)有鍵被按下或有故障發(fā)生時(shí)，則轉(zhuǎn)入相應(yīng)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(cè)模塊
溫度檢測(cè)模塊通過讀取DS1820內(nèi)溫度數(shù)字信息來確定當(dāng)前藥液的溫度值。為了確保檢測(cè)溫度的可靠性和精度，在該模塊中對(duì)單只溫度傳感的檢測(cè)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(shí)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(shí)， T(k)=T(k)   取本次采樣值
      │T(k)-T(k-1)│>0.3℃  時(shí)， 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(dāng)?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(shí)測(cè)系統(tǒng)的最高分辯率達(dá)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(duì)象為純滯后的控制對(duì)象，通過采用分段控制策略[1]，控制精度達(dá)到了38.5±0.2℃，取得了理想的控制效果。其控制策略如下：
當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)的溫度值為T≤22℃時(shí)，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(cè)的溫度值達(dá)到22℃時(shí)為止。
當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)的溫度值為22℃<T≤35℃時(shí)，為溫度粗控階段，程序控制加熱器每次通電加溫的時(shí)間t=80ms,由于系統(tǒng)的純滯后效應(yīng)，此階段藥液的溫度仍然上升很快。當(dāng)藥液溫度上升到35℃時(shí)，被控對(duì)象的溫度仍處于純滯后上升趨勢(shì)中。
當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)的溫度值為35℃<T≤38.1℃時(shí)，稱為溫度精控階段，為了緩解系統(tǒng)的純滯后效應(yīng)，程序控制加熱器每次通電加溫的時(shí)間t=20ms,此階段藥液的溫度上升速度明顯減慢。當(dāng)T=38.1℃時(shí)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(shí)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(shí)間為t=8ms，溫度傳感器檢測(cè)的溫度值應(yīng)為38.2℃≤T≤38.8℃。為了滿足控制精度，程序采用預(yù)估趨勢(shì)控制策略，當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)的溫度值T≤38.6℃，且T(K)>T(K+1)時(shí)，被控對(duì)象的溫度處于純滯后下降趨勢(shì)中，程序控制加熱器通電加溫，直到溫度傳感器檢測(cè)的溫度值T≥38.4℃，且T(K)<T(K+1)時(shí)，被控對(duì)象的溫度處于純滯后上升趨勢(shì)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(yīng)，實(shí)測(cè)控制精度為38.3℃≤T≤38.7℃。
3.3 其它控制程序簡(jiǎn)述
為了保證系統(tǒng)工作的可靠性和設(shè)備安全，系統(tǒng)中設(shè)置有故障檢測(cè)和報(bào)警程序，如當(dāng)可控硅失效導(dǎo)通，藥液的溫度超過設(shè)定值時(shí)；加熱器斷路，控制加溫且藥液溫度不上升時(shí)；讀取串行E2PROM中的控制參數(shù)和DS1820溫度值，CRC校驗(yàn)出錯(cuò)時(shí)等，均通過電笛報(bào)警和發(fā)光二極管指示方式通知操作者，以便及時(shí)排除故障，確保設(shè)備安全運(yùn)行。在程序設(shè)計(jì)中，由于硬件設(shè)計(jì)時(shí)采用了X25045P中的看門狗電路，因此，在程序的適當(dāng)?shù)胤骄O(shè)置有對(duì)X25045P的操作指令，以防止看門狗電路錯(cuò)誤復(fù)位系統(tǒng)。對(duì)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(xiàn)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(cè)和控制策略，對(duì)小容量純滯后的被控對(duì)象具有一定的指導(dǎo)意義。溫度控制參數(shù)可方便地經(jīng)過系統(tǒng)實(shí)測(cè)進(jìn)行整定，通過優(yōu)化控制參數(shù)，可縮短過渡時(shí)間或減小溫度的過沖量，從而進(jìn)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(dá)到38.5±0.1℃。