基于物聯網的熱熔斷體動作溫度檢測系統設計

莫長江，黃 贊

（1.嶺南師范學院 信息工程學院，湛江 524048；2.嶺南師范學院 機電工程學院，湛江 524048）

0 引言

熱熔斷體也稱為溫度熔斷器或者溫度保險絲，是一種裝有熱元件的不可復位器件，當超過設計溫度達到足夠長時間時便會斷開。熱熔斷體承受電流流大、體積小、性能穩定、使用方便，且具有一定范圍的濕度設置和承載能力，因此廣泛應用于電子設備、工業設備等制造業產品中[1,2]。

額定動作溫度Tf[3]，即熔斷溫度，該溫度值由制造廠商規定。在工廠生產制造與質量檢驗環節，都要對其動作溫度進行測量，所測得的動作溫度值都不應大于Tf，是體現熱熔斷體超溫保護特性的最重要指標，其準確與否，直接影響到使用熱熔斷體的相關產品的安全性能，特別是在相關產品的正常使用性能失效后，如果沒有熱熔斷體的過熱保護作用，產品將一直處于非正常工作狀態，極大概率出現燒壞、起火、漏電、漏電傷人的嚴重后果。

傳統的檢測方法，如文獻[3,4]中或主要依靠人工調節加熱烘箱溫度[3]，肉眼觀察串聯在熱熔斷體上的電流表是否有讀數的方式去判斷其通斷，測量方法繁瑣，存在人為誤差與失誤的可能性較大；或是程控升溫，但同樣沒有實現全自動無人值守記錄、遠程監視[4]，而在文獻[5]中，提出了采用計算機上位機作為控制核心的方案[5]，但并無實現單片機底層工作以及物聯網平臺實現遠程監控。因此，本文提出一種針對多通道的熱熔斷體動作溫度測量系統，系統使用一種分段的實時控制烘箱溫度算法，并由單片機監視各通道上的熔斷體是否斷開，最終由工控機提供顯示界面、報表和物聯網數據傳輸功能，滿足實際的應用需求。

1 系統的硬件設計

基于熱電偶的熱熔斷體動作溫度檢測系統框圖如圖1所示，其主要由熱電偶傳感溫度測量模塊、單片機、工控機、物聯網平臺與安卓App功能模塊組成。

圖1 系統框圖

由圖1可以得到，系統中工控機程序與溫度測量模塊通訊獲得各組溫度值；另一方面，與單片機模塊通訊，取得十通道熔斷體的通斷狀態。而單片機模塊還負責控制烘箱加熱過程，在烘箱溫度不斷上升的過程中，主控制程序程序監控熱熔斷體溫度、是否熔斷，記錄時間與溫度曲線，當其在一定的加熱溫度下熔斷時，記錄當前通道溫度；當所有的熱熔斷體熔斷后，并關閉烘箱加熱。最后加入物聯網云平臺后，安卓App便可實時查看各通道溫度及熱熔斷體狀態。

1.1 熱電偶傳感溫度檢測

熱電偶是一種常規的溫度傳感器，應用非常普遍，它由兩種不同的材料A、B構成回路，如圖2所示。

圖2 熱電偶傳感器連接圖

實際應用中，A、B一端會被焊接在一起，即T2點，稱為熱端，接被測物體，而A、B的另一端也接在一起，形成T1點，稱為冷端、參考端。當T1，T2兩點溫度不同，分別為t1，t2時，又由于A、B的材料不同，則會在電路回路中產生一定的熱電動勢EAB（t2,t1），主要包括接觸電勢與溫差電勢[6]。

熱電偶材料不同會形成兩點的接觸電勢差，如式(1)所示；而其溫度差異會產生溫差電勢差，如式(2)所示。

其中，k為玻爾茲曼常數，e代表電子電荷量，NAt2、NBt2、NAt1、NBt1代表兩種金屬各自在t1，t2溫度時的自由電子密度，δA、δB分別為兩種金屬的湯姆遜系數，其數值非常小，熱電偶產生的總電勢為上述兩個電勢差的和，但溫差電勢比接觸電勢小得多，可忽略不計，則總電勢得到式(3)：

從式(3)中可以看出，如果冷端溫度t1保持不變，總電勢EAB（t2，t1）只和熱端，即測量點溫度t2成單值函數關系，繼續得到式(4)：

C代表中熱電偶傳感器冷端部分的常量，因此，只要系統測量并得到電動勢的值，就可以得到熱電偶熱端被測元件溫度。

由于被測熱熔斷體動作溫度大多在250℃以下，在相對合理的熱電偶測量量程內，而且T型熱電偶由銅、銅鎳兩種金屬組成，測量范圍從-200℃～+350℃[7]，量程在被測熱熔斷體的動作溫度的最合理的范圍內，其線性度好，熱電勢較大，靈敏度高，均勻性較好，穩定性好，故選擇以T型熱電偶為溫度傳感器的兩組六路安東905M06溫度測量模塊。

905M06溫度測量模塊主要完成12個溫度點的測量，包括十個通道的熱熔斷體溫度測量與兩通道的烘箱箱體不同位置的溫度測量，經由串口把測量得到的溫度值發送至工控機軟件，工控機與溫度測量模塊的串口通信協議如表1所示，其中，各個通道溫度返回值為兩字節數再除以十得到，精確到小數后一位。

1.2 單片機模塊電路設計

經過綜合功能、價格、易用性等考慮因素，選定STC15W4k56S4單片機[8]，能夠滿足本控制系統的設計要求，特別是其IO口內置上拉、下拉電阻的配置選項非常豐富、多個獨立串口、互不干擾的特性，非常契合系統的需求。此外，STC15W4k56S4具有性能可靠、穩定性高、寬電壓、功耗低，適合數據處理要求不高，但要對外圍多設備進行通信與控制的應用場景。

單片機部分主要完成檢測十通道熱熔斷體的熔斷狀態以及控制烘箱的溫度加熱過程，具體電路設計如圖3所示。

表1 工控機與溫度測量模塊串口通信協議

圖3 單片機模塊電路圖

其中，單片機由J4的USB口5V供電，并使用CH340USB轉串口與工控機通信。當單片機系統工作電壓為5V，開啟P2，P0低6位的IO口上拉電阻，配置IO口為弱上拉時，IO口的拉電流約為250μ A，在電路中，通過熱熔斷體的電流遠遠低于國標規定的10mA，保證對其動作溫度的測量不產生干擾。以其中一個檢測通道為例，IO口連接被測熱熔斷體一端，而熱熔斷體的另一端接地，形成回路，當熱熔斷體未被熔斷開時，單片機內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，可讀取其他各個通道的被測熱熔斷體的通斷情況。

對烘箱的加熱，主要依賴環繞在其箱體內部，十通道熔斷體安裝板下部的加熱管控制。使用單片機P4.0，并配置成推挽輸出（具有最大20mA的驅動能力），可直接接DC-AC固態繼電器，選型為SSR-25DA，SSR的輸出端再接烘箱加熱管。這樣，使用單片機IO口，便可控制市電是否接通烘箱加熱管工作。

2 系統的軟件設計

2.1 單片機模塊軟件設計

除了保證單片機穩定讀取十通道的通斷狀態外，本文提出了一種二級功率控制算法控制烘箱溫度。基本思路如圖4所示，其中兩個位于內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，而單片機的輸出方波使用定時器細分成100等份，每份10ms，可以形成以1秒為周期的方波輸出。當方波設置占空比為100%時，每周期100份細分都以高電平輸出，后級固態繼電器控制市電全時段全功率接通。以此類推，當設置不同的二級功率設定值時，程序算法通過統計每周期內相應數量的高電平細分，得到不同占空比的方波，從而控制烘箱的發熱功率。

圖4 二級功率控制算法流程圖

烘箱是具有一定危險隱患的設備，為避免烘箱溫度超過安全值，程序設定了溫度保護上限值，當箱內溫度超過上限值便關閉烘箱的固態繼電器控制，另外，為協調工控機程序，如果工控機軟件關閉，或者檢測兩者超過一定的時間內無串口通信情況下同樣執行關閉烘箱加熱的操作，同時啟動單片機看門狗，防止其受外部干擾等造成程序故障，這樣的多重預防機制保證設備與環境安全。

表2 單片機與工控機通信協議幀

在單片機的串口通訊部分，設計與實現了一種與工控機互相通信的幀格式，定義如表2所示，雙方的數據傳輸按照如下的方式約定，以中斷或問答的形式，完成個中命令和數值的傳遞。

雙方所有的命令和數據來往，均以表2為標準，制定了握手幀，熱熔斷體通斷狀態上傳幀、設置二級功率控制參數幀等，在單片機串口接收中斷程序內部，程序采用狀態機機制，確保其接收幀數據的正確性。

2.2 工控機軟件設計

工控機控制軟件基于面向對象程序設計，以Delphi Tokyo為開發平臺，使用Object Pascal語言[9]進行程序開發，其軟件框架如圖5所示。

圖5 工控機控制軟件框架

其中，在熱熔斷體測試控制模塊中，必須使用串口和單片機、溫度檢測模塊進行通信，得到熱熔斷體通斷狀態和通道上熱熔斷體的當前溫度，才能實現自動測試控制。在軟件上，使用第三方通信控件TCOMPORT實現該功能，寫串口的函數為：Comport1.Write（buf，bufsize）；而讀串口則結合ComportDataPacket控件使用對象的OnPacket接收事件，獲得數據幀字符串后轉化成字節數組再進行處理。

本方案采用中國移動OneNet物聯網平臺，其優點是不需要自行搭建服務器，免去了大量的維護成本。工控機與之連接則由idTCPclient控件完成，并遵循平臺的EDP通信協議。考慮到不影響前臺的人機界面效率，采用多線程后臺連接的方式。idTCPclient控件實例變量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工業控件中的LED顯示、溫度計顯示控件顯示當前通道溫度；數據報表模塊基于用戶設置的各通道基本信息，自動判斷被測元件是否達標，并由Grid Report++控件給出打印報表，最后完成測試工作。

2.3 安卓App軟件設計

安卓App的設計平臺與工控機保持一致，同樣采用跨平臺編譯器Delphi完成。App主要完成與工控機用戶名的匹配校驗、實時數據獲取與曲線顯示的工作。開發中，TeeChart圖標控件顯示溫度曲線、StringGrid控件以表格形式描述各通道狀態、idHttp控件負責與物聯網平臺OneNet的連接，且同樣遵循平臺的EDP協議，它后臺線程中發送數據請求，接收設備的數據返回后，用戶名密碼核對通過后進行數據解釋與顯示。安卓App的主界面如圖6所示，而在App多線程部分的網絡通信流程圖如圖7所示。

圖6 安卓App主界面

圖7 安卓App網絡通信流程圖

3 系統實現與測試

本系統實物如圖8所示，左側為儀器主機，由烘箱、工控機及控制系統構成，右側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熱熔斷體的金屬夾，這兩端金屬夾同時被接入單片機用于判斷被測熱熔斷體的通斷狀態，而通道中的基座小孔內穿出的T型熱電偶熱端與被測元件接觸，獲取其溫度值。

圖8 系統實物圖

3.1 網絡請求應答耗時測試

測試從App端發送數據請求，由設備端返回數據，中間兩次通過物聯網平臺轉發，整個過程的網絡耗時。測試分5組，每組300個請求，得出表3數據。

由表3得出，手機App與硬件設備端的平均網絡請求應答耗時約227ms，最小值穩定為140ms，偶爾出現網絡應答慢，但經過程序多次嘗試，依然能在2s內得到數據返回，因此，網絡通訊速度比較迅速、程序魯棒性強。

表3 網絡請求應答耗時

3.2 熱電偶傳感器得到的熱熔斷體溫度測試曲線

選取動作溫度為155℃的熱熔斷體，使用系統對被測器件進行檢測，得到如圖9的溫度曲線。

圖9 熱熔斷體溫度測試曲線

通過以上溫度曲線可以看出，橫軸為時間，縱軸為溫度值（℃），在約110℃之前烘箱快速全功率加溫，之后按參數自動調整加熱功率，烘箱溫度通過功率調節設置低速爬升到154.6℃時，熱熔斷體被熔斷，其動作溫度符合標稱值，被檢測結論為合格樣品。

4 結論

本文為熱熔斷體動作溫度智能檢測設計開發了一套基于熱電偶傳感器測量的系統，通過實際測試與實際投入使用，本系統可以提高檢測準確率和檢測精度以及檢測效率，降低工作人員的勞動強度，得到檢測品的溫度曲線和熔斷動作值報表，具有全自動、無人監測的、自動記錄和保存數據的功能，并特別地實現了物聯網支持下的智能手機App遠程監控功能，減少人工操作誤差和減輕人工操作勞動強度，能對熱熔斷體動作溫度的作出科學、正確的判定，被當地質檢部門應用于對熱熔斷體的制造質量的檢測。