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数码喷墨印刷供墨系统硬件与软件设计和分析
目前供墨系统主要要完成的功能是为喷头提供合适的压力,保持墨水弯月面在适当的范围内,保证喷头有连续可靠的工作时间.压力主要是通过虹吸、位差气压或液压泵来产生.其中虹吸和位差法结构简单,但使用调整麻烦、稳定性相对较差.气压和液压泵法调节性好,稳定性也不错,但是设备复杂,集成性能较差.压力的自动调节无疑是未来供墨系统的必须功能之一,从简单的单墨盒,到有二级墨盒的缓冲,提高系统的控制精度,再到自动控制功能的加入,作为喷头的配套设备,供墨系统的精确性已经日益受到人们的重视,机电一体化子系统的独立运行是供墨系统未来的发展方向.同时随着数码喷墨打印技术应用范围的不断扩展,各种印刷墨水的功能正在不断的创新,喷头对墨水特性的要求也变得越来越高,保证喷头有效工作的前提是保持供墨系统中墨水的特性稳定.另外,提高供墨系统的普遍应用性和喷头间的兼容性能也能够大幅度缩短喷墨系统的开发周期和研究成本.目前的供墨系统控制性差、集成度低、设备复杂以及无法对墨水特性进行调节等成为了普遍的不足,因此,开发出一套结构简单、性能优异、墨水特性和供墨特性好并且能独立运行、控制参数可调的可扩展的供墨系统对于我国现阶段的喷墨印刷系统的开发具有重大意义.
数码喷墨印刷供墨系统硬件设计
本文所提出如图1所示的供墨系统,由主墨盒、次级墨盒、油墨泵、过滤器以及检测反馈控制系统等组成.容量较小的次级墨盒储存少量的经过过滤的墨水,用我们特定的压力给喷头提供墨流.直到次级墨盒里面的墨水消耗至一定程度,小型墨泵便开始从墨盒中抽取墨水,与此同时次级墨盒通过墨水过滤器补充消耗的墨水.次级墨盒内的液压传感器和温度传感器以及主墨盒中的液位开关和系统的控制面板,都是检测反馈系统的一部分.通过系统中传感器所检测到的信号,把检测到的温度以及液位信息全部传输给控制面板,控制面版执行内部程序对数据进行处理,对油墨泵以及加热装置进行开关控制,从而控制系统的油墨温度,喷头负压以及其他保证正常工作的要求的条件.
为了使供墨系统成为一个独立的机电一体化装备,那么必须具有数据采集功能和数字控制功能,才能具有温度测量和液位的准确测量功能.那么对于系统所应用到的控制系统,本设计采用单片机控制技术,那么对于单片机技术,当今时代已经取得了阶段行的进展,目前市场上应用最为广泛的有单片机处理器、ARM处理器、DSP等.单片机技术是一种很特殊的技术,一个微小的单片机具备了很多模块,其中包括CPU、储存器和I/O接口模块等.单片机是多模块的集合体,具备了体积小,性价比高的优点,而且在使用过程当中,它的可靠性非常的高.在多年的使用过程中,它凭借着自身的优势被广泛应用于工业控制领域.其次,ARM为32位处理器,拥有比单片机更为丰富的内部资源和外部接口功能,它的运算速度几乎能够接近电子计算机的CPU速度.相对于单片机来说,ARM系统的优点比较偏向于控制,具有较强的组织管理功能,应用的领域也不用于单片机,ARM多被应用于手机,平板电脑等移动设备的核心芯片.除了单片机和ARM之外就是DSP,被称作是数字信号处理技术,顾名思义就是专门处理数字信号的芯片,拥有非常强大的数字处理能力,可以大批量的,高速度的进行运算处理,被应用的领域也是高精尖的加密和解密等领域.由于本设计的控制数据只有温度和液位二个量,执行元件只有加热片,墨泵和信息显示屏等,所以综合考虑,选择性价比高,具有绝对优势的单片机作为主控芯片.本设计采用STC12C5628AD单片机,它的特点是具有较高的运算速度,同时低功耗和拥有超强抗干扰的能力等等,编程指令代码完全与传统8051的程序兼容,但是速度要快8～12倍,芯片内部集成了处理器、定时/计数器、数据和程序存储器、A/D转换、I/O接口、SPI接口、看门狗和外部晶体振荡电路等.STC12C5628AD自身主要参数如下所示：工作电压3.5～5.5V,Flash是8K,SRAM是786Byte,8路10位的A/D转换和27个I/O端口.
控制系统框架示意图如图2所示,温度传感器PT100和压力传感器把采集的信号经过采集电路传给放大电路,信号经过放大后准确的送给STC12C5628AD单片机,单片机自身具有A/D转换模块,信号经过转换后进行相应的输出,完成加热片,墨泵和显示屏的需求控制,除此之外,在整个控制系统上还安装了串口通信模块,可以进行相应的数据通信和软件的更新.
本设计当中的次级墨盒内部设有压力检测装置,型号为MPX2010DP,用于采集墨盒底部的压强,通过简单的换算可得出墨水的液位高度.传感器特性参数详见表1.
MPX2010DP采用差分压力测量法,有两个压力端口,即P1和P2,然后P1和P2做减法运算,得到的值即为测量值.如图3所示,对于次级墨盒来说,在测量时我们需要知道底部的压力值,才能准确地测得液面的高度,所以如将压力传感器连接在墨盒底部输出开口处,这样才能得到压力值P.
XAAR500喷头负压需求为-0.1～0.5kPa,相当于10 50mm的液面高度.本设计的核心部分,供墨系统所采用的压力方式为液位高度差,此处所谓的高差指系统墨水的最低处与墨水最高点之间的差值.墨盒内液位需控制在60～100mm,如图4所示.
在实际设计系统时,必须综合考虑诸多因素,比如：系统工作的频率,管路中墨水的流速和流量等.权衡各方面的因素之后,决定墨泵开启的阀值为65mm,关闭阀值定为98mm,墨水液位控制策略为H大于98mm关闭油墨泵,H小于65mm开启油墨泵.
在温度测量模块,本设计采用的是全方位立体式测量方式,其温度传感器的型号为PT100铂热电阻.此温度传感器的特性是电阻与环境温度成正比,通过电阻值换算出对应的温度值.对于PT100来说,测量温度的方式有恒流源法和惠斯顿电桥法.首先,恒流源法指将一个恒流源接通铂热电阻,作用是检测PT100上电压的变化范围；另一个是采用专门的惠斯顿电桥,测量PT100阻值的变化所产生的电势差值.上述两种方法中,惠斯顿电桥法所得到的误差较大,而且后期的换算处理过程繁琐,所以本设计采用相对较简单,而且误差较小的恒流源法.通过PT100的电流的大小会对测量产生不可忽略的影响,电流过小的话会降低信噪比,而电流过大的话会使得PT100自热效应非常明显,产生测量误差,权衡了各方面因素之后,选择了1mA电流,可以达到系统需求.系统温度测量的准确程度有很多影响因素,其中就包括恒流源,所以出于设计的要求,选择TL431构成的恒流源,就有误差小和抗干扰性强的优势.
数码喷墨印刷供墨系统软件设计与测试
上文根据喷码机系统总体设计方案设计了功能完善的硬件部分,接下来将对喷码机系统软件的设计进行整体的研究.对于一个控制系统来说,达到正常工作的目的,仅仅依靠基础硬件部分是不足的,还得需要软件部分的支持才可以构成一个完整可靠的控制系统.给出系统的控制软件实现方法.
数码喷墨印刷供墨系统的软件设计是整个控制系统设计的核心,硬件设计作为基础,在软件的配合下完成预期的目标功能.硬件的设计存在通用性,而软件设计大多数工作是针对某个特定对象,完成硬件不能够完成的功能.软件的设计十分具有灵活性,可以根据功能需求不断变化.
系统的智能控制通过单片机来完成,温度控制系统的编程使用了模块化的设计方式,把我们所要实现的所有功能分块实现与调试,全部调试成功后,把各个模块通过程序连接在一起,便构成了整个单片机软件的系统.之所以采取这样的编程方式,是因为后续在程序有调试,维护以及升级时便于操作.我们所使用的系统是由系统主程序、各功能子程序以及中断程序3个部分构成.主程序负责调取子程序,连接各个模块所单独实现的功能.中断程序顾名思义就是处理中断时间.当主程序完成初始化以后,依次执行子模块中的程序,当中断发生或者达到预定义的时间（所设置的控制时间）,系统便执行中断程序,直至中断程序处理完毕再次跳回中断前所处的状态,主程序继续执行.
整个控制系统分为两个部分,分别为温度控制和液位控制.如图4所示,在采样时间内得到的采样值小于65mm时,则开启油墨泵,如果液位大于98mm时,则关闭油墨泵,但是如果液位小于65mm时又无明显上升趋势时,这就说明墨盒当中的剩余量少于5cm,这时操作液位控制开关进行关闭操作,停止运行墨泵,与此同时,显示屏需要显示相应警告信息,这种状态如果继续下去,墨盒液位持续降低到62mm时,由串口发出警告信号传到打印系统总控制台,控制停止打印任务.过PID控制的计算,将温度误差带入到上个表达式里,最后输出的值则对PWM方波的占空比有决定性的作用,同时也会对加热片的实际工作加以控制,在对温度的控制过程中我们可以为了增大系统前期的温度响应来进行分步的操作,本课题可以通过设定温度阈值Tset,当温度低于该阈值时,加热片会持续进行加热.而当温度大于阈值时,则需要PID控制来调节加热片,达到稳定控制的目的.
在本设计当中,对于油墨泵的控制与设定的初始值密切相关.如果检测到的液位高度小于设定初始值,则油墨泵开启,进行补墨操作；否则油墨泵处于关闭状态,这样就使系统液位维持在设置初始值的固定高度.详细中断控制程序框架如图7所示.
就本设计而言,次级墨盒温度控制系统是非线性和大惯性的时变系统,而且要求其温度响应速度要快.所以本系统的整个升温过程由3个阶段组成（如图8所示）,分别是：快速升温过程、微调升温过程、保持恒温过程,其操作方法就是为这几个过程找一个分界点,即设置一个温度阀值.快速升温过程一定要做到升温的快速性,其实就是为了在尽可能短的时间内将温度迅速提升到目标温度阀值T1；然后是微调升温过程,在这个过程中要求系统能对加热组件进行精细控制,使墨水温度缓缓升高,直至达到系统的目标温度T；最后是恒温过程,在此过程中系统需要对加热组件进行间歇性的控制,要通过这样连续的控制把墨水的温度稳定在系统要求的范围中.控制墨水的升温是通过传感器测量墨水温度然后传输到单片机中,接着MCU运算后经过PWM接口传输信号至执行机构,进而控制加热组件的运行与否,最终达到控制次级墨盒的热量实现的.系统控制温度的方法不止是从主墨盒中添加墨水这一种,且控制温度过程中不计算热传导等方式的热量损失,因此对温度产生主要影响的就是加热组件,控制好加热组件就有了对温度的主动直接的控制权.在系统的整个温度控制过程中,应该尽量控制温度不要超过目标温度,因为如果墨水温度高于系统目标温度,而系统降温只能依靠热传导消耗,所以无法使温度及时回到目标温度.
温度控制系统并不是简单的线性系统,而是参数不断变化的,有时滞性和外界干扰的动态系统,要让系统的控制效果理想化就得寻求更高级的控制策略,PID控制就是不错的选择,它在实现应用中也是最为广泛.经过长时间发展的PID控制器不仅仅技术发展成熟,并且具有众多优点,如：结构简单、操作方便、性能可靠等,对于建立精确数学模型的控制系统尤为适合,可通过比例、积分、微分环节将系统误差计算得出控制量,再对系统进行控制,原理框图如图9.
模糊PID控制器包括两部分：常规PID控制器和模糊控制器,如图10所示.e（t）和 ec（t）作为模糊控制器的输入,e（t）和ec（t）分别是系统偏差和偏差变化率,PID的3个参数变化量作为输出,最后通过模糊整定后的PID控制器输出,达到控制执行机构动作的目的.图11为控制流程.
本设计的目的在于设计出一种单独运行的机电一体化装备,供墨系统作为核心部分,此供墨系统具有统一的标准,可以随意的安装在其他需要的设备上.因为本设计的供给方式为高度压差负压法,这就造成在安装过程当中必须人为的设定高度差,主机部分在下方,包括主墨盒,墨泵和过滤装置以及相关的控制面板,显示屏等等,基于方便快捷的想法考虑,供墨系统的主机部分大小为：40cm×10cm×30cm,次级墨盒位于上方,具体装配效果如图12、13、 14所示.
系统的测试主要包括以下几个方面：
①单片机A/D转换的实际电压；
②AD620调零程序的补偿结果；
③OP7调零程序的补偿结果；
④MPX2010P压力传感器的测试； ⑤系统采样周期的设定,需要不断地调试取得最佳值.
经过系统的调试,系统在室温为18℃,墨盒当中的满液位时,系统需要9.06分钟的时间才能达到稳定状态,其稳定温度为30℃,温度误差为0.4℃.本系统装备了信息显示屏,现实的信息包括运行的温度,液位的高度和紧急状况发出的警报,除此之外,为了便于后期的维护和拓展,人性化的设计了串口通信,完成系统集成.
硬件设计是数码喷墨印刷供墨系统基础部分,软件的支撑可以使系统更加灵活,功能更加完善.
随着计算机技术的进步和微电子技术的快速发展,单片机控制系统在工业过程控制、汽车制造、军事等消费类产品行业得到了广泛的应用.基于单片机的数码喷墨印刷控制系统是微型计算机控制系统在印刷领域的重大发展,为微型计算机系统的推广和数码喷墨印刷技术的进步起到了非常重要的推动作用.数码喷墨印刷技术的研制开发,主要是为了改变目前国内喷墨印刷设备过于依赖进口产品的局面,数码喷墨控制系统的设计是数码喷墨研制开发中至关重要的一个环节.
本文在分析了数码喷墨印刷系统的组成和工作原理及市场功能需求的基础上进行了对控制系统的硬件设计以及软件设计的讨论.根据供墨系统功能要求,设计了相对应的供墨系统,采用51单片机为平台,结合相应压力温度传感器和执行器,有机地结合了XAAR500喷头,开发出一套机电一体化独立供墨系统.
作者单位：深圳市贤俊龙彩印有限公司
责任编辑：李倩 liqian@cprint.cn
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