基于STM32的保温杯保温性能检测系统设计

基于STM32的保温杯保温性能检测系统设计

徐翔

深圳市米拉宝家庭用品有限公司 518116

摘键要：针对当前保温杯保温性能检测中人工检测准确度低、效率不高等问题，提出了一种基于STM32的保温杯保温性能检测系统的设计方案，并进行理论分析与实验验证。该方案以STM32F103ZET6为处理核心，采用红外温度传感器MLX90614、电磁感应接近开关、USB转串口芯片CH340等器件，实现了检测系统的软硬件设计，最后基于Qt开发了保温杯实时检测系统。实验测试表明，本检测系统测量精度高、稳定性好，能够无损、准确地检测出保温性能不合格的保温杯并实时报警，实现了保温杯保温性能检测的自动化，对实际工业生产检测具有重要意义。

关键词：保温性能检测；红外线测温；软件设计

在保温杯生产过程中保温性能的检测是十分重要的环节，其检测结果直接决定了保温杯生产质量是否合格。目前对保温杯保温性能的检测方法主要有泡水测温法、蒸汽测温法、压力测温法、特尔摩斯法等，其中蒸汽测温法可以实现半机械化操作，且其消耗的能源、资源相对较少，在工业生产检测中广泛应用。蒸汽测温法是向保温杯内部注入高温蒸汽，间隔一定时间后再由生产人员主观感知保温杯外部是否有明显发热现象，若保温杯外部出现明显发热现象则说明保温性能不合格，反之则说明保温性能合格。显然生产人员主观进行检测的方式其检测结果准确度不高，且效率较低，已经越来越不能满足工业生产规模化、精益化等要求。

1.2 MLX90614测温原理及结构方案

为防止检测过程对保温杯表面造成二次损伤，本系统采用非接触式红外温度传感MLX90614测量保温杯表面温度，其测温范围为-70°C～380°C，最高测温精度可达0.5°C。传感器内部集成红外探测热电堆MLX81101和信号处理芯片MLX90302。红外探测热电堆MLX81101主要由微型热电偶组成，热端固定在感温薄膜上，冷端与芯片基体直接相连。感温薄膜吸收被测目标辐射出的红外能量后使得热端温度升高或降低，热端与冷端的温度差则会导致热电堆MLX81101产生相应的电势差。信号处理芯片MLX90302根据热电堆MLX81101的电势差和冷端温度信号即可计算出被测目标的温度[5]。为减少工业生产中环境因素的干扰，本设计方案在红外温度传感器MLX90614与被测目标之间增设了红外光学滤波器，如图1所示。该红外光学滤波器主要用于截断可见光和近红外辐射，以此来提高红外温度传感MLX90614的抗干扰能力。可透过该红外光学滤波器的波长范围为5.5μm～14μm，根据维恩位移定律λT=2.9×10-3m·k可知，此时红外温度传感器MLX90614可测量的目标温度范围约为-66°C～254.12°C，满足本方案0°C～220°C的测温要求。

                           图1 MLX90614测温结构

2 系统硬件设计本检测系统硬件总体结构主要包括红外测温模块、感应模块、报警模块、电源模块以及串口通信模块，硬件总体方案如图2所示。

2.1 红外测温模块硬件设计红外测温模块主要由红外温度传感器MLX90614及其信号处理电路组成，其中传感器MLX90614实现对保表面温度的非接触式测量，信号处理电路则主要负责传感器MLX90614的驱动控制以及信号传输等功能，其相应的电路原理图如图3所示。

                     图2 系统总体硬件方案图

                     图3 红外测温模块电路  

由于本检测系统采用24V外接电源进行供电，而传感器MLX90614其工作电压为3.3V，故采用电源芯片LM2596-3.3将24V电平转换为3.3V电平完成对传感器的驱动供电。红外温度传感器MLX90614采用二线制SMBus通信协议与STM32单片机进行通信，时钟引脚SCL和数据引脚SDA与STM32单片机I/O引脚直接连接。此时传感器MLX90614引脚被配置为开漏模式，时钟引脚SCL和数据引脚SDA均需要10kΩ上拉电阻才能正常工作。

2.2 感应模块硬件设计为确定当前检测工位是否有待检测的保温杯杯体，本检测系统设计了保温杯杯体感应模块。感应模块主要采用了台邦公司的TB1204-N型接近开关，其主要对当前工位是否存在保温杯杯体进行非接触式感应检测。TB1204-N型接近开关采用电磁感应式的工作原理，具有响应速度快、检测结果准确、接线简单等优点，在工业生产中广泛应用，其电路原理图如图4所示。图4 感应模块电路原理图STM32F103ZET6核心处理器串口通信上位机电源模块报警模块感应模块MLX90614红外测温模块图2 系统总体硬件方案图。

                            图4 感应模块电路

2.3 报警模块硬件设计在工业生产检测中为及时提醒生产人员筛选出保温性能不合格的保温杯杯体，本系统采用了施耐德公司的XB2-BSB4LC型带灯蜂鸣器作为报警指示器，其内部集成有报警灯和蜂鸣器，可同时进行声光报警指示，且其响应速度快，可直接采用24V直流电源进行驱动。

2.4 串口通信模块硬件设计本检测系统采用USB转串口芯片CH340完成与上位机的通信。CH340芯片内置了USB上拉电阻，其UD+和UD-引脚可直接连接到USB总线上，可与计算机端的串口应用程序完全兼容，易于实现硬件系统与上位机的双向数据通信。

3 系统程序设计本检测系统程序采用了模块化的程序设计方法，主要包括主程序设计、红外测温模块程序设计以及串口通信协议设计等内容。

3.1 主程序设计检测系统上电复位后，首先根据上位机指令执行系统的初始化工作，初始化温度阈值与相关红外温度传感器的发射率；系统初始化完成后进入监听模式，等待感应模块触发外部中断进入中断服务程序；在中断服务程序中，STM32单片机控制红外温度传感器MLX90614对待检测的保温杯杯底表面温度进行非接触式测量，并将实测值与系统预设的温度阈值进行比较，判断当前检测的保温杯保温性能是否合格，若保温杯不合格则立即进行声光报警指示；最后将检测数据发送给上位机，退出中断服务程序继续进入监听模式，等待感应模块触发外部中断进行下一次的检测。

3.2 红外测温模块程序设计本检测系统中STM32单片机采用SMBus协议来实现对红外温度传感器MLX90614的控制和温度数据的读取。SMBus协议是一种二线制的串行通信协议，其对应引脚为SCL引脚和SDA引脚，其中SCL引脚为时钟引脚，SDA引脚为串行数据输入/输出引脚。系统采用主从工作模式：STM32单片机作为主控器，负责提供同步时钟、起始位、停止位以及数据收发；红外温度传感器MLX90614则作为从控器，负责接收同步时钟、指令以及数据收发。STM32单片机控制红外温度传感器MLX90614读取一次温度数据的程序流程图如图6所示。在读取一次温度数据的过程中，红外温度传感器MLX90614接收到指令数据后都会发送确认应答，并且STM32单片机接收数据后也需要向传感器发送确认信号，以此来保证二者之间数据传输的完整性。若接收到的温度数据CRC校验不正确，则直接丢弃数据并返回读取错误标志。

4.结语

本文提出了一种基于STM32的保温杯保温性能检测系统的设计方案，采用模块化的设计思想对各个模块进行合理设计。经过理论分析与实验验证，证明该设计方案能够满足对保温杯保温性能无损、自动化检测的目的和效果，对应用于保温杯保温性能实际工业生产检测具有重要意义。

参考文献

[1] 廖平,鲁晓亮.基于STM32的重金属电化学传感器设计[J].仪表技术与传感器,2019(09):1

[2] 金辉,王晓岚,孙健.红外测温仪测量准确度的影响因素分析及修正方法[J].上海计量测试,2019,46(5

[3] 孙成,潘明强,王阳俊,等.噪声对红外测温性能的影响研究[J].红外技术,2019,41(04):37