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基于单片机的非接触在线自动测温装置的研究.pdf
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摘 要
I
摘 要
丁腈手套生产车间内测量生产线上手模温度,对整个生产工艺至关重要,通常
采用人工手持红外测温枪进行抽样检测,此方法存在工作效率低、测温精度受人为
因素影响较大等弊端,高速测温装置因价格较贵,在中小型企业中不普及。基于单
片机的非接触在线自动测温装置的研究致力于研发一种性价比高、在线、自动、精
准的测温装置,缓解手套生产车间对生产线上物体测温存在的问题,同时提高企业
经济效益。
基于单片机的非接触在线自动测温装置主要包括测温装置设计和上位机监控系
统开发,测温装置为机电一体化的控制系统,使用 STM32F407ZGT6 微控制器作为
测温装置的控制核心,KEIL 开发环境与标准库函数,完成测温装置程序算法编写。
机械结构采用步进电机、减速器和轴传动的方式,通过精准定位和调速来追踪移动
手模,步进电机带齿轮和齿条传动,在测温装置转动过程中,调整红外温度传感器
和手模之间的测温距离不改变,保证了测温的准确性。加入掉电检测和保存数据功
能,提高测温装置性能。OV2640 摄像头模块采集生产线图像,显示在液晶屏上,程
序中通过格式转换、颜色识别、腐蚀等算法处理保存在存储器中的生产线图像,当
手模经过时被识别到,开始温度采集和 AD 转换,根据手模中心坐标处于摄像头探
头的位置来控制步进电机协调运动,追踪手模一段时间后停止,将追踪期间采集和
转换的手模温度数字量运算成手模温度值显示在显示屏上,通过 RS485 接口、modbus
协议把手模温度数字量通讯给上位机监控系统,显示成手模温度实时曲线图并保存
温度历史数据,方便操作人员及时查看手模温度并加以控制,测温一个周期结束后
返回原始位置等待下一个手模的到来。
本文介绍了课题有关的研究背景和国内外发展现状,详细阐述了基于单片机的
非接触在线自动测温装置的机械结构设计、硬件电路设计与搭建、识别与处理生产
线上手模图像等软件程序的编写、上位机监控系统设计,最后对整个测温装置的软
硬件进行了调试,结果表明,测温装置运行良好,基本实现了功能要求。
关键字 STM32 控制器;自动测温;OV2640 图像传感器;图像识别与处理;红外
温度传感器
目 录
V
目 录
摘 要 ................................................................................................................................... I
Abstract .............................................................................................................................. III
目 录 ................................................................................................................................. V
第 1 章 绪 论 .................................................................................................................. 1
1.1 课题研究背景 ......................................................................................................... 1
1.2 课题研究现状及发展趋势 ..................................................................................... 2
1.2.1 非接触红外测温技术国内外研究现状 .......................................................... 2
1.2.2 物体温度检测应用现状 .................................................................................. 4
1.2.3 图像识别技术国内外研究现状 ...................................................................... 5
1.3 课题概述 ................................................................................................................. 6
1.3.1 课题意义 .......................................................................................................... 6
1.3.2 课题主要工作内容 .......................................................................................... 7
1.4 本章小结 ................................................................................................................. 8
第 2 章 测温装置机械结构和测温路线的设计 .............................................................. 9
2.1 手模温度测量技术要求 ......................................................................................... 9
2.2 机械结构方案的分析 ........................................................................................... 10
2.3 测温装置结构的设计 ........................................................................................... 11
2.3.1 回转追踪机构的设计 .................................................................................... 11
2.3.2 直线位移调整机构的设计 ............................................................................ 13
2.4 测温装置路线的设计 ........................................................................................... 15
2.5 红外温度传感器的选择 ....................................................................................... 18
2.6 摄像头模块的选型 ............................................................................................... 20
2.7 本章小结 ............................................................................................................... 20
第 3 章 测温装置的硬件电路设计 ................................................................................ 21
3.1 单片机型号的选定 ............................................................................................... 21
3.2 硬件整体结构设计 ............................................................................................... 21
3.3 控制器最小系统电路设计 ................................................................................... 22
3.4 图像采集模块硬件电路设计 ............................................................................... 24
3.5 TFTLCD 显示模块硬件电路设计 ....................................................................... 26
3.6 AD 模数转换硬件电路设计 ................................................................................ 27
3.7 12864 显示屏硬件电路设计 ................................................................................ 29
河北科技大学硕士论文
VI
3.8 RS485 通讯硬件电路设计 ................................................................................... 29
3.9 步进电机硬件电路设计 ....................................................................................... 30
3.10 掉电检测与保存数据硬件电路设计 ................................................................. 31
3.11 测温装置 PCB 板设计 ........................................................................................ 32
3.12 本章小结 ............................................................................................................. 34
第 4 章 测温装置的软件编程设计 ................................................................................ 35
4.1 测温装置主程序设计 ........................................................................................... 35
4.2 图像采集程序设计 ............................................................................................... 36
4.3 TFTLCD 显示模块软件设计 ............................................................................... 37
4.4 手模图像识别算法程序 ....................................................................................... 39
4.5 AD 转换模块程序设计 ........................................................................................ 43
4.6 显示屏 12864 模块程序设计 ............................................................................... 43
4.7 485 串口通讯程序设计 ........................................................................................ 44
4.8 两步进电机协调控制程序设计 ........................................................................... 45
4.9 掉电检测和保存数据程序设计 ........................................................................... 48
4.10 看门狗程序设计 ................................................................................................. 49
4.11 本章小结 ............................................................................................................. 49
第 5 章 上位机手模温度监控系统设计及实验结果分析 ............................................ 51
5.1 组态软件与 modbus 协议 .................................................................................... 51
5.2 手模温度监控系统的设计 ................................................................................... 54
5.2.1 创建新项目并定义 I/O 设备组态 ................................................................. 54
5.2.2 创建数据库组态变量 .................................................................................... 54
5.2.3 力控与单片机实现 modbus rtu 协议通讯程序设计 .................................... 55
5.2.4 创建手模温度监控界面 ................................................................................ 57
5.2.5 手模温度监控系统的运行调试与打包 ........................................................ 58
5.3 实验结果与分析 ................................................................................................... 58
5.3.1 手模温度采集和转换测试实验 .................................................................... 59
5.3.2 生产线上手模捕获和显示测试实验 ............................................................ 60
5.3.3 两步进电机协调控制实验 ............................................................................ 61
5.3.4 力控组态软件和单片机通讯实验 ................................................................ 63
5.4 本章小结 ............................................................................................................... 64
结 论 ................................................................................................................................ 67
参考文献 ............................................................................................................................ 69
攻读硕士学位期间所发表的论文 .................................................................................... 73
目 录
VII
致 谢 ................................................................................................................................ 75
第 1 章 绪 论
1
第 1 章 绪 论
1.1 课题研究背景
温度是一种表征冷暖变化的物理量,与人类日常生活、工业制造、农业生产、科
学研究领域有着紧密联系。天气变化、烹饪过程、冷冻食品等都体现了温度对人类
生活的影响。在工农业生产中,检测燃烧是否充分,生产温度是否处于合理范围内,
温度检测不准确或控制不好,都会影响产品的生产质量,还存在引发生产事故或威
胁工人生命安全的风险
[1]
。现代科学研究如国防建设、生物工程、高新技术开发等,
同样离不开温度的检测与控制,因温度的变化会对品质输出、效率、安全等方面造
成不同程度的影响
[2]
,故温度是一个极其普遍而重要的参数,温度检测技术的应用与
研究具有重要的现实意义。
随着科技水平的不断进步和人类生产生活中对温度测量需求的提高,温度检测
技术向着提高灵敏度、精度和测温范围,减小测温体积方面不断发展。测温方法主
要分为接触式和非接触式测温,其中接触式测温法需要与被测物体充分接触
[3]
,便于
安装,测温稳定且工作精度高,但得到的温度值是被测物体和测温设备的平衡温度,
破环了被测物体温度场
[4]
,也不能测量微小物体温度。非接触式测温无需与被测物体
接触,因此不会干扰温度场,受空间局限性小,动态响应特性较好,但会受到被测
物体表面状态以及介质等参数的影响
[5]
。国内外现有的测温仪器种类有很多,我们需
要根据实际情况选取适合的测温仪器。
在很多情况下,如工厂内对移动生产线上物体进行测温,不易安装接触式的温
度传感器,且工厂内环境复杂,被测对象种类颇多,接触式温度传感器易受腐蚀、
磨损等损害
[6]
。非接触式测温法由于不直接触碰被测物,可根据环境来调整测温位置,
便于安装和维护,适用于移动生产线上物体测温。红外温度传感器属于辐射非接触
式测温,通过检测物体对外辐射能量的强弱并转换成电信号,来度量物体温度,具
灵敏度高、测温范围广、工作可靠、成本较低等特点
[7]
。红外温度传感器应用十分广
泛,常安装于红外测温仪、红外成像仪、红外分析仪、报警器等系统中,适合连续
温度控制、长距离测量等
[8]
。红外温度传感器的发展与应用,将会为人类日常生活以
及工农业生产等领域实现自动化、智能化增添一份力量。
越来越多的企业对生产过程自动化,智能化和信息化提出了更高的要求,对生
产过程中如何实现准确、自动、在线的温度测量同样备受关注。在丁腈手套生产过
程中,移动生产线上手模温度检测对整个生产工艺十分重要,现如今针对此类测温,
大部分是人工手持红外测温枪对准并跟随生产线上物体一段时间
[9]
,因为红外测温枪
需要一定时间才能准确采集和转换温度。高温高湿的工作环境,不利于工人长期作
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资源评论
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