覃昇學(xué),葉運黎,陳錦輝,車志強(qiáng)

(廣東理工學(xué)院電氣與電子工程學(xué)院 廣東 肇慶 526100)

0 引言

溫度的檢測與控制是工業(yè)生產(chǎn)中自動執(zhí)行控制系統(tǒng)的重要任務(wù)之一,絕大多數(shù)故障的原因是因為電路板從生產(chǎn)區(qū)開始出現(xiàn)的漏焊、假焊、虛焊,以及長時間不規(guī)范操作導(dǎo)致電路板損害、溫度過高、線路熔斷短路等情況。在維修過程中,往往要依靠萬用表以及紅外檢測儀等工具結(jié)合實際的功能進(jìn)行維修檢測,定位故障點位,而故障點位有以下幾個問題:因短路引起的發(fā)熱,或短路引起的不工作,以及接觸不良引起的電壓不穩(wěn)定或低于額定工作值,這些在電路板溫度檢測系統(tǒng)中都會以異常溫度的形式對外表現(xiàn)。在生產(chǎn)過程中,機(jī)器損壞時每一秒都要承受相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)損失,所以,工業(yè)上對機(jī)器檢測與維護(hù)的高效性、精確性、智能化要求逐漸升高。由此看來,溫度的最終檢測和控制在工業(yè)上是相當(dāng)重要的。因此,在生產(chǎn)中,溫度的監(jiān)測與調(diào)控十分關(guān)鍵,可削減維修次數(shù)和維修用度,實現(xiàn)確切維修和即時監(jiān)測。

該裝置能夠給機(jī)器維修和維護(hù)減少尋找故障發(fā)熱點的時間和步驟,通過長時間的觀察分析得出損害原因,方便機(jī)械設(shè)計者對機(jī)器進(jìn)行改進(jìn),減少該類問題的發(fā)生,強(qiáng)化機(jī)器的穩(wěn)定性,保證生產(chǎn)的有序進(jìn)行。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

以ESP32為基礎(chǔ),研制了一種以ESP32為核心的測溫設(shè)備,其整體結(jié)構(gòu)見圖1,主體結(jié)構(gòu)為ESP32最少體系,包含顯示電路、VCC-GND、SD卡、報警電路、獨立按鍵、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路L298N、繼電器。本系統(tǒng)中主要的控制元件是ESP32,它的成本低,并且具有極好的性能。方便嵌入到任何產(chǎn)品,功能強(qiáng)大,支持LWIP(TCP/IP)協(xié)議,支持freeRTOS操作系統(tǒng),WIFI的連接方式有AP、STA、AP+STA模式,并且支持Lua編程,開發(fā)更簡單。溫度傳感器采用模數(shù)溫度傳感器MAX6675。顯示用電器采用SSD1306液晶高清顯示器。報警檢測電路采用低電平、一個LED指示燈結(jié)構(gòu)設(shè)計,逐步實現(xiàn)檢測報警。獨立式多媒體按鍵用來設(shè)置當(dāng)前實測時間(年、月、日、時、分、秒)和設(shè)定不同時間段溫度上升報警的上下限閾值。當(dāng)實測環(huán)境溫度值大于設(shè)定時間段的溫度上限值時,系統(tǒng)實現(xiàn)自動判斷進(jìn)入散熱運作模式,步進(jìn)驅(qū)動電動機(jī)運轉(zhuǎn)順暢帶動散熱裝置具體工作,而且輸出信號響、LED指示燈點亮數(shù)據(jù)全面上傳。若低于設(shè)定時間段的溫度下限值,智能系統(tǒng)自動停止進(jìn)入加熱運作模式,交流接觸器控制加熱新設(shè)備工作,從而高電平響、LED指示燈點亮綜合數(shù)據(jù)上傳。若當(dāng)前溫度處于設(shè)定時間段的溫度上下限閾值之間時,關(guān)閉散熱裝置、加熱設(shè)備及報警電路,更容易使溫度控制在設(shè)定的范圍內(nèi)[1]。

圖1 總體設(shè)計框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 溫度傳感器電路設(shè)計

溫度傳感器主要是用來檢測與采集溫度數(shù)據(jù)的元件,本裝置主要采用模數(shù)溫度傳感器MAX6675,如圖2所示,MAX6675是美國MAXIM公司生產(chǎn)的帶有冷端補(bǔ)償、線性校正、熱電偶斷線檢測的串行K型熱電偶模數(shù)轉(zhuǎn)換器,它的溫度分辨能力為0.25 ℃,冷端補(bǔ)償范圍為-20～+80 ℃,電壓為3.0～5.5 V。

MAX6675是一個8腳SO的組件,該組件包括12 bit A/D變換器、2臺放大器、冷端校正和基準(zhǔn)電壓的輸出。skeeze K型溫差電位計與T+、 T-連接,通過二級放大器進(jìn)行放大、過濾,使其與晶片內(nèi)部 A/D變換器對應(yīng)。實際上,K形溫差的大小是恒定的,MAX6675就是通過對溫差的測量來獲得溫度的重要信息。同時,熱電偶輸出的熱電勢只與工作端(一般稱為熱端)和參考端(一般稱作冷端)的日溫差有關(guān),因為當(dāng)換熱(即MAX6675所在的居住環(huán)境)的自然溫度變化時,MAX6675是經(jīng)過內(nèi)置的冷端補(bǔ)償?shù)碾娐穪硗綄崿F(xiàn)冷端補(bǔ)償?shù)?。該傳感器可以將變化的溫度信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電平上的信號顯示出來,有了這些電壓信號系統(tǒng)的信號和熱電偶的輸出熱電勢,便能得知測量端的正常外界溫度值。

2.2 顯示器電路設(shè)計

顯示器主要是用于顯示出溫度數(shù)據(jù)的數(shù)值,而且還可以顯示出實時時間(年、月、日、時、分、秒)和設(shè)定不同時間段的溫度閾值。本裝置主要采用SSD1306液晶顯示器,如圖3所示,SSD1306是一款帶控制器的用于OLED點陣圖形顯示系統(tǒng)的單片CMOS OLED/PLED驅(qū)動器。SSD1306液晶顯示屏中包括了128個SEG(列)和64個COM(行)。SSD1306采用了一個反差操作器、一個顯示RAM(GDDRAM)以及一個振蕩器來降低外部器件的數(shù)目和功率消耗。該芯片有256級亮度控制。常規(guī)數(shù)據(jù)或命令由通用微控制器通過硬件設(shè)計選擇的6800/8000系通用并行控制接口、I2C接口或串行外圍接口發(fā)送。該芯片適用于許多小型便攜式應(yīng)用,如手機(jī)副顯示屏、MP3播放器和計算器等。

圖3 SSD1306液晶顯示器電路

圖4 PCF8563時鐘芯片電路

SSD1306本身支持多種總線驅(qū)動方式,包括SPI以及并口等,通過芯片的相應(yīng)IO口拉低拉升來選擇哪一種MiniUSB接口,本例中基本模塊通過電阻將相應(yīng)I/O口配置固化后使用了I2C接口連接,使用I2C Spdif接口時,SSD1306允許有最多兩個7位的I2C地址,進(jìn)而通過相應(yīng)的I/O口拉低拉升來切換,一般默認(rèn)是0x3c,在屏幕模塊的背面,都能看到一個I2C地址切換模式提示,需要改變模塊I2C地址時,只需要把提示區(qū)域的電阻取出來手工焊接到另外一端即可。要提醒的是板上的I2C是加上了第零位讀寫位后的數(shù)值范圍,即0x78=0x3c<<10x7A=0x3d<<1。

2.3 報警電路設(shè)計

報警內(nèi)部電路是將溫度的變化轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的結(jié)構(gòu)變化,而且需要實現(xiàn)AD模數(shù)轉(zhuǎn)換即將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,也要為處理器所接受,并且能通過計算獲得真實完整的溫度信息以便進(jìn)行進(jìn)一步的處理,在其電路上,加裝一個蜂鳴器和LED指示燈。重點實現(xiàn)以下情況:(1)比較實際溫度與設(shè)定時間段的溫度閾值,判斷當(dāng)前環(huán)境溫度有否大于已設(shè)定當(dāng)前時間的溫度上限閾值。(2)如果是,執(zhí)行控制電源接警,LED指示燈閃爍發(fā)光,步進(jìn)減速箱帶動相關(guān)散熱裝置工作,執(zhí)行降溫操作。(3)如果否,判定目前周圍環(huán)境的實際溫度低于設(shè)定的目前時刻的最低氣溫臨界值。(4)倘若是,執(zhí)行按鈕開關(guān)報警,LED指示燈閃爍發(fā)光,借助繼電器控制加熱硬件設(shè)備,執(zhí)行溫度上升操作。(5)相反,就說明當(dāng)前周圍環(huán)境溫度穩(wěn)定在已設(shè)定的時間段溫度閾值之內(nèi),那么就關(guān)閉散熱、加熱及報警功能。

2.4 時鐘電路設(shè)計

時鐘電路系統(tǒng)就是像時鐘一樣準(zhǔn)確運動的放大或縮小的驅(qū)動電路。任何工作都能夠按時間順序進(jìn)行。最重要的是用來產(chǎn)生這個時間的信號電路系統(tǒng),也就是時鐘電路組件。對于時鐘電路設(shè)計,本裝置選用的是PCF8563。PCF8563可以完成各種復(fù)雜的定時服務(wù),實現(xiàn)各種報警功能、定時器功能、時鐘輸出功能和手動中斷輸出功能,或為單片機(jī)提供看門狗的一些功能。它是一種高性能、高價值的專用時鐘芯片。在電表、水表、煤氣表、電話、便攜式儀器和普通電池供電儀器等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

PCF8563有16個8位寄存器,包括:一個可自動遞增的地址寄存器、一個內(nèi)置32.768 KHz 的振蕩器(帶有光纖層集成整流晶體管)、一個分頻器(用于向?qū)崟r時鐘提供源時鐘)、一個可編程的時鐘輸出界面、一個定時器和一個警報器、一個掉電檢測器和一個400 KHz的I2C總線接口。

所有16個寄存器都設(shè)計為可尋址的8位并行寄存器,但并非所有位都有用。前兩個寄存器(內(nèi)存地址00 h、01 h)用于控制寄存器和狀態(tài)寄存器,內(nèi)存地址02 h～08 h用于時鐘驅(qū)動數(shù)碼管顯示(第二年計數(shù)器),地址09 h～0ch用于緊急報警寄存器(兩個用于定義報警處理),地址0dh控制CLKOUT管腳的輸出交流頻率,地址0eh和0fh用于定點定時停滯控制寄存器和狀態(tài)寄存器。秒、分、時、日、月、年、分鐘報警、小時報警、每日報警寄存器,編碼格式為BCD,周報警寄存器不以BCD格式編碼。讀取RTC寄存器時,所有計數(shù)器的內(nèi)容都被鎖定。事實上,在傳輸條件下,可以快速擴(kuò)展并禁止錯誤讀取時鐘芯片。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計應(yīng)用C語言與Java語言共同編寫,最終由主程序調(diào)用各部子程序來實現(xiàn)整體功能。編寫此系統(tǒng)中的程序的步驟如下:(1)用Java語言編寫Web頁面以及手機(jī)APP程序。(2)用C語言編寫ESP32程序,總體程序包括主程序設(shè)計、連接WiFi程序設(shè)計、初始化程序設(shè)計、溫度獲取以及PID->PID調(diào)節(jié)溫度程序設(shè)計。整體的多種功能都在主程序的調(diào)用中實現(xiàn),進(jìn)入主程序,要先進(jìn)行系統(tǒng)的WiFi連接操作。WiFi連接操作的細(xì)節(jié)是選擇WiFi并等待其與WiFi進(jìn)行相連,然后對其進(jìn)行初始化操作,初始化其PID與溫度傳感器,并且要分配好存儲器開發(fā)資源,實現(xiàn)更好的簡單編程和調(diào)用。本設(shè)計方式對溫度的采集可實現(xiàn)無線采集。無線采集室溫后被無線發(fā)送模塊覺查并將數(shù)據(jù)發(fā)送給無線接收模塊,最后需要將溫度值在SSD1306液晶顯示器上公開顯示。本地所測溫度值與裝置實體按鍵設(shè)置的報警溫度值都將在手機(jī)APP與網(wǎng)頁上進(jìn)行展示。若MAX6675感應(yīng)的實際溫度超出滿量程,就會在網(wǎng)頁上顯示出來并啟動報警部分指定程序,隨之開關(guān)電路便會報警[2],最后會在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)不足并及時完善。

3.1 程序頭文件程序設(shè)計

對程序進(jìn)行頭文件設(shè)定,保存及聲明其程序,鏈接其應(yīng)用程序及其函數(shù)庫,防止其程序錯亂。將其模塊管腳的接口連接到裝配檢索引腳,定義其對應(yīng)引腳的新模塊,并定義其對應(yīng)的Alpine程序。程序如下:

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#define SCK_PIN 12 // 模塊上的SCK口連接到 pin3

#define CS_PIN 14 // 模塊上的CS口連接到 pin4

#define SO_PIN 27 // 模塊上的SO口連接到 pin5

#define A0 33

#define A1 25

const char* ssid ="aqq";

如何判斷你家的寵物狗是“左撇子”還是“右撇子”？這并不是一件容易的事情。麥克里維和他的研究小組準(zhǔn)備了一種圓筒狀的容器，里面盛好狗食。接受測驗的狗要吃容器里的食物，就必須用一只爪子按住容器，使之靜止不動。每只狗接受100次這樣的測驗，然后研究人員根據(jù)這100次內(nèi)這只狗使用左爪和右爪的偏好，判斷這只狗是“左撇子”還是“右撇子”。

const char* password = "88888888";

3.2 連接WiFi程序設(shè)計

進(jìn)行WiFi連接,等待WiFi釋放信號,搜索其附近IP地址,連接其WiFi,另一方面也能尋找其對應(yīng)的IP地址進(jìn)行直接連接。程序如下:

void connect_TO_WiFi()

{

WiFi.begin(ssid, password);

Serial.println();

Serial.print("Connecting");

while(WiFi.status() !=WL_CONNECTED) {

delay(500);

Serial.print(".");

}

Serial.println();

Serial.print("Connected, IP address: "); //連接的IP地址

Serial.println(WiFi.localIP());

Serial.print("Connected, IP address: "); //連接的IP地址

Serial.println(WiFi.gatewayIP());

Serial.print("Connected, IP address: "); //連接的IP地址

Serial.println(WiFi.dnsIP(0));

}

void setup()

3.3 溫度獲取以及PID->PID調(diào)節(jié)溫度設(shè)計

獲取MAX6675的溫度數(shù)據(jù),將獲取的溫度數(shù)據(jù)通過http發(fā)送到電腦或服務(wù)器上,定義其溫度,將數(shù)據(jù)類型由double轉(zhuǎn)為char型,然后獲取http傳回來的數(shù)值,將string數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為int型的數(shù)據(jù),將數(shù)值進(jìn)行處理放入到PID->PID調(diào)節(jié)溫度。

void loop()

{

Init();

float a;

//char* dtostrf(double _val,signed char _width, unsigned char prec, char* _s); //函數(shù)

while(1)

{

double celsius = thermocouple->readCelsius(); // 攝氏度

Serial.print("Temperature: ");

//Serial.println(String(celsius) + " C, ");

Serial.println(int(celsius));

////

a=float(celsius);

char baseUrl[128] = {0};

//temp="12";

char temp[20];

sprintf(temp,"%.0f", a); //數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換double轉(zhuǎn)為char類型

strcpy(baseUrl, "http://37978cg590.qicp.vip:80/receiveWd?wd="); //電腦IPV4的地址

char* getUrl = strcat(baseUrl,temp);

HTTPClient httpClient;

httpClient.begin(getUrl);

Serial.println(getUrl);

int httpCode;

httpCode = httpClient.GET();

if(httpCode >0){

String payload = httpClient.getString();

int n = atoi(payload.c_str());

Setpoint=n;

Serial.println(n);

}

4 系統(tǒng)運行

溫度控制檢測裝置見圖5,在完成實物圖片焊接后,將編寫的每個程序?qū)懭隕SP32芯片中完成實物系統(tǒng)調(diào)試。DS18B20測量的溫度出現(xiàn)異常室溫值,報警喇叭就會報警、LED指示燈會發(fā)光。當(dāng)啟動該裝置后,裝置中的溫度傳感器將其數(shù)據(jù)傳輸?shù)絟ttp當(dāng)中,同時存儲其數(shù)據(jù)到SD存儲卡中,實現(xiàn)一個循環(huán)流程。圖6是溫度檢測記錄數(shù)據(jù)曲線圖。

圖5 溫度控制檢測裝置

圖6 溫度檢測記錄數(shù)據(jù)曲線

問題與改進(jìn)主要表現(xiàn)在以下3個方面:

(1)檢測電子元件所用的溫度監(jiān)測器在市面上大多使用紅外熱成像儀,但是紅外熱成像儀無法直接安裝在機(jī)器內(nèi)部,對于檢測電子元件故障檢測來說十分不便。

(2)傳統(tǒng)溫度檢測類機(jī)器沒有與網(wǎng)絡(luò)連接,也沒有與之相匹配的大數(shù)據(jù)分析,該項目會彌補(bǔ)在機(jī)械溫度異常檢測中大數(shù)據(jù)的空缺。

(3)異常的電子元件往往會造成電路短路,強(qiáng)大的電流通過多個元器件造成多個元器件損害,如何在短路后第一時間隔離短路電子元件的檢測或保護(hù)系統(tǒng)是需要探究的,特別是該系統(tǒng)與保護(hù)電路之間的互相扶持以及系統(tǒng)對異常電子元件的監(jiān)控與上傳。

5 結(jié)語

目前我國溫度控制檢測系統(tǒng)還處于發(fā)展階段,如何準(zhǔn)確地檢測以及控制溫度的變化,是我們應(yīng)該著重思考以及探索的問題,高精度、低成本的溫度控制檢測系統(tǒng)對于我國工業(yè)發(fā)展是一個強(qiáng)有力的提升?；贓SP32的溫度檢測系統(tǒng),實現(xiàn)了低成本與實時反饋數(shù)據(jù)等功能,在一些小型工業(yè)檢測溫度上,可以大大降低其檢測時間以及成本。