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        電類實(shí)驗(yàn)室簡易溫度監(jiān)測系統(tǒng)研究

        2018-01-05 11:22:58朱琳
        現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè) 2018年35期
        關(guān)鍵詞:遠(yuǎn)程監(jiān)控嵌入式系統(tǒng)

        朱琳

        摘 要:高等職業(yè)教育中,電類實(shí)驗(yàn)室眾多,傳統(tǒng)電類實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理往往更注重用電安全,但電類實(shí)訓(xùn)室中仍存在大功率電熱類實(shí)訓(xùn)設(shè)備。利用物聯(lián)網(wǎng)與嵌入式相關(guān)技術(shù),對(duì)已有電類大功率電熱類實(shí)驗(yàn)設(shè)備加裝簡易溫度監(jiān)測設(shè)備,并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸溫度數(shù)據(jù),實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控,可以提高管理效率,確保實(shí)訓(xùn)室安全管理水平,更適應(yīng)開放式實(shí)驗(yàn)室等現(xiàn)代實(shí)踐能力培養(yǎng)新模式。

        關(guān)鍵詞:嵌入式系統(tǒng);溫度傳感;波峰焊爐;遠(yuǎn)程監(jiān)控;回流焊爐

        中圖分類號(hào):TB 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A doi:10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.35.094

        1 需要解決的問題

        由于電子信息產(chǎn)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)重要組成部分,是國家中國制造2025戰(zhàn)略規(guī)劃的重點(diǎn)內(nèi)涵之一。目前高職院校中大量開設(shè)了電子信息類專業(yè)或是相關(guān)課程。隨著電子工藝、表面安裝技術(shù)等電子產(chǎn)品制造類實(shí)踐項(xiàng)目的廣泛開設(shè),相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的安全管理成為不容忽視的問題。

        波峰焊爐,回流焊爐是典型電熱類設(shè)備。具有功率大,加工速度快等優(yōu)點(diǎn),在工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。典型電子產(chǎn)品焊接生產(chǎn)車間都要求配備恒溫空調(diào)設(shè)備,工作場所空間大,通風(fēng)換氣良好,操作人員隨時(shí)看護(hù),所以一般不會(huì)出現(xiàn)溫度相關(guān)安全問題,即使有少量不良癥候,也會(huì)即使發(fā)現(xiàn)并處理。但在教學(xué)實(shí)踐環(huán)境中,由于設(shè)備升溫降溫慢,發(fā)熱量大,往往需要占用大量時(shí)間。例如典型工業(yè)用波峰焊爐,爐內(nèi)焊錫從凝固到完全融化形成波峰往往需要三個(gè)小時(shí)的時(shí)間,而當(dāng)關(guān)閉時(shí)也需要一個(gè)小時(shí)以上才能降溫到相對(duì)安全的溫度。

        傳統(tǒng)電類實(shí)驗(yàn)室安全管理往往注重用電安全。當(dāng)實(shí)踐結(jié)束,設(shè)備拉閘斷電后管理人員就能封閉實(shí)訓(xùn)區(qū)域,進(jìn)入下一個(gè)實(shí)踐場所教學(xué)。可回流焊爐等大型發(fā)熱設(shè)備,升溫期就需要進(jìn)行巡視。即使斷電后,散熱扔在繼續(xù)。如果現(xiàn)場散熱能力不良,斷電后風(fēng)扇換氣設(shè)備不能使用,導(dǎo)致積熱過高可能損壞設(shè)備內(nèi)部器件,加快部件老化,甚至?xí)T發(fā)火災(zāi)等險(xiǎn)情。如果采取現(xiàn)場專人全程看護(hù)的方法,一般院校難以保障足夠的人力。

        由于目前實(shí)踐教學(xué)模式改革仍在加快,開放式實(shí)訓(xùn)室等新模式對(duì)實(shí)驗(yàn)室管理提出了更高要求。如何解決大型電熱類設(shè)備安全,杜絕高溫?fù)p傷,排除火災(zāi)隱患成了一個(gè)需要解決的現(xiàn)實(shí)問題。

        隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,實(shí)訓(xùn)樓整體建設(shè)大型物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)所有設(shè)備進(jìn)行信息化管理是解決問題的根本辦法。但此方法投資大,建設(shè)周期長,并非所有院校都能具備相關(guān)條件。在不具備近期實(shí)施物聯(lián)網(wǎng)改造的實(shí)訓(xùn)室,可以采用在設(shè)備外壁加裝簡易溫度檢測系統(tǒng),進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

        如果有一種成本相對(duì)低廉,安裝簡單,能獨(dú)立接入網(wǎng)絡(luò)的溫度監(jiān)控設(shè)備。就能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的溫度監(jiān)控。無論是實(shí)驗(yàn)員還是實(shí)驗(yàn)管理部門都能實(shí)時(shí)掌握設(shè)備溫度狀況,而無需安排專人現(xiàn)場監(jiān)視。

        在此指導(dǎo)思想下,以嵌入式平臺(tái)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)一個(gè)以電池供電的簡易的檢測系統(tǒng)。監(jiān)測系統(tǒng)用溫度傳感器測量溫度后,通過wifi發(fā)送至網(wǎng)絡(luò),而實(shí)驗(yàn)管理人員通過網(wǎng)絡(luò)訪問監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

        2 實(shí)踐系統(tǒng)組成

        本簡易溫度檢測系統(tǒng)基于STM32嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì),采用基于MAX31865的溫度檢測模塊作為溫度傳感器,采樣檢測數(shù)據(jù)通過ESP8266模塊連接無線網(wǎng)絡(luò)視線,同時(shí)主控模塊上提供一個(gè)OLED2.4寸液晶屏實(shí)時(shí)顯示溫度,以便現(xiàn)場目視檢測。

        嵌入式系統(tǒng)模塊:采用STM32F103系列嵌入式芯片作為MCU,STM32F103是意法半導(dǎo)體公司提供的嵌入式芯片,具有優(yōu)秀32位的實(shí)時(shí)計(jì)算性能,同時(shí)擁有豐富的外圍接口方便連接各類外設(shè)。在提供優(yōu)秀計(jì)算性能同時(shí),STM32F103平臺(tái)具備優(yōu)秀的功耗控制,適合低功耗場合。本設(shè)計(jì)在通電時(shí)使用外電源供電并對(duì)電池充電,當(dāng)實(shí)驗(yàn)室斷電后使用電池供電,記錄溫度數(shù)據(jù),當(dāng)設(shè)備溫度降到安全溫度以下時(shí),自動(dòng)斷電關(guān)閉以節(jié)約電池。所以低功耗的STM32F103非常適合用于本設(shè)計(jì)中。

        溫度檢測模塊:采用基于熱電偶進(jìn)行直接測量,傳感器的電阻參數(shù)變化帶來的電壓波動(dòng)通過MAX31865放大器進(jìn)行放大,MAX31865放大器可自動(dòng)調(diào)整并設(shè)置補(bǔ)償電阻,溫度測量輸出的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確度更高。同時(shí)該芯片支持3.3V供電,適應(yīng)整個(gè)系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)。MAX31865的輸出信號(hào)通過SPI總線讀入STM32MCU。經(jīng)過STM32自帶AD轉(zhuǎn)換,由程序算法計(jì)算為當(dāng)前設(shè)備外殼溫度。

        網(wǎng)絡(luò)連接模塊:采用ESP8266WIFI無線模塊作為。ESP8266是專為WIFI應(yīng)用設(shè)計(jì)的SOC?;贓SP8266的無線連接模塊提供了與WIFI網(wǎng)絡(luò)通信的完整解決方案。MCU通過串口總線與ESP8266連接,進(jìn)行WIFI網(wǎng)絡(luò)下的數(shù)據(jù)開發(fā)。由于ESP8266封裝好了典型網(wǎng)絡(luò)通信API程序,軟件通信功能開發(fā)比較方便。

        供電模塊:當(dāng)設(shè)備有電時(shí),由3.3V直流穩(wěn)壓器提供直接供電。當(dāng)實(shí)驗(yàn)室斷電時(shí),由18650電池供電。電池電壓通過穩(wěn)壓模塊形成3.3V供電電壓。當(dāng)溫度模塊測量溫度穩(wěn)定降到安全值以下一分鐘后,MCU控制繼電器斷開,整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)斷電關(guān)閉。

        現(xiàn)場監(jiān)視模塊:為了方便現(xiàn)場人員觀察,STM32系統(tǒng)板上提供一個(gè)基于SPI接口的OLED液晶輸出。在監(jiān)測模塊開機(jī)的狀態(tài)下,按下控制開關(guān)后,OLED屏?xí)@示當(dāng)前溫度傳感模塊的溫度,方便現(xiàn)場人員目視監(jiān)測。

        遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng):實(shí)驗(yàn)室需提供WIFI覆蓋的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。實(shí)施測量外殼溫度數(shù)據(jù)經(jīng)MCU計(jì)算后,通過ESP8266發(fā)送到網(wǎng)上固定IP的服務(wù)器上。服務(wù)器通過HTML5交互界面將溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示,實(shí)驗(yàn)員通過訪問特定頁面即可監(jiān)視設(shè)備溫度。如果校園網(wǎng)不具備提供相關(guān)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。也可以將系統(tǒng)改由局域網(wǎng)訪問。將手機(jī)設(shè)為WIFI熱點(diǎn)后,手機(jī)連接訪問溫度檢測模塊,再由通過WIFI通用測試APP將溫度數(shù)據(jù)讀出。

        3 系統(tǒng)擴(kuò)展性

        本設(shè)計(jì)是在低成本下為沒有物聯(lián)網(wǎng)覆蓋的實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)簡易遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。實(shí)驗(yàn)室管理人員能在不在場的條件下對(duì)電熱類設(shè)備的當(dāng)前溫度進(jìn)行監(jiān)控。例如實(shí)驗(yàn)員完成本次電熱類設(shè)備實(shí)驗(yàn)之后,可離開實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行后續(xù)課程的教學(xué)。本系統(tǒng)能將溫度監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器上。實(shí)驗(yàn)員可以在教學(xué)間隙,觀察設(shè)備溫度,避免事故隱患。

        由于成本限制,目前系統(tǒng)功能相對(duì)簡單。如果為了提高溫度測量的準(zhǔn)確度,可以在設(shè)備不同位置,增加傳感器探頭,形成多路測量,讓監(jiān)測結(jié)果更加的準(zhǔn)確。在無法提供服務(wù)器的場合下,本設(shè)計(jì)可以改為使用WIFI局域網(wǎng)進(jìn)行通信。如果有需要,可以編寫專門的APP程序,提供更直觀的界面并增加自動(dòng)報(bào)警之類的拓展功能。

        4 結(jié)論

        物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)給日常工作生活帶來了革命性的變化。使用嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)建立簡單的監(jiān)控系統(tǒng),安裝簡單,網(wǎng)絡(luò)環(huán)境要求低,能極大解放實(shí)驗(yàn)室管理人員。提高實(shí)驗(yàn)設(shè)備的管理效率和安全性。如果繼續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì),提供更有效的網(wǎng)絡(luò)訪問方式,能更好的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能。

        參考文獻(xiàn)

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        [3]陳金輝,韓媛媛,周海燕.STM32F103在變電站通訊管理單元的應(yīng)用[J].儀器儀表用戶,2010,(04).

        [4]樊智一.基于STM32的無線WIFI溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子世界,2016,(18).

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