基于Arduino的電焊機智能監測系統設計

程存欣 遲明路 劉鎣 錢曉艷

關鍵詞：電焊機;智能監測;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、制造和銷售體系。從最初的電阻式電焊機、手工電弧焊焊機、氬弧焊電焊機發展到現在的半自動電弧焊焊機、智能焊接機械手臂等，智能化、現代化技術已融入電焊機的發展之中。然而，電焊機焊接技術在我國已經發展了40余年，現在仍處于起步階段，焊接行業依然存在許多問題。實際上，這也是目前世界上焊接行業的共性問題，如何做到對環境友好、數據的可視化監測與管理，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，要求能夠實時監測電焊機生產作業時釋放的氣體濃度，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各項氣體監測功能。電焊機智能監測系統硬件模塊主要為Arduino Mega2560主板、溫濕度監測模塊、PM2.5環境質量監測模塊、MQl35氣體監測模塊、OLED顯示屏顯示模塊以及報警裝置。軟件系統包括溫濕度監測程序設計、毒害氣體檢測程序設計、PM2.5監測程序設計、主控制電路軟件程序設計。

該系統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，為實現電焊機智能化監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系統硬件設計

1.1 DHT11溫濕度監測模塊

作為工廠環境測量中最普遍的數據，環境溫濕度對焊接質量的影響十分關鍵。焊接作業過程中，區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境溫濕度，還需有專門設備對焊接區域環境進行實時監測，以保證焊接質量。DHT11是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器模塊，采用單總線串行數字接口，可以有效節約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測的小型傳感器。其檢測原理是根據反射光實現粉塵的檢測，內部主要由紅外線發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境較為干凈清潔時，電阻的導電率很低;當所處的環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傳感器模塊會將數據傳送到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，否則測試得到的數據會不準確。

2系統軟件設計

電焊機智能監測系統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預期目標。圖4所示為電焊機智能監測軟件系統流程圖。

電焊機智能監測系統軟件設計時，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、現成的庫文件，然后根據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的功能是在OLED顯示屏上實時顯示電焊機所處環境的溫度和濕度，需要根據設備型號選擇對應的庫函數，再根據要求進行程序的編寫，部分程序如下：

2.2 PM2.5粉塵傳感器監測模塊程序設計

PM2.5監測模塊在程序中要實現的功能是在OLED顯示屏上實時顯示電焊機所處環境的PM2.5粉塵數據。在函數調用中需要特別注意計算濃度函數，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的數字輸出端口為D2。

voMeasured=analogRead（measurePin）：//讀取濃度數據。

dustDensity=0.17*calcVoltage-0.1;//濃度數值計算。

2.3 MQl 35氣體傳感器模塊程序設計

MQl35氣體傳感器監測模塊程序設計中要實現的功能：要在OLED顯示屏上實時顯示電焊機所處環境的有毒、有害氣體含量數據，通過設置報警激活閾值、實現氣體超值報警。若環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電焊機智能監測系統調試與實驗測試

3.1Arduino mega 2560控制板調試

電焊機智能監測系統的核心器件是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

電焊機智能監測系統使用多種傳感器模塊，實現對作業環境實時信息采集與監測。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是否與當前環境內的情況相同。當對DHT11吹氣時，會發現濕度示數明顯升高，溫度示數也有上升，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環境的檢測，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檢測示數是否正常，點燃艾灸棒，當艾灸棒靠近PM2.5傳感器時，會發現濃度升高呈指數趨勢，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測系統的所有測試。經過實驗測試，各個模塊工作正常，傳感器響應速度快，能實時將數據傳輸到主板，并由OLED屏幕顯示數據，設備能夠穩定運行，達到了系統總體測試要求，圖9所示為系統總體實驗測試。

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測系統進行設計，實現了以Arduino為主控核心的多傳感器融合控制，對空氣溫濕度、環境毒害氣體以及PM2.5粉塵含量進行實時監測，并具有超量報警功能，有效提高了作業安全性，保證了焊接作業人員的身體健康，本設計可望為焊接智慧工廠的建設奠定基礎。