程存欣 遲明路 劉鎣 錢曉艷

關鍵詞：電焊機;智能監(jiān)測;Arduino;氣體檢測

0引言

目前，我國電焊機領域已經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、手工電弧焊焊機、氬弧焊電焊機發(fā)展到現(xiàn)在的半自動電弧焊焊機、智能焊接機械手臂等，智能化、現(xiàn)代化技術已融入電焊機的發(fā)展之中。然而，電焊機焊接技術在我國已經發(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，已經成為當前研究熱點。電焊機在焊接過程中產生的毒害氣體對人體健康的影響不容忽視，而且，隨著智能化時代的到來，要求能夠實時監(jiān)測電焊機生產作業(yè)時釋放的氣體濃度，保證人體健康和工廠內部空氣質量安全。

本文以Arduino Mage2560控制板為基礎，通過硬件搭載以及軟件的編程實現(xiàn)各項氣體監(jiān)測功能。電焊機智能監(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警裝置。軟件系統(tǒng)包括溫濕度監(jiān)測程序設計、毒害氣體檢測程序設計、PM2.5監(jiān)測程序設計、主控制電路軟件程序設計。

該系統(tǒng)能夠對焊接過程中產生的高溫和強紫外線作用下產生的重金屬煙霧、粉塵、一氧化碳、氮氧化物等進行有效檢測并報警，大大提高了勞動安全性，為實現(xiàn)電焊機智能化監(jiān)測與智慧工廠的實施提供了技術參考，具有實際的應用價值。

1系統(tǒng)硬件設計

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)境溫濕度對焊接質量的影響十分關鍵。焊接作業(yè)過程中，區(qū)域溫濕度的變化會間接影響焊接成形可靠性，尤其是在一些焊接質量要求較高的場所，溫濕度監(jiān)測就顯得更加重要。除了通過安裝空調等設備改變工廠內環(huán)境溫濕度，還需有專門設備對焊接區(qū)域環(huán)境進行實時監(jiān)測，以保證焊接質量。DHT11是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器模塊，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，因其可以在空氣中長時間存在，并攜帶大量病原體、重金屬等有害物質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，經常伴有大量的金屬煙塵顆粒釋放，這種重金屬煙塵會使PM2.5的指數(shù)上升，會對人體肺部等呼吸道造成傷害。本文選用日本夏普SHARP公司生產的PM2.5灰塵/粉塵傳感器，其電氣原理如圖2所示。

該PM2.5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備監(jiān)測的小型傳感器。其檢測原理是根據(jù)反射光實現(xiàn)粉塵的檢測，內部主要由紅外線發(fā)光二極管和光電晶體管構成，通電后，傳感器會通過反射光感知通孔中的煙霧粉塵顆粒，從而實現(xiàn)粉塵顆粒的檢測。

1.3 MQ135氣體傳感器模塊

針對電焊機生產過程中產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所處的氣體環(huán)境較為干凈清潔時，電阻的導電率很低;當所處的環(huán)境空氣污染物較多時，電阻的導電率就會增加。如果有害氣體達到標定值，MQ135傳感器模塊會將數(shù)據(jù)傳送到Arduino mega 2560主控制板，通過報警裝置提示焊接工人注意排風換氣，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熱，否則測試得到的數(shù)據(jù)會不準確。

2系統(tǒng)軟件設計

電焊機智能監(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的軟件進行一對一編譯，因此相對應軟件的流程也更為復雜一些。通過編程的方式，可以使相應的硬件實現(xiàn)預期目標。圖4所示為電焊機智能監(jiān)測軟件系統(tǒng)流程圖。

電焊機智能監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計時，需要仔細考慮傳感器與主板之間的通信以及各個模塊程序的嵌套，要求其邏輯上無錯誤、容錯率好，程序的穩(wěn)定性良好。使用Arduino進行程序設計的好處是可以直接調用其豐富、現(xiàn)成的庫文件，然后根據(jù)相應的功能要求進行程序編寫，極大降低了普通用戶學習編程的難度，以下是基于各種庫函數(shù)進行設計編輯的各模塊程序展示。

2.1溫濕度傳感器模塊DHT11程序設計

DHT1溫濕度傳感器模塊在程序中要實現(xiàn)的功能是在OLED顯示屏上實時顯示電焊機所處環(huán)境的溫度和濕度，需要根據(jù)設備型號選擇對應的庫函數(shù)，再根據(jù)要求進行程序的編寫，部分程序如下：

2.2 PM2.5粉塵傳感器監(jiān)測模塊程序設計

PM2.5監(jiān)測模塊在程序中要實現(xiàn)的功能是在OLED顯示屏上實時顯示電焊機所處環(huán)境的PM2.5粉塵數(shù)據(jù)。在函數(shù)調用中需要特別注意計算濃度函數(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)值計算。

2.3 MQl 35氣體傳感器模塊程序設計

MQl35氣體傳感器監(jiān)測模塊程序設計中要實現(xiàn)的功能：要在OLED顯示屏上實時顯示電焊機所處環(huán)境的有毒、有害氣體含量數(shù)據(jù)，通過設置報警激活閾值、實現(xiàn)氣體超值報警。若環(huán)境中一氧化碳和氮氧化物等毒害氣體含量超標，就會報警提示工人進行相應防護，MQl35氣體傳感器程序設計流程如圖5所示。

3電焊機智能監(jiān)測系統(tǒng)調試與實驗測試

3.1Arduino mega 2560控制板調試

電焊機智能監(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保護功能。在程序下載過程中，要關注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各傳感器模塊實驗測試

電焊機智能監(jiān)測系統(tǒng)使用多種傳感器模塊，實現(xiàn)對作業(yè)環(huán)境實時信息采集與監(jiān)測。在Arduino mega2560控制板連接各個傳感器模塊時，需要對各個傳感器模塊的指示燈進行檢查。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)是否與當前環(huán)境內的情況相同。當對DHT11吹氣時，會發(fā)現(xiàn)濕度示數(shù)明顯升高，溫度示數(shù)也有上升，當使用電烙鐵靠近傳感器時，顯示屏上的溫度會升高，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量，測試結果如圖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，點燃艾灸棒，當艾灸棒靠近PM2.5傳感器時，會發(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計要求，測試結果如圖7所示。

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

最后將全部模塊安裝，下載總程序并完成電焊機智能監(jiān)測系統(tǒng)的所有測試。經過實驗測試，各個模塊工作正常，傳感器響應速度快，能實時將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街靼?，并由OLED屏幕顯示數(shù)據(jù)，設備能夠穩(wěn)定運行，達到了系統(tǒng)總體測試要求，圖9所示為系統(tǒng)總體實驗測試。

4結束語

本文通過Arduino mega 2560控制板對以氬弧焊電焊機為原型的電焊機智能監(jiān)測系統(tǒng)進行設計，實現(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粉塵含量進行實時監(jiān)測，并具有超量報警功能，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，本設計可望為焊接智慧工廠的建設奠定基礎。