電類實(shí)驗(yàn)室簡易溫度監(jiān)測系統(tǒng)研究

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：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：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)，所以一般不會出現(xiàn)溫度相關(guān)安全問題，即使有少量不良癥候，也會即使發(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小時(shí)的時(shí)間，而當(dāng)關(guān)閉時(shí)也需要一個小時(shí)以上才能降溫到相對安全的溫度。

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，以嵌入式平臺為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)一個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通過MAX31865放大器進(jìn)行放大，MAX31865放大器可自動調(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)整個系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)。MAX31865的輸出信號通過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。基于ESP8266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，整個系統(tǒng)自動斷電關(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。

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