基于Arduino的電焊機(jī)智能監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

程存欣 遲明路 劉鎣 錢曉艷

關(guān)鍵詞：電焊機(jī);智能監(jiān)測;Arduino;氣體檢測

0引言

目前，我國電焊機(jī)領(lǐng)域已經(jīng)形成了一套完整的研發(fā)、制造和銷售體系。從最初的電阻式電焊機(jī)、手工電弧焊焊機(jī)、氬弧焊電焊機(jī)發(fā)展到現(xiàn)在的半自動(dòng)電弧焊焊機(jī)、智能焊接機(jī)械手臂等，智能化、現(xiàn)代化技術(shù)已融入電焊機(jī)的發(fā)展之中。然而，電焊機(jī)焊接技術(shù)在我國已經(jīng)發(fā)展了40余年，現(xiàn)在仍處于起步階段，焊接行業(yè)依然存在許多問題。實(shí)際上，這也是目前世界上焊接行業(yè)的共性問題，如何做到對環(huán)境友好、數(shù)據(jù)的可視化監(jiān)測與管理，已經(jīng)成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。電焊機(jī)在焊接過程中產(chǎn)生的毒害氣體對人體健康的影響不容忽視，而且，隨著智能化時(shí)代的到來，要求能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測電焊機(jī)生產(chǎn)作業(yè)時(shí)釋放的氣體濃度，保證人體健康和工廠內(nèi)部空氣質(zhì)量安全。

本文以Arduino Mage2560控制板為基礎(chǔ)，通過硬件搭載以及軟件的編程實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)氣體監(jiān)測功能。電焊機(jī)智能監(jiān)測系統(tǒng)硬件模塊主要為Arduino Mega2560主板、溫濕度監(jiān)測模塊、PM2.5環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測模塊、MQl35氣體監(jiān)測模塊、OLED顯示屏顯示模塊以及報(bào)警裝置。軟件系統(tǒng)包括溫濕度監(jiān)測程序設(shè)計(jì)、毒害氣體檢測程序設(shè)計(jì)、PM2.5監(jiān)測程序設(shè)計(jì)、主控制電路軟件程序設(shè)計(jì)。

該系統(tǒng)能夠?qū)附舆^程中產(chǎn)生的高溫和強(qiáng)紫外線作用下產(chǎn)生的重金屬煙霧、粉塵、一氧化碳、氮氧化物等進(jìn)行有效檢測并報(bào)警，大大提高了勞動(dòng)安全性，為實(shí)現(xiàn)電焊機(jī)智能化監(jiān)測與智慧工廠的實(shí)施提供了技術(shù)參考，具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 DHT11溫濕度監(jiān)測模塊

作為工廠環(huán)境測量中最普遍的數(shù)據(jù)，環(huán)境溫濕度對焊接質(zhì)量的影響十分關(guān)鍵。焊接作業(yè)過程中，區(qū)域溫濕度的變化會(huì)間接影響焊接成形可靠性，尤其是在一些焊接質(zhì)量要求較高的場所，溫濕度監(jiān)測就顯得更加重要。除了通過安裝空調(diào)等設(shè)備改變工廠內(nèi)環(huán)境溫濕度，還需有專門設(shè)備對焊接區(qū)域環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，以保證焊接質(zhì)量。DHT11是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器模塊，采用單總線串行數(shù)字接口，可以有效節(jié)約I/O端口，而且其體積小、功耗低，十分適合用于電焊機(jī)周圍的溫濕度檢測，其電氣原理如圖1所示。

1.2 PM2.5粉塵傳感器監(jiān)測模塊

PM2.5是指懸浮在空氣中的一種直徑較小的大氣顆粒物質(zhì)，因其可以在空氣中長時(shí)間存在，并攜帶大量病原體、重金屬等有害物質(zhì)而被人們專門命名為PM2.5。工廠中，尤其是在焊接作業(yè)過程中，經(jīng)常伴有大量的金屬煙塵顆粒釋放，這種重金屬煙塵會(huì)使PM2.5的指數(shù)上升，會(huì)對人體肺部等呼吸道造成傷害。本文選用日本夏普SHARP公司生產(chǎn)的PM2.5灰塵/粉塵傳感器，其電氣原理如圖2所示。

該P(yáng)M2.5傳感器尺寸為45 mmx35 mmxl8 mm，體積較小，是一款專門用于小型電器設(shè)備監(jiān)測的小型傳感器。其檢測原理是根據(jù)反射光實(shí)現(xiàn)粉塵的檢測，內(nèi)部主要由紅外線發(fā)光二極管和光電晶體管構(gòu)成，通電后，傳感器會(huì)通過反射光感知通孔中的煙霧粉塵顆粒，從而實(shí)現(xiàn)粉塵顆粒的檢測。

1.3 MQ135氣體傳感器模塊

針對電焊機(jī)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量一氧化碳和氮氧化物等有毒有害氣體，采用MQ135氣體傳感器模塊對毒害氣體進(jìn)行監(jiān)測，該傳感器是利用對特定氣體比較敏感的電阻制作而成，其主要原材料為二氧化錫，這種材料的特性是當(dāng)所處的氣體環(huán)境較為干凈清潔時(shí)，電阻的導(dǎo)電率很低;當(dāng)所處的環(huán)境空氣污染物較多時(shí)，電阻的導(dǎo)電率就會(huì)增加。如果有害氣體達(dá)到標(biāo)定值，MQ135傳感器模塊會(huì)將數(shù)據(jù)傳送到Arduino mega 2560主控制板，通過報(bào)警裝置提示焊接工人注意排風(fēng)換氣，MQ135傳感器檢測模塊電氣原理如圖3所示。

需要注意的是，MQ135傳感器在使用之前需要提前預(yù)熱，否則測試得到的數(shù)據(jù)會(huì)不準(zhǔn)確。

2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

電焊機(jī)智能監(jiān)測系統(tǒng)中搭載了多種傳感器模塊，每種傳感器模塊需要使用對應(yīng)的軟件進(jìn)行一對一編譯，因此相對應(yīng)軟件的流程也更為復(fù)雜一些。通過編程的方式，可以使相應(yīng)的硬件實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。圖4所示為電焊機(jī)智能監(jiān)測軟件系統(tǒng)流程圖。

電焊機(jī)智能監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)，需要仔細(xì)考慮傳感器與主板之間的通信以及各個(gè)模塊程序的嵌套，要求其邏輯上無錯(cuò)誤、容錯(cuò)率好，程序的穩(wěn)定性良好。使用Arduino進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的好處是可以直接調(diào)用其豐富、現(xiàn)成的庫文件，然后根據(jù)相應(yīng)的功能要求進(jìn)行程序編寫，極大降低了普通用戶學(xué)習(xí)編程的難度，以下是基于各種庫函數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)編輯的各模塊程序展示。

2.1溫濕度傳感器模塊DHT11程序設(shè)計(jì)

DHT1溫濕度傳感器模塊在程序中要實(shí)現(xiàn)的功能是在OLED顯示屏上實(shí)時(shí)顯示電焊機(jī)所處環(huán)境的溫度和濕度，需要根據(jù)設(shè)備型號(hào)選擇對應(yīng)的庫函數(shù)，再根據(jù)要求進(jìn)行程序的編寫，部分程序如下：

2.2 PM2.5粉塵傳感器監(jiān)測模塊程序設(shè)計(jì)

PM2.5監(jiān)測模塊在程序中要實(shí)現(xiàn)的功能是在OLED顯示屏上實(shí)時(shí)顯示電焊機(jī)所處環(huán)境的PM2.5粉塵數(shù)據(jù)。在函數(shù)調(diào)用中需要特別注意計(jì)算濃度函數(shù)，部分程序及注解如下：

int measurePin=0;腚義PM2.5的模擬輸出端口為A0。

intledPower=2;//定義PM2.5的數(shù)字輸出端口為D2。

voMeasured=analogRead（measurePin）：//讀取濃度數(shù)據(jù)。

dustDensity=0.17*calcVoltage-0.1;//濃度數(shù)值計(jì)算。

2.3 MQl 35氣體傳感器模塊程序設(shè)計(jì)

MQl35氣體傳感器監(jiān)測模塊程序設(shè)計(jì)中要實(shí)現(xiàn)的功能：要在OLED顯示屏上實(shí)時(shí)顯示電焊機(jī)所處環(huán)境的有毒、有害氣體含量數(shù)據(jù)，通過設(shè)置報(bào)警激活閾值、實(shí)現(xiàn)氣體超值報(bào)警。若環(huán)境中一氧化碳和氮氧化物等毒害氣體含量超標(biāo)，就會(huì)報(bào)警提示工人進(jìn)行相應(yīng)防護(hù)，MQl35氣體傳感器程序設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

3電焊機(jī)智能監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)試與實(shí)驗(yàn)測試

3.1Arduino mega 2560控制板調(diào)試

電焊機(jī)智能監(jiān)測系統(tǒng)的核心器件是Arduino mega2560控制板，首先需要對控制板和各傳感器模塊進(jìn)行編程操作，控制板需要連接溫濕度傳感器模塊、PM2.5監(jiān)測模塊、MQ135傳感器模塊等。Arduinomega 2560控制板還具有過載自動(dòng)保護(hù)功能。在程序下載過程中，要關(guān)注Arduino IDE的信息提示窗口，如果僅僅是編譯成功，最后沒有顯示“上傳成功”，就需要對掛載的程序代碼進(jìn)行檢查，如果是串口連接故障，就需要更換串口再次下載。

3.2各傳感器模塊實(shí)驗(yàn)測試

電焊機(jī)智能監(jiān)測系統(tǒng)使用多種傳感器模塊，實(shí)現(xiàn)對作業(yè)環(huán)境實(shí)時(shí)信息采集與監(jiān)測。在Arduino mega2560控制板連接各個(gè)傳感器模塊時(shí)，需要對各個(gè)傳感器模塊的指示燈進(jìn)行檢查。DHT11溫濕度傳感器模塊的測試較為簡單，首先需要把編輯好的程序下載到主控板中，然后在屏幕上查看溫濕度示數(shù)是否與當(dāng)前環(huán)境內(nèi)的情況相同。當(dāng)對DHT11吹氣時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)濕度示數(shù)明顯升高，溫度示數(shù)也有上升，當(dāng)使用電烙鐵靠近傳感器時(shí)，顯示屏上的溫度會(huì)升高，而濕度降低。DHT11溫濕度傳感器的作用是對作業(yè)環(huán)境的檢測，通過對溫濕度的把控來提高焊接質(zhì)量，測試結(jié)果如圖6所示。

PM2.5粉塵傳感器監(jiān)測模塊的測試，需要首先準(zhǔn)備艾灸棒或蚊香做為煙霧來源，然后把編輯好的程序下載到主控板中，在屏幕上查看PM2.5檢測示數(shù)是否正常，點(diǎn)燃艾灸棒，當(dāng)艾灸棒靠近PM2.5傳感器時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)濃度升高呈指數(shù)趨勢，由折線圖可明顯看到每立方米空氣的PM2.5含量明顯升高，說明該模塊能夠滿足設(shè)計(jì)要求，測試結(jié)果如圖7所示。

在進(jìn)行MQ135有毒有害氣體監(jiān)測之前，需要首先為MQ135傳感器預(yù)熱，預(yù)熱3～5min之后，將編輯好的程序下載到主控板中，當(dāng)檢測到毒害氣體之后，MQ135氣體傳感器模塊的綠色LED燈會(huì)亮起，可以較為直觀地觀察到是否存在毒害氣體，測試結(jié)果如圖8所示。

最后將全部模塊安裝，下載總程序并完成電焊機(jī)智能監(jiān)測系統(tǒng)的所有測試。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試，各個(gè)模塊工作正常，傳感器響應(yīng)速度快，能實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街靼?，并由OLED屏幕顯示數(shù)據(jù)，設(shè)備能夠穩(wěn)定運(yùn)行，達(dá)到了系統(tǒng)總體測試要求，圖9所示為系統(tǒng)總體實(shí)驗(yàn)測試。

4結(jié)束語

本文通過Arduino mega 2560控制板對以氬弧焊電焊機(jī)為原型的電焊機(jī)智能監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了以Arduino為主控核心的多傳感器融合控制，對空氣溫濕度、環(huán)境毒害氣體以及PM2.5粉塵含量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并具有超量報(bào)警功能，有效提高了作業(yè)安全性，保證了焊接作業(yè)人員的身體健康，本設(shè)計(jì)可望為焊接智慧工廠的建設(shè)奠定基礎(chǔ)。