數(shù)碼噴墨印刷供墨系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計(jì)與分析

曹范亮

目前供墨系統(tǒng)主要要完成的功能是為噴頭提供合適的壓力，保持墨水彎月面在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，保證噴頭有連續(xù)可靠的工作時(shí)間。壓力主要是通過虹吸、位差氣壓或液壓泵來產(chǎn)生。其中虹吸和位差法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但使用調(diào)整麻煩、穩(wěn)定性相對(duì)較差。氣壓和液壓泵法調(diào)節(jié)性好，穩(wěn)定性也不錯(cuò)，但是設(shè)備復(fù)雜，集成性能較差。壓力的自動(dòng)調(diào)節(jié)無疑是未來供墨系統(tǒng)的必須功能之一，從簡(jiǎn)單的單墨盒，到有二級(jí)墨盒的緩沖，提高系統(tǒng)的控制精度，再到自動(dòng)控制功能的加入，作為噴頭的配套設(shè)備，供墨系統(tǒng)的精確性已經(jīng)日益受到人們的重視，機(jī)電一體化子系統(tǒng)的獨(dú)立運(yùn)行是供墨系統(tǒng)未來的發(fā)展方向。同時(shí)隨著數(shù)碼噴墨打印技術(shù)應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)展，各種印刷墨水的功能正在不斷的創(chuàng)新，噴頭對(duì)墨水特性的要求也變得越來越高，保證噴頭有效工作的前提是保持供墨系統(tǒng)中墨水的特性穩(wěn)定。另外，提高供墨系統(tǒng)的普遍應(yīng)用性和噴頭間的兼容性能也能夠大幅度縮短噴墨系統(tǒng)的開發(fā)周期和研究成本。目前的供墨系統(tǒng)控制性差、集成度低、設(shè)備復(fù)雜以及無法對(duì)墨水特性進(jìn)行調(diào)節(jié)等成為了普遍的不足，因此，開發(fā)出一套結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能優(yōu)異、墨水特性和供墨特性好并且能獨(dú)立運(yùn)行、控制參數(shù)可調(diào)的可擴(kuò)展的供墨系統(tǒng)對(duì)于我國現(xiàn)階段的噴墨印刷系統(tǒng)的開發(fā)具有重大意義。

數(shù)碼噴墨印刷供墨系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文所提出如圖1所示的供墨系統(tǒng)，由主墨盒、次級(jí)墨盒、油墨泵、過濾器以及檢測(cè)反饋控制系統(tǒng)等組成。容量較小的次級(jí)墨盒儲(chǔ)存少量的經(jīng)過過濾的墨水，用我們特定的壓力給噴頭提供墨流。直到次級(jí)墨盒里面的墨水消耗至一定程度，小型墨泵便開始從墨盒中抽取墨水，與此同時(shí)次級(jí)墨盒通過墨水過濾器補(bǔ)充消耗的墨水。次級(jí)墨盒內(nèi)的液壓傳感器和溫度傳感器以及主墨盒中的液位開關(guān)和系統(tǒng)的控制面板，都是檢測(cè)反饋系統(tǒng)的一部分。通過系統(tǒng)中傳感器所檢測(cè)到的信號(hào)，把檢測(cè)到的溫度以及液位信息全部傳輸給控制面板，控制面版執(zhí)行內(nèi)部程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)油墨泵以及加熱裝置進(jìn)行開關(guān)控制，從而控制系統(tǒng)的油墨溫度，噴頭負(fù)壓以及其他保證正常工作的要求的條件。

為了使供墨系統(tǒng)成為一個(gè)獨(dú)立的機(jī)電一體化裝備，那么必須具有數(shù)據(jù)采集功能和數(shù)字控制功能，才能具有溫度測(cè)量和液位的準(zhǔn)確測(cè)量功能。那么對(duì)于系統(tǒng)所應(yīng)用到的控制系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)控制技術(shù)，那么對(duì)于單片機(jī)技術(shù)，當(dāng)今時(shí)代已經(jīng)取得了階段行的進(jìn)展，目前市場(chǎng)上應(yīng)用最為廣泛的有單片機(jī)處理器、ARM處理器、DSP等。單片機(jī)技術(shù)是一種很特殊的技術(shù)，一個(gè)微小的單片機(jī)具備了很多模塊，其中包括CPU、儲(chǔ)存器和I/O接口模塊等。單片機(jī)是多模塊的集合體，具備了體積小，性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)，而且在使用過程當(dāng)中，它的可靠性非常的高。在多年的使用過程中，它憑借著自身的優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。其次，ARM為32位處理器，擁有比單片機(jī)更為豐富的內(nèi)部資源和外部接口功能，它的運(yùn)算速度幾乎能夠接近電子計(jì)算機(jī)的CPU速度。相對(duì)于單片機(jī)來說，ARM系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)比較偏向于控制，具有較強(qiáng)的組織管理功能，應(yīng)用的領(lǐng)域也不用于單片機(jī)，ARM多被應(yīng)用于手機(jī)，平板電腦等移動(dòng)設(shè)備的核心芯片。除了單片機(jī)和ARM之外就是DSP，被稱作是數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，顧名思義就是專門處理數(shù)字信號(hào)的芯片，擁有非常強(qiáng)大的數(shù)字處理能力，可以大批量的，高速度的進(jìn)行運(yùn)算處理，被應(yīng)用的領(lǐng)域也是高精尖的加密和解密等領(lǐng)域。由于本設(shè)計(jì)的控制數(shù)據(jù)只有溫度和液位二個(gè)量，執(zhí)行元件只有加熱片，墨泵和信息顯示屏等，所以綜合考慮，選擇性價(jià)比高，具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的單片機(jī)作為主控芯片。本設(shè)計(jì)采用STC12C5628AD單片機(jī)，它的特點(diǎn)是具有較高的運(yùn)算速度，同時(shí)低功耗和擁有超強(qiáng)抗干擾的能力等等，編程指令代碼完全與傳統(tǒng)8051的程序兼容，但是速度要快8～12倍，芯片內(nèi)部集成了中央處理器、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)器、A/D轉(zhuǎn)換、I/O接口、SPI接口、看門狗和外部晶體振蕩電路等。STC12C5628AD自身主要參數(shù)如下所示：工作電壓3.5～5.5V，F(xiàn)lash是8K，SRAM是786Byte，8路10位的A/D轉(zhuǎn)換和27個(gè)I/O端口。

控制系統(tǒng)框架示意圖如圖2所示，溫度傳感器PT100和壓力傳感器把采集的信號(hào)經(jīng)過采集電路傳給放大電路，信號(hào)經(jīng)過放大后準(zhǔn)確的送給STC12C5628AD單片機(jī)，單片機(jī)自身具有A/D轉(zhuǎn)換模塊，信號(hào)經(jīng)過轉(zhuǎn)換后進(jìn)行相應(yīng)的輸出，完成加熱片，墨泵和顯示屏的需求控制，除此之外，在整個(gè)控制系統(tǒng)上還安裝了串口通信模塊，可以進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)通信和軟件的更新。

本設(shè)計(jì)當(dāng)中的次級(jí)墨盒內(nèi)部設(shè)有壓力檢測(cè)裝置，型號(hào)為MPX2010DP，用于采集墨盒底部的壓強(qiáng)，通過簡(jiǎn)單的換算可得出墨水的液位高度。傳感器特性參數(shù)詳見表1。

MPX2010DP采用差分壓力測(cè)量法，有兩個(gè)壓力端口，即P1和P2，然后P1和P2做減法運(yùn)算，得到的值即為測(cè)量值。如圖3所示，對(duì)于次級(jí)墨盒來說，在測(cè)量時(shí)我們需要知道底部的壓力值，才能準(zhǔn)確地測(cè)得液面的高度，所以如將壓力傳感器連接在墨盒底部輸出開口處，這樣才能得到壓力值P。

XAAR500噴頭負(fù)壓需求為-0.1～0.5kPa，相當(dāng)于10～50mm的液面高度。本設(shè)計(jì)的核心部分，供墨系統(tǒng)所采用的壓力方式為液位高度差，此處所謂的高差指系統(tǒng)墨水的最低處與墨水最高點(diǎn)之間的差值。墨盒內(nèi)液位需控制在60～100mm，如圖4所示。

在實(shí)際設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，必須綜合考慮諸多因素，比如：系統(tǒng)工作的頻率，管路中墨水的流速和流量等。權(quán)衡各方面的因素之后，決定墨泵開啟的閥值為65mm，關(guān)閉閥值定為98mm，墨水液位控制策略為H大于98mm關(guān)閉油墨泵，H小于65mm開啟油墨泵。

在溫度測(cè)量模塊，本設(shè)計(jì)采用的是全方位立體式測(cè)量方式，其溫度傳感器的型號(hào)為PT100鉑熱電阻。此溫度傳感器的特性是電阻與環(huán)境溫度成正比，通過電阻值換算出對(duì)應(yīng)的溫度值。對(duì)于PT100來說，測(cè)量溫度的方式有恒流源法和惠斯頓電橋法。首先，恒流源法指將一個(gè)恒流源接通鉑熱電阻，作用是檢測(cè) PT100上電壓的變化范圍；另一個(gè)是采用專門的惠斯頓電橋，測(cè)量PT100阻值的變化所產(chǎn)生的電勢(shì)差值。上述兩種方法中，惠斯頓電橋法所得到的誤差較大，而且后期的換算處理過程繁瑣，所以本設(shè)計(jì)采用相對(duì)較簡(jiǎn)單，而且誤差較小的恒流源法。通過PT100的電流的大小會(huì)對(duì)測(cè)量產(chǎn)生不可忽略的影響，電流過小的話會(huì)降低信噪比，而電流過大的話會(huì)使得PT100自熱效應(yīng)非常明顯，產(chǎn)生測(cè)量誤差，權(quán)衡了各方面因素之后，選擇了1mA電流，可以達(dá)到系統(tǒng)需求。系統(tǒng)溫度測(cè)量的準(zhǔn)確程度有很多影響因素，其中就包括恒流源，所以出于設(shè)計(jì)的要求，選擇TL431構(gòu)成的恒流源，就有誤差小和抗干擾性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

數(shù)碼噴墨印刷供墨系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與測(cè)試

上文根據(jù)噴碼機(jī)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)了功能完善的硬件部分，接下來將對(duì)噴碼機(jī)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)進(jìn)行整體的研究。對(duì)于一個(gè)控制系統(tǒng)來說，達(dá)到正常工作的目的，僅僅依靠基礎(chǔ)硬件部分是不足的，還得需要軟件部分的支持才可以構(gòu)成一個(gè)完整可靠的控制系統(tǒng)。給出系統(tǒng)的控制軟件實(shí)現(xiàn)方法。

數(shù)碼噴墨印刷供墨系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，硬件設(shè)計(jì)作為基礎(chǔ)，在軟件的配合下完成預(yù)期的目標(biāo)功能。硬件的設(shè)計(jì)存在通用性，而軟件設(shè)計(jì)大多數(shù)工作是針對(duì)某個(gè)特定對(duì)象，完成硬件不能夠完成的功能。軟件的設(shè)計(jì)十分具有靈活性，可以根據(jù)功能需求不斷變化。

系統(tǒng)的智能控制通過單片機(jī)來完成，溫度控制系統(tǒng)的編程使用了模塊化的設(shè)計(jì)方式，把我們所要實(shí)現(xiàn)的所有功能分塊實(shí)現(xiàn)與調(diào)試，全部調(diào)試成功后，把各個(gè)模塊通過程序連接在一起，便構(gòu)成了整個(gè)單片機(jī)軟件的系統(tǒng)。之所以采取這樣的編程方式，是因?yàn)楹罄m(xù)在程序有調(diào)試，維護(hù)以及升級(jí)時(shí)便于操作。我們所使用的系統(tǒng)是由系統(tǒng)主程序、各功能子程序以及中斷程序3個(gè)部分構(gòu)成。主程序負(fù)責(zé)調(diào)取子程序，連接各個(gè)模塊所單獨(dú)實(shí)現(xiàn)的功能。中斷程序顧名思義就是處理中斷時(shí)間。當(dāng)主程序完成初始化以后，依次執(zhí)行子模塊中的程序，當(dāng)中斷發(fā)生或者達(dá)到預(yù)定義的時(shí)間（所設(shè)置的控制時(shí)間），系統(tǒng)便執(zhí)行中斷程序，直至中斷程序處理完畢再次跳回中斷前所處的狀態(tài)，主程序繼續(xù)執(zhí)行。

整個(gè)控制系統(tǒng)分為兩個(gè)部分，分別為溫度控制和液位控制。如圖4所示，在采樣時(shí)間內(nèi)得到的采樣值小于65mm時(shí)，則開啟油墨泵，如果液位大于98mm時(shí)，則關(guān)閉油墨泵，但是如果液位小于65mm時(shí)又無明顯上升趨勢(shì)時(shí)，這就說明墨盒當(dāng)中的剩余量少于5cm，這時(shí)操作液位控制開關(guān)進(jìn)行關(guān)閉操作，停止運(yùn)行墨泵，與此同時(shí)，顯示屏需要顯示相應(yīng)警告信息，這種狀態(tài)如果繼續(xù)下去，墨盒液位持續(xù)降低到62mm時(shí)，由串口發(fā)出警告信號(hào)傳到打印系統(tǒng)總控制臺(tái)，控制停止打印任務(wù)。

STC12C5628AD單片機(jī)可以通過PID控制的計(jì)算，將溫度誤差帶入到上個(gè)表達(dá)式里，最后輸出的值則對(duì)PWM方波的占空比有決定性的作用，同時(shí)也會(huì)對(duì)加熱片的實(shí)際工作加以控制，在對(duì)溫度的控制過程中我們可以為了增大系統(tǒng)前期的溫度響應(yīng)來進(jìn)行分步的操作，本課題可以通過設(shè)定溫度閾值Tset，當(dāng)溫度低于該閾值時(shí)，加熱片會(huì)持續(xù)進(jìn)行加熱。而當(dāng)溫度大于閾值時(shí)，則需要PID控制來調(diào)節(jié)加熱片，達(dá)到穩(wěn)定控制的目的。

在本設(shè)計(jì)當(dāng)中，對(duì)于油墨泵的控制與設(shè)定的初始值密切相關(guān)。如果檢測(cè)到的液位高度小于設(shè)定初始值，則油墨泵開啟，進(jìn)行補(bǔ)墨操作；否則油墨泵處于關(guān)閉狀態(tài)，這樣就使系統(tǒng)液位維持在設(shè)置初始值的固定高度。詳細(xì)中斷控制程序框架如圖7所示。

就本設(shè)計(jì)而言，次級(jí)墨盒溫度控制系統(tǒng)是非線性和大慣性的時(shí)變系統(tǒng)，而且要求其溫度響應(yīng)速度要快。所以本系統(tǒng)的整個(gè)升溫過程由3個(gè)階段組成（如圖8所示），分別是：快速升溫過程、微調(diào)升溫過程、保持恒溫過程，其操作方法就是為這幾個(gè)過程找一個(gè)分界點(diǎn)，即設(shè)置一個(gè)溫度閥值?？焖偕郎剡^程一定要做到升溫的快速性，其實(shí)就是為了在盡可能短的時(shí)間內(nèi)將溫度迅速提升到目標(biāo)溫度閥值T1；然后是微調(diào)升溫過程，在這個(gè)過程中要求系統(tǒng)能對(duì)加熱組件進(jìn)行精細(xì)控制，使墨水溫度緩緩升高，直至達(dá)到系統(tǒng)的目標(biāo)溫度T；最后是恒溫過程，在此過程中系統(tǒng)需要對(duì)加熱組件進(jìn)行間歇性的控制，要通過這樣連續(xù)的控制把墨水的溫度穩(wěn)定在系統(tǒng)要求的范圍中?？刂颇纳郎厥峭ㄟ^傳感器測(cè)量墨水溫度然后傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中，接著MCU運(yùn)算后經(jīng)過PWM接口傳輸信號(hào)至執(zhí)行機(jī)構(gòu)，進(jìn)而控制加熱組件的運(yùn)行與否，最終達(dá)到控制次級(jí)墨盒的熱量實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)控制溫度的方法不止是從主墨盒中添加墨水這一種，且控制溫度過程中不計(jì)算熱傳導(dǎo)等方式的熱量損失，因此對(duì)溫度產(chǎn)生主要影響的就是加熱組件，控制好加熱組件就有了對(duì)溫度的主動(dòng)直接的控制權(quán)。在系統(tǒng)的整個(gè)溫度控制過程中，應(yīng)該盡量控制溫度不要超過目標(biāo)溫度，因?yàn)槿绻疁囟雀哂谙到y(tǒng)目標(biāo)溫度，而系統(tǒng)降溫只能依靠熱傳導(dǎo)消耗，所以無法使溫度及時(shí)回到目標(biāo)溫度。

溫度控制系統(tǒng)并不是簡(jiǎn)單的線性系統(tǒng)，而是參數(shù)不斷變化的，有時(shí)滯性和外界干擾的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，要讓系統(tǒng)的控制效果理想化就得尋求更高級(jí)的控制策略，PID控制就是不錯(cuò)的選擇，它在實(shí)現(xiàn)應(yīng)用中也是最為廣泛。經(jīng)過長時(shí)間發(fā)展的PID控制器不僅僅技術(shù)發(fā)展成熟，并且具有眾多優(yōu)點(diǎn)，如：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、性能可靠等，對(duì)于建立精確數(shù)學(xué)模型的控制系統(tǒng)尤為適合，可通過比例、積分、微分環(huán)節(jié)將系統(tǒng)誤差計(jì)算得出控制量，再對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，原理框圖如圖9。

模糊PID控制器包括兩部分：常規(guī)PID控制器和模糊控制器，如圖10所示。e（t）和 ec（t）作為模糊控制器的輸入，e（t）和ec（t）分別是系統(tǒng)偏差和偏差變化率，PID的3個(gè)參數(shù)變化量作為輸出，最后通過模糊整定后的PID控制器輸出，達(dá)到控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作的目的。圖11為控制流程。

本設(shè)計(jì)的目的在于設(shè)計(jì)出一種單獨(dú)運(yùn)行的機(jī)電一體化裝備，供墨系統(tǒng)作為核心部分，此供墨系統(tǒng)具有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，可以隨意的安裝在其他需要的設(shè)備上。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)的供給方式為高度壓差負(fù)壓法，這就造成在安裝過程當(dāng)中必須人為的設(shè)定高度差，主機(jī)部分在下方，包括主墨盒，墨泵和過濾裝置以及相關(guān)的控制面板，顯示屏等等，基于方便快捷的想法考慮，供墨系統(tǒng)的主機(jī)部分大小為：40cm×10cm×30cm，次級(jí)墨盒位于上方，具體裝配效果如圖12、13、14所示。

系統(tǒng)的測(cè)試主要包括以下幾個(gè)方面：

①單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換的實(shí)際電壓；

②AD620調(diào)零程序的補(bǔ)償結(jié)果；

③OP7調(diào)零程序的補(bǔ)償結(jié)果；

④MPX2010P壓力傳感器的測(cè)試；

⑤系統(tǒng)采樣周期的設(shè)定，需要不斷地調(diào)試取得最佳值。

經(jīng)過系統(tǒng)的調(diào)試，系統(tǒng)在室溫為18℃，墨盒當(dāng)中的滿液位時(shí)，系統(tǒng)需要9.06分鐘的時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，其穩(wěn)定溫度為30℃，溫度誤差為0.4℃。本系統(tǒng)裝備了信息顯示屏，現(xiàn)實(shí)的信息包括運(yùn)行的溫度，液位的高度和緊急狀況發(fā)出的警報(bào)，除此之外，為了便于后期的維護(hù)和拓展，人性化的設(shè)計(jì)了串口通信，完成系統(tǒng)集成。

硬件設(shè)計(jì)是數(shù)碼噴墨印刷供墨系統(tǒng)基礎(chǔ)部分，軟件的支撐可以使系統(tǒng)更加靈活，功能更加完善。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和微電子技術(shù)的快速發(fā)展，單片機(jī)控制系統(tǒng)在工業(yè)過程控制、汽車制造、軍事等消費(fèi)類產(chǎn)品行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。基于單片機(jī)的數(shù)碼噴墨印刷控制系統(tǒng)是微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在印刷領(lǐng)域的重大發(fā)展，為微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的推廣和數(shù)碼噴墨印刷技術(shù)的進(jìn)步起到了非常重要的推動(dòng)作用。數(shù)碼噴墨印刷技術(shù)的研制開發(fā)，主要是為了改變目前國內(nèi)噴墨印刷設(shè)備過于依賴進(jìn)口產(chǎn)品的局面，數(shù)碼噴墨控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是數(shù)碼噴墨研制開發(fā)中至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。

本文在分析了數(shù)碼噴墨印刷系統(tǒng)的組成和工作原理及市場(chǎng)功能需求的基礎(chǔ)上進(jìn)行了對(duì)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì)的討論。根據(jù)供墨系統(tǒng)功能要求，設(shè)計(jì)了相對(duì)應(yīng)的供墨系統(tǒng)，采用51單片機(jī)為平臺(tái)，結(jié)合相應(yīng)壓力溫度傳感器和執(zhí)行器，有機(jī)地結(jié)合了XAAR500噴頭，開發(fā)出一套機(jī)電一體化獨(dú)立供墨系統(tǒng)。

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