基于物聯(lián)網(wǎng)的熱熔斷體動作溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計

莫長江，黃 贊

（1.嶺南師范學(xué)院 信息工程學(xué)院，湛江 524048；2.嶺南師范學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，湛江 524048）

0 引言

熱熔斷體也稱為溫度熔斷器或者溫度保險絲，是一種裝有熱元件的不可復(fù)位器件，當(dāng)超過設(shè)計溫度達(dá)到足夠長時間時便會斷開。熱熔斷體承受電流流大、體積小、性能穩(wěn)定、使用方便，且具有一定范圍的濕度設(shè)置和承載能力，因此廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等制造業(yè)產(chǎn)品中[1,2]。

額定動作溫度Tf[3]，即熔斷溫度，該溫度值由制造廠商規(guī)定。在工廠生產(chǎn)制造與質(zhì)量檢驗環(huán)節(jié)，都要對其動作溫度進(jìn)行測量，所測得的動作溫度值都不應(yīng)大于Tf，是體現(xiàn)熱熔斷體超溫保護(hù)特性的最重要指標(biāo)，其準(zhǔn)確與否，直接影響到使用熱熔斷體的相關(guān)產(chǎn)品的安全性能，特別是在相關(guān)產(chǎn)品的正常使用性能失效后，如果沒有熱熔斷體的過熱保護(hù)作用，產(chǎn)品將一直處于非正常工作狀態(tài)，極大概率出現(xiàn)燒壞、起火、漏電、漏電傷人的嚴(yán)重后果。

傳統(tǒng)的檢測方法，如文獻(xiàn)[3,4]中或主要依靠人工調(diào)節(jié)加熱烘箱溫度[3]，肉眼觀察串聯(lián)在熱熔斷體上的電流表是否有讀數(shù)的方式去判斷其通斷，測量方法繁瑣，存在人為誤差與失誤的可能性較大；或是程控升溫，但同樣沒有實現(xiàn)全自動無人值守記錄、遠(yuǎn)程監(jiān)視[4]，而在文獻(xiàn)[5]中，提出了采用計算機(jī)上位機(jī)作為控制核心的方案[5]，但并無實現(xiàn)單片機(jī)底層工作以及物聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。因此，本文提出一種針對多通道的熱熔斷體動作溫度測量系統(tǒng)，系統(tǒng)使用一種分段的實時控制烘箱溫度算法，并由單片機(jī)監(jiān)視各通道上的熔斷體是否斷開，最終由工控機(jī)提供顯示界面、報表和物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸功能，滿足實際的應(yīng)用需求。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

基于熱電偶的熱熔斷體動作溫度檢測系統(tǒng)框圖如圖1所示，其主要由熱電偶傳感溫度測量模塊、單片機(jī)、工控機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)平臺與安卓App功能模塊組成。

圖1 系統(tǒng)框圖

由圖1可以得到，系統(tǒng)中工控機(jī)程序與溫度測量模塊通訊獲得各組溫度值；另一方面，與單片機(jī)模塊通訊，取得十通道熔斷體的通斷狀態(tài)。而單片機(jī)模塊還負(fù)責(zé)控制烘箱加熱過程，在烘箱溫度不斷上升的過程中，主控制程序程序監(jiān)控?zé)崛蹟囿w溫度、是否熔斷，記錄時間與溫度曲線，當(dāng)其在一定的加熱溫度下熔斷時，記錄當(dāng)前通道溫度；當(dāng)所有的熱熔斷體熔斷后，并關(guān)閉烘箱加熱。最后加入物聯(lián)網(wǎng)云平臺后，安卓App便可實時查看各通道溫度及熱熔斷體狀態(tài)。

1.1 熱電偶傳感溫度檢測

熱電偶是一種常規(guī)的溫度傳感器，應(yīng)用非常普遍，它由兩種不同的材料A、B構(gòu)成回路，如圖2所示。

圖2 熱電偶傳感器連接圖

實際應(yīng)用中，A、B一端會被焊接在一起，即T2點(diǎn)，稱為熱端，接被測物體，而A、B的另一端也接在一起，形成T1點(diǎn)，稱為冷端、參考端。當(dāng)T1，T2兩點(diǎn)溫度不同，分別為t1，t2時，又由于A、B的材料不同，則會在電路回路中產(chǎn)生一定的熱電動勢EAB（t2,t1），主要包括接觸電勢與溫差電勢[6]。

熱電偶材料不同會形成兩點(diǎn)的接觸電勢差，如式(1)所示；而其溫度差異會產(chǎn)生溫差電勢差，如式(2)所示。

其中，k為玻爾茲曼常數(shù)，e代表電子電荷量，NAt2、NBt2、NAt1、NBt1代表兩種金屬各自在t1，t2溫度時的自由電子密度，δA、δB分別為兩種金屬的湯姆遜系數(shù)，其數(shù)值非常小，熱電偶產(chǎn)生的總電勢為上述兩個電勢差的和，但溫差電勢比接觸電勢小得多，可忽略不計，則總電勢得到式(3)：

從式(3)中可以看出，如果冷端溫度t1保持不變，總電勢EAB（t2，t1）只和熱端，即測量點(diǎn)溫度t2成單值函數(shù)關(guān)系，繼續(xù)得到式(4)：

C代表中熱電偶傳感器冷端部分的常量，因此，只要系統(tǒng)測量并得到電動勢的值，就可以得到熱電偶熱端被測元件溫度。

由于被測熱熔斷體動作溫度大多在250℃以下，在相對合理的熱電偶測量量程內(nèi)，而且T型熱電偶由銅、銅鎳兩種金屬組成，測量范圍從-200℃～+350℃[7]，量程在被測熱熔斷體的動作溫度的最合理的范圍內(nèi)，其線性度好，熱電勢較大，靈敏度高，均勻性較好，穩(wěn)定性好，故選擇以T型熱電偶為溫度傳感器的兩組六路安東905M06溫度測量模塊。

905M06溫度測量模塊主要完成12個溫度點(diǎn)的測量，包括十個通道的熱熔斷體溫度測量與兩通道的烘箱箱體不同位置的溫度測量，經(jīng)由串口把測量得到的溫度值發(fā)送至工控機(jī)軟件，工控機(jī)與溫度測量模塊的串口通信協(xié)議如表1所示，其中，各個通道溫度返回值為兩字節(jié)數(shù)再除以十得到，精確到小數(shù)后一位。

1.2 單片機(jī)模塊電路設(shè)計

經(jīng)過綜合功能、價格、易用性等考慮因素，選定STC15W4k56S4單片機(jī)[8]，能夠滿足本控制系統(tǒng)的設(shè)計要求，特別是其IO口內(nèi)置上拉、下拉電阻的配置選項非常豐富、多個獨(dú)立串口、互不干擾的特性，非常契合系統(tǒng)的需求。此外，STC15W4k56S4具有性能可靠、穩(wěn)定性高、寬電壓、功耗低，適合數(shù)據(jù)處理要求不高，但要對外圍多設(shè)備進(jìn)行通信與控制的應(yīng)用場景。

單片機(jī)部分主要完成檢測十通道熱熔斷體的熔斷狀態(tài)以及控制烘箱的溫度加熱過程，具體電路設(shè)計如圖3所示。

表1 工控機(jī)與溫度測量模塊串口通信協(xié)議

圖3 單片機(jī)模塊電路圖

其中，單片機(jī)由J4的USB口5V供電，并使用CH340USB轉(zhuǎn)串口與工控機(jī)通信。當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)工作電壓為5V，開啟P2，P0低6位的IO口上拉電阻，配置IO口為弱上拉時，IO口的拉電流約為250μ A，在電路中，通過熱熔斷體的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國標(biāo)規(guī)定的10mA，保證對其動作溫度的測量不產(chǎn)生干擾。以其中一個檢測通道為例，IO口連接被測熱熔斷體一端，而熱熔斷體的另一端接地，形成回路，當(dāng)熱熔斷體未被熔斷開時，單片機(jī)內(nèi)部上拉電阻值特別大，而熱熔斷體阻值接近零，因此兩電阻分壓后，IO口讀取值為低電平，反之，讀取值為高電平，通過這種方法，可讀取其他各個通道的被測熱熔斷體的通斷情況。

對烘箱的加熱，主要依賴環(huán)繞在其箱體內(nèi)部，十通道熔斷體安裝板下部的加熱管控制。使用單片機(jī)P4.0，并配置成推挽輸出（具有最大20mA的驅(qū)動能力），可直接接DC-AC固態(tài)繼電器，選型為SSR-25DA，SSR的輸出端再接烘箱加熱管。這樣，使用單片機(jī)IO口，便可控制市電是否接通烘箱加熱管工作。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

2.1 單片機(jī)模塊軟件設(shè)計

除了保證單片機(jī)穩(wěn)定讀取十通道的通斷狀態(tài)外，本文提出了一種二級功率控制算法控制烘箱溫度。基本思路如圖4所示，其中兩個位于內(nèi)部不同位置的熱電偶傳感器得到的溫度平均值做為烘箱溫度，而單片機(jī)的輸出方波使用定時器細(xì)分成100等份，每份10ms，可以形成以1秒為周期的方波輸出。當(dāng)方波設(shè)置占空比為100%時，每周期100份細(xì)分都以高電平輸出，后級固態(tài)繼電器控制市電全時段全功率接通。以此類推，當(dāng)設(shè)置不同的二級功率設(shè)定值時，程序算法通過統(tǒng)計每周期內(nèi)相應(yīng)數(shù)量的高電平細(xì)分，得到不同占空比的方波，從而控制烘箱的發(fā)熱功率。

圖4 二級功率控制算法流程圖

烘箱是具有一定危險隱患的設(shè)備，為避免烘箱溫度超過安全值，程序設(shè)定了溫度保護(hù)上限值，當(dāng)箱內(nèi)溫度超過上限值便關(guān)閉烘箱的固態(tài)繼電器控制，另外，為協(xié)調(diào)工控機(jī)程序，如果工控機(jī)軟件關(guān)閉，或者檢測兩者超過一定的時間內(nèi)無串口通信情況下同樣執(zhí)行關(guān)閉烘箱加熱的操作，同時啟動單片機(jī)看門狗，防止其受外部干擾等造成程序故障，這樣的多重預(yù)防機(jī)制保證設(shè)備與環(huán)境安全。

表2 單片機(jī)與工控機(jī)通信協(xié)議幀

在單片機(jī)的串口通訊部分，設(shè)計與實現(xiàn)了一種與工控機(jī)互相通信的幀格式，定義如表2所示，雙方的數(shù)據(jù)傳輸按照如下的方式約定，以中斷或問答的形式，完成個中命令和數(shù)值的傳遞。

雙方所有的命令和數(shù)據(jù)來往，均以表2為標(biāo)準(zhǔn)，制定了握手幀，熱熔斷體通斷狀態(tài)上傳幀、設(shè)置二級功率控制參數(shù)幀等，在單片機(jī)串口接收中斷程序內(nèi)部，程序采用狀態(tài)機(jī)機(jī)制，確保其接收幀數(shù)據(jù)的正確性。

2.2 工控機(jī)軟件設(shè)計

工控機(jī)控制軟件基于面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計，以Delphi Tokyo為開發(fā)平臺，使用Object Pascal語言[9]進(jìn)行程序開發(fā)，其軟件框架如圖5所示。

圖5 工控機(jī)控制軟件框架

其中，在熱熔斷體測試控制模塊中，必須使用串口和單片機(jī)、溫度檢測模塊進(jìn)行通信，得到熱熔斷體通斷狀態(tài)和通道上熱熔斷體的當(dāng)前溫度，才能實現(xiàn)自動測試控制。在軟件上，使用第三方通信控件TCOMPORT實現(xiàn)該功能，寫串口的函數(shù)為：Comport1.Write（buf，bufsize）；而讀串口則結(jié)合ComportDataPacket控件使用對象的OnPacket接收事件，獲得數(shù)據(jù)幀字符串后轉(zhuǎn)化成字節(jié)數(shù)組再進(jìn)行處理。

本方案采用中國移動OneNet物聯(lián)網(wǎng)平臺，其優(yōu)點(diǎn)是不需要自行搭建服務(wù)器，免去了大量的維護(hù)成本。工控機(jī)與之連接則由idTCPclient控件完成，并遵循平臺的EDP通信協(xié)議?？紤]到不影響前臺的人機(jī)界面效率，采用多線程后臺連接的方式。idTCPclient控件實例變量tocloud在線程中的讀寫方法如下：

在各熱熔斷體通道模塊中，軟件使用IOcomp工業(yè)控件中的LED顯示、溫度計顯示控件顯示當(dāng)前通道溫度；數(shù)據(jù)報表模塊基于用戶設(shè)置的各通道基本信息，自動判斷被測元件是否達(dá)標(biāo)，并由Grid Report++控件給出打印報表，最后完成測試工作。

2.3 安卓App軟件設(shè)計

安卓App的設(shè)計平臺與工控機(jī)保持一致，同樣采用跨平臺編譯器Delphi完成。App主要完成與工控機(jī)用戶名的匹配校驗、實時數(shù)據(jù)獲取與曲線顯示的工作。開發(fā)中，TeeChart圖標(biāo)控件顯示溫度曲線、StringGrid控件以表格形式描述各通道狀態(tài)、idHttp控件負(fù)責(zé)與物聯(lián)網(wǎng)平臺OneNet的連接，且同樣遵循平臺的EDP協(xié)議，它后臺線程中發(fā)送數(shù)據(jù)請求，接收設(shè)備的數(shù)據(jù)返回后，用戶名密碼核對通過后進(jìn)行數(shù)據(jù)解釋與顯示。安卓App的主界面如圖6所示，而在App多線程部分的網(wǎng)絡(luò)通信流程圖如圖7所示。

圖6 安卓App主界面

圖7 安卓App網(wǎng)絡(luò)通信流程圖

3 系統(tǒng)實現(xiàn)與測試

本系統(tǒng)實物如圖8所示，左側(cè)為儀器主機(jī)，由烘箱、工控機(jī)及控制系統(tǒng)構(gòu)成，右側(cè)為烘箱中十通道熱熔斷體安裝板，每通道均有用于夾緊被測熱熔斷體的金屬夾，這兩端金屬夾同時被接入單片機(jī)用于判斷被測熱熔斷體的通斷狀態(tài)，而通道中的基座小孔內(nèi)穿出的T型熱電偶熱端與被測元件接觸，獲取其溫度值。

圖8 系統(tǒng)實物圖

3.1 網(wǎng)絡(luò)請求應(yīng)答耗時測試

測試從App端發(fā)送數(shù)據(jù)請求，由設(shè)備端返回數(shù)據(jù)，中間兩次通過物聯(lián)網(wǎng)平臺轉(zhuǎn)發(fā)，整個過程的網(wǎng)絡(luò)耗時。測試分5組，每組300個請求，得出表3數(shù)據(jù)。

由表3得出，手機(jī)App與硬件設(shè)備端的平均網(wǎng)絡(luò)請求應(yīng)答耗時約227ms，最小值穩(wěn)定為140ms，偶爾出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)答慢，但經(jīng)過程序多次嘗試，依然能在2s內(nèi)得到數(shù)據(jù)返回，因此，網(wǎng)絡(luò)通訊速度比較迅速、程序魯棒性強(qiáng)。

表3 網(wǎng)絡(luò)請求應(yīng)答耗時

3.2 熱電偶傳感器得到的熱熔斷體溫度測試曲線

選取動作溫度為155℃的熱熔斷體，使用系統(tǒng)對被測器件進(jìn)行檢測，得到如圖9的溫度曲線。

圖9 熱熔斷體溫度測試曲線

通過以上溫度曲線可以看出，橫軸為時間，縱軸為溫度值（℃），在約110℃之前烘箱快速全功率加溫，之后按參數(shù)自動調(diào)整加熱功率，烘箱溫度通過功率調(diào)節(jié)設(shè)置低速爬升到154.6℃時，熱熔斷體被熔斷，其動作溫度符合標(biāo)稱值，被檢測結(jié)論為合格樣品。

4 結(jié)論

本文為熱熔斷體動作溫度智能檢測設(shè)計開發(fā)了一套基于熱電偶傳感器測量的系統(tǒng)，通過實際測試與實際投入使用，本系統(tǒng)可以提高檢測準(zhǔn)確率和檢測精度以及檢測效率，降低工作人員的勞動強(qiáng)度，得到檢測品的溫度曲線和熔斷動作值報表，具有全自動、無人監(jiān)測的、自動記錄和保存數(shù)據(jù)的功能，并特別地實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)支持下的智能手機(jī)App遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，減少人工操作誤差和減輕人工操作勞動強(qiáng)度，能對熱熔斷體動作溫度的作出科學(xué)、正確的判定，被當(dāng)?shù)刭|(zhì)檢部門應(yīng)用于對熱熔斷體的制造質(zhì)量的檢測。