彩色像片洗印机温度控制系统的设计与实现

１引言
在彩色像片的洗印过程中，必须将已曝光的像纸按照某种洗印工艺配制的显影药液进行显影、稳定药液进行影像的稳定、漂洗药液进行漂洗，最后经过挤压干燥处理，即可得到一张色彩艳丽的像片。彩色像片的质量除底片质量和曝光效果外，洗印药液的温度稳定性和控制精度，也直接影响彩色像片的最终效果，因此，精确控制各种药液的工作温度和稳定性，是保证像片质量的最终环节。尽管不同的像纸和洗印药液的配方对各种药液的工作温度要求不同，其基准温度范围为30℃∽40℃，但多种洗印工艺的温度控制精度是相同的，即对显影药液的控制精度为±0.3℃，稳定和漂洗药液的控制精度为±2℃。通过总结多种彩色像片洗印工艺，采用AT89C52单片机作为主控制器[2]，设计了能适应多种洗印工艺要求的彩色像片洗印机温度控制系统。

2 温度控制系统的硬件组成及工作原理
彩色像片洗印机温度控制系统的硬件原理框图如图1所示。该系统在单片机AT89C52的控制下，完成三种药液温度的检测与控制、键盘信息的输入、相关信息的显示、多种洗印工艺工作参数的存储、电机控制和故障检测与报警指示等功能。
2.1 药液温度检测
药液的温度检测采用DALLAS公司生产的DS1820单线数字温度传感器[3]，直接与P1口连接，将DS1820温度传感器密封在塑料棒内，置于药液中，每种药液中放置3只传感器。为了克服药液在加热过程中温度场分布的不均匀性，各药槽中均放置一只循环泵，该循环泵工作时，药槽中的药液从槽中一端抽出，另一端流入，使药槽中药液的温度均匀分布，并将3只温度传感器所测得的温度值进行数值预处理后，取其平均值作为本次测量的温度值，从而保证温度检测的准确性。
2.2 药液温度控制
温度控制电路主要由三路驱动器74LS05、光电隔离器MOC 3023、可控硅BTA12和AC 220V　180W的电加热器组成，每路控制一种药液的加温。当温度传感器检测到某种药液的温度低于工艺要求的设定值时，单片机AT89C52通过光电隔离器，控制可控硅导通，给加热器提供AC 220V电源，而加温药液。当温度传感器检测到某种药液的温度接近于工艺要求的设定值时，单片机AT89C52通过光电隔离器，控制可控硅截止，切断加热器的电源，而停止加温药液。从而实现对三种药液的温度进行控制。

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2.3 AT89C52系统
AT89C52系统由一片串行E2PROM X25045P、8个键开关、一块LCM103 6位8段的液晶显示模块、电机控制和故障指示与报警电路组成，控制程序全部下载到AT89C52中。串行E2PROM用来存储多种洗印工艺的温度设定值和相应的温度控制参数，同时，利用X25045P中的看门狗电路，对AT89C52进行非正常运行状态下的自动复位操作，以提高系统的抗干扰能力。键盘用来实现对工艺温度的设定值和温度控制参数进行修改，以适应不同的洗印工艺要求，同时完成多种控制操作。液晶显示模块用来显示各药液的温度值和相关系统信息；电机控制电路用来实现主电机与循环泵的启动与停止；故障指示和报警电路用来指示故障部位和告知操作人员当前系统的运行状态，同时电笛也用于提醒操作员按键动作的完成。整个控制系统在AT89C52的控制下，协调工作，完成相应控制功能。

3 系统软件的设计
彩色像片洗印机控制系统的软件流程如图2所示。主程序采用顺序循环结构，当系统初始化完成后，主程序依次按判断键盘的工作状态，检测与控制显影、定影与漂洗药液的温度，显示显影药液的温度，测试是否有故障发生等步骤循环工作；当有键被按下或有故障发生时，则转入相应的处理模块，执行完毕后，仍返回主程序循环工作。
3.1 温度检测模块
温度检测模块通过读取DS1820内温度数字信息来确定当前药液的温度值。为了确保检测温度的可靠性和精度，在该模块中对单只温度传感的检测值采用了限幅滤波和算术平均值滤波两种方法，根据系统的实际情况，限幅滤波相邻两次采样值的允许最大偏差ΔT=0.3℃,则有：
      │T(k)-T(k-1)│≤0.3℃ 时， T(k)=T(k)   取本次采样值
      │T(k)-T(k-1)│>0.3℃  时， T(k)=T(k-1)  取上次采样值
算术平均值滤波的采样次数N=5，则有：
            T(k)=[T(k)+T(k+1)+ T(k+2)+ T(k+3)+ T(k+4)]÷5
通过选择适当的采样周期，不仅有效地抑止了系统的干扰，而且提高了DS1820的分辨率，实测系统的最高分辩率达到了±0.02℃。

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3.2 温度控制模块
本系统中，各药槽中的药液约为2500ml，加热器为AC 220V 180W的一般电阻式加热棒，被控对象为纯滞后的控制对象，通过采用分段控制策略[1]，控制精度达到了38.5±0.2℃，取得了理想的控制效果。其控制策略如下：
当系统检测的温度值为T≤22℃时，为初始加温阶段，程序控制加热器通电加温，直到系统检测的温度值达到22℃时为止。
当系统检测的温度值为22℃<T≤35℃时，为温度粗控阶段，程序控制加热器每次通电加温的时间t=80ms,由于系统的纯滞后效应，此阶段药液的温度仍然上升很快。当药液温度上升到35℃时，被控对象的温度仍处于纯滞后上升趋势中。
当系统检测的温度值为35℃<T≤38.1℃时，称为温度精控阶段，为了缓解系统的纯滞后效应，程序控制加热器每次通电加温的时间t=20ms,此阶段药液的温度上升速度明显减慢。当T=38.1℃时停止加温，但在系统惯性的作用下，药液温度将继续上升，根据不同的初始加温条件和环境温度，药液的最高过冲温度在38.8℃∽39.8℃之间，系统从初始加温到稳定工作的过渡时间为10min∽15min之间，满足了用户所提出的技术要求。
在恒温阶段，程序控制加热器每次通电加温的时间为t=8ms，温度传感器检测的温度值应为38.2℃≤T≤38.8℃。为了满足控制精度，程序采用预估趋势控制策略，当温度传感器检测的温度值T≤38.6℃，且T(K)>T(K+1)时，被控对象的温度处于纯滞后下降趋势中，程序控制加热器通电加温，直到温度传感器检测的温度值T≥38.4℃，且T(K)<T(K+1)时，被控对象的温度处于纯滞后上升趋势中，程序控制加热器停止加温，即可克服系统的纯滞后效应，实测控制精度为38.3℃≤T≤38.7℃。
3.3 其它控制程序简述
为了保证系统工作的可靠性和设备安全，系统中设置有故障检测和报警程序，如当可控硅失效导通，药液的温度超过设定值时；加热器断路，控制加温且药液温度不上升时；读取串行E2PROM中的控制参数和DS1820温度值，CRC校验出错时等，均通过电笛报警和发光二极管指示方式通知操作者，以便及时排除故障，确保设备安全运行。在程序设计中，由于硬件设计时采用了X25045P中的看门狗电路，因此，在程序的适当地方均设置有对X25045P的操作指令，以防止看门狗电路错误复位系统。对于键盘处理程序、串行E2PROM和DS1820通讯程序、液晶显示控制程序等，许多文献中均有论述，在此不再重述。

4 结束语
本文中所提出的温度检测和控制策略，对小容量纯滞后的被控对象具有一定的指导意义。温度控制参数可方便地经过系统实测进行整定，通过优化控制参数，可缩短过渡时间或减小温度的过冲量，从而进一步改善系统的控制品质。在不改变系统控制参数的情况下，选用较高精度的加热棒，其温度控制精度可达到38.5±0.1℃。