莫長(zhǎng)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(xiǎn)絲，是一種裝有熱元件的不可復(fù)位器件，當(dāng)超過設(shè)計(jì)溫度達(dá)到足夠長(zhǎng)時(shí)間時(shí)便會(huì)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(dòng)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(yàn)環(huán)節(jié)，都要對(duì)其動(dòng)作溫度進(jìn)行測(cè)量，所測(cè)得的動(dòng)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(cè)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(cè)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(shí)現(xiàn)全自動(dòng)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(jì)算機(jī)上位機(jī)作為控制核心的方案[5]，但并無實(shí)現(xiàn)單片機(jī)底層工作以及物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。因此，本文提出一種針對(duì)多通道的熱熔斷體動(dòng)作溫度測(cè)量系統(tǒng)，系統(tǒng)使用一種分段的實(shí)時(shí)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(bào)表和物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸功能，滿足實(shí)際的應(yīng)用需求。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

基于熱電偶的熱熔斷體動(dòng)作溫度檢測(cè)系統(tǒng)框圖如圖1所示，其主要由熱電偶傳感溫度測(cè)量模塊、單片機(jī)、工控機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)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(cè)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(shí)間與溫度曲線，當(dāng)其在一定的加熱溫度下熔斷時(shí)，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(tái)后，安卓App便可實(shí)時(shí)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(cè)

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(shí)際應(yīng)用中，A、B一端會(huì)被焊接在一起，即T2點(diǎn)，稱為熱端，接被測(cè)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(shí)，又由于A、B的材料不同，則會(huì)在電路回路中產(chǎn)生一定的熱電動(dòng)勢(shì)EAB（t2,t1），主要包括接觸電勢(shì)與溫差電勢(shì)[6]。

熱電偶材料不同會(huì)形成兩點(diǎn)的接觸電勢(shì)差，如式(1)所示；而其溫度差異會(huì)產(chǎn)生溫差電勢(shì)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(shí)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(shì)為上述兩個(gè)電勢(shì)差的和，但溫差電勢(shì)比接觸電勢(shì)小得多，可忽略不計(jì)，則總電勢(shì)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(shì)EAB（t2，t1）只和熱端，即測(cè)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(cè)量并得到電動(dòng)勢(shì)的值，就可以得到熱電偶熱端被測(cè)元件溫度。

由于被測(cè)熱熔斷體動(dòng)作溫度大多在250℃以下，在相對(duì)合理的熱電偶測(cè)量量程內(nèi)，而且T型熱電偶由銅、銅鎳兩種金屬組成，測(cè)量范圍從-200℃～+350℃[7]，量程在被測(cè)熱熔斷體的動(dòng)作溫度的最合理的范圍內(nèi)，其線性度好，熱電勢(shì)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(cè)量模塊。

905M06溫度測(cè)量模塊主要完成12個(gè)溫度點(diǎn)的測(cè)量，包括十個(gè)通道的熱熔斷體溫度測(cè)量與兩通道的烘箱箱體不同位置的溫度測(cè)量，經(jīng)由串口把測(cè)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(cè)量模塊的串口通信協(xié)議如表1所示，其中，各個(gè)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(jì)

經(jīng)過綜合功能、價(jià)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(jì)要求，特別是其IO口內(nèi)置上拉、下拉電阻的配置選項(xiàng)非常豐富、多個(gè)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(duì)外圍多設(shè)備進(jìn)行通信與控制的應(yīng)用場(chǎng)景。

單片機(jī)部分主要完成檢測(cè)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(jì)如圖3所示。

表1 工控機(jī)與溫度測(cè)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(shí)，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(guó)標(biāo)規(guī)定的10mA，保證對(duì)其動(dòng)作溫度的測(cè)量不產(chǎn)生干擾。以其中一個(gè)檢測(cè)通道為例，IO口連接被測(cè)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(shí)，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(gè)通道的被測(cè)熱熔斷體的通斷情況。

對(duì)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(dòng)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(jì)

2.1 單片機(jī)模塊軟件設(shè)計(jì)

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(jí)功率控制算法控制烘箱溫度?；舅悸啡鐖D4所示，其中兩個(gè)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(shí)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(shí)，每周期100份細(xì)分都以高電平輸出，后級(jí)固態(tài)繼電器控制市電全時(shí)段全功率接通。以此類推，當(dāng)設(shè)置不同的二級(jí)功率設(shè)定值時(shí)，程序算法通過統(tǒng)計(jì)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(jí)功率控制算法流程圖

烘箱是具有一定危險(xiǎn)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(cè)兩者超過一定的時(shí)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(shí)啟動(dòng)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(jì)與實(shí)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(gè)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(jí)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(jì)

工控機(jī)控制軟件基于面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)，以Delphi Tokyo為開發(fā)平臺(tái)，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(cè)試控制模塊中，必須使用串口和單片機(jī)、溫度檢測(cè)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試控制。在軟件上，使用第三方通信控件TCOMPORT實(shí)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(duì)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(guó)移動(dòng)OneNet物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，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(tái)的EDP通信協(xié)議?？紤]到不影響前臺(tái)的人機(jī)界面效率，采用多線程后臺(tái)連接的方式。idTCPclient控件實(shí)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(jì)顯示控件顯示當(dāng)前通道溫度；數(shù)據(jù)報(bào)表模塊基于用戶設(shè)置的各通道基本信息，自動(dòng)判斷被測(cè)元件是否達(dá)標(biāo)，并由Grid Report++控件給出打印報(bào)表，最后完成測(cè)試工作。

2.3 安卓App軟件設(shè)計(jì)

安卓App的設(shè)計(jì)平臺(tái)與工控機(jī)保持一致，同樣采用跨平臺(tái)編譯器Delphi完成。App主要完成與工控機(jī)用戶名的匹配校驗(yàn)、實(shí)時(shí)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(tái)OneNet的連接，且同樣遵循平臺(tái)的EDP協(xié)議，它后臺(tái)線程中發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求，接收設(shè)備的數(shù)據(jù)返回后，用戶名密碼核對(duì)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(shí)現(xiàn)與測(cè)試

本系統(tǒng)實(shí)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(cè)熱熔斷體的金屬夾，這兩端金屬夾同時(shí)被接入單片機(jī)用于判斷被測(cè)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(cè)元件接觸，獲取其溫度值。

圖8 系統(tǒng)實(shí)物圖

3.1 網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求應(yīng)答耗時(shí)測(cè)試

測(cè)試從App端發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求，由設(shè)備端返回?cái)?shù)據(jù)，中間兩次通過物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)，整個(gè)過程的網(wǎng)絡(luò)耗時(shí)。測(cè)試分5組，每組300個(gè)請(qǐng)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(qǐng)求應(yīng)答耗時(shí)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(qǐng)求應(yīng)答耗時(shí)

3.2 熱電偶傳感器得到的熱熔斷體溫度測(cè)試曲線

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

圖9 熱熔斷體溫度測(cè)試曲線

通過以上溫度曲線可以看出，橫軸為時(shí)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(dòng)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(shí)，熱熔斷體被熔斷，其動(dòng)作溫度符合標(biāo)稱值，被檢測(cè)結(jié)論為合格樣品。

4 結(jié)論

本文為熱熔斷體動(dòng)作溫度智能檢測(cè)設(shè)計(jì)開發(fā)了一套基于熱電偶傳感器測(cè)量的系統(tǒng)，通過實(shí)際測(cè)試與實(shí)際投入使用，本系統(tǒng)可以提高檢測(cè)準(zhǔn)確率和檢測(cè)精度以及檢測(cè)效率，降低工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，得到檢測(cè)品的溫度曲線和熔斷動(dòng)作值報(bào)表，具有全自動(dòng)、無人監(jiān)測(cè)的、自動(dòng)記錄和保存數(shù)據(jù)的功能，并特別地實(shí)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(dòng)強(qiáng)度，能對(duì)熱熔斷體動(dòng)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(duì)熱熔斷體的制造質(zhì)量的檢測(cè)。