基于ESP32的溫度控制檢測(cè)裝置

覃昇學(xué),葉運(yùn)黎,陳錦輝,車志強(qiáng)

(廣東理工學(xué)院電氣與電子工程學(xué)院 廣東 肇慶 526100)

0 引言

溫度的檢測(cè)與控制是工業(yè)生產(chǎn)中自動(dòng)執(zhí)行控制系統(tǒng)的重要任務(wù)之一,絕大多數(shù)故障的原因是因?yàn)殡娐钒鍙纳a(chǎn)區(qū)開始出現(xiàn)的漏焊、假焊、虛焊,以及長(zhǎng)時(shí)間不規(guī)范操作導(dǎo)致電路板損害、溫度過高、線路熔斷短路等情況。在維修過程中,往往要依靠萬用表以及紅外檢測(cè)儀等工具結(jié)合實(shí)際的功能進(jìn)行維修檢測(cè),定位故障點(diǎn)位,而故障點(diǎn)位有以下幾個(gè)問題:因短路引起的發(fā)熱,或短路引起的不工作,以及接觸不良引起的電壓不穩(wěn)定或低于額定工作值,這些在電路板溫度檢測(cè)系統(tǒng)中都會(huì)以異常溫度的形式對(duì)外表現(xiàn)。在生產(chǎn)過程中,機(jī)器損壞時(shí)每一秒都要承受相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)損失,所以,工業(yè)上對(duì)機(jī)器檢測(cè)與維護(hù)的高效性、精確性、智能化要求逐漸升高。由此看來,溫度的最終檢測(cè)和控制在工業(yè)上是相當(dāng)重要的。因此,在生產(chǎn)中,溫度的監(jiān)測(cè)與調(diào)控十分關(guān)鍵,可削減維修次數(shù)和維修用度,實(shí)現(xiàn)確切維修和即時(shí)監(jiān)測(cè)。

該裝置能夠給機(jī)器維修和維護(hù)減少尋找故障發(fā)熱點(diǎn)的時(shí)間和步驟,通過長(zhǎng)時(shí)間的觀察分析得出損害原因,方便機(jī)械設(shè)計(jì)者對(duì)機(jī)器進(jìn)行改進(jìn),減少該類問題的發(fā)生,強(qiáng)化機(jī)器的穩(wěn)定性,保證生產(chǎn)的有序進(jìn)行。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

以ESP32為基礎(chǔ),研制了一種以ESP32為核心的測(cè)溫設(shè)備,其整體結(jié)構(gòu)見圖1,主體結(jié)構(gòu)為ESP32最少體系,包含顯示電路、VCC-GND、SD卡、報(bào)警電路、獨(dú)立按鍵、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路L298N、繼電器。本系統(tǒng)中主要的控制元件是ESP32,它的成本低,并且具有極好的性能。方便嵌入到任何產(chǎn)品,功能強(qiáng)大,支持LWIP(TCP/IP)協(xié)議,支持freeRTOS操作系統(tǒng),WIFI的連接方式有AP、STA、AP+STA模式,并且支持Lua編程,開發(fā)更簡(jiǎn)單。溫度傳感器采用模數(shù)溫度傳感器MAX6675。顯示用電器采用SSD1306液晶高清顯示器。報(bào)警檢測(cè)電路采用低電平、一個(gè)LED指示燈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),逐步實(shí)現(xiàn)檢測(cè)報(bào)警。獨(dú)立式多媒體按鍵用來設(shè)置當(dāng)前實(shí)測(cè)時(shí)間(年、月、日、時(shí)、分、秒)和設(shè)定不同時(shí)間段溫度上升報(bào)警的上下限閾值。當(dāng)實(shí)測(cè)環(huán)境溫度值大于設(shè)定時(shí)間段的溫度上限值時(shí),系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)判斷進(jìn)入散熱運(yùn)作模式,步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)順暢帶動(dòng)散熱裝置具體工作,而且輸出信號(hào)響、LED指示燈點(diǎn)亮數(shù)據(jù)全面上傳。若低于設(shè)定時(shí)間段的溫度下限值,智能系統(tǒng)自動(dòng)停止進(jìn)入加熱運(yùn)作模式,交流接觸器控制加熱新設(shè)備工作,從而高電平響、LED指示燈點(diǎn)亮綜合數(shù)據(jù)上傳。若當(dāng)前溫度處于設(shè)定時(shí)間段的溫度上下限閾值之間時(shí),關(guān)閉散熱裝置、加熱設(shè)備及報(bào)警電路,更容易使溫度控制在設(shè)定的范圍內(nèi)[1]。

圖1 總體設(shè)計(jì)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 溫度傳感器電路設(shè)計(jì)

溫度傳感器主要是用來檢測(cè)與采集溫度數(shù)據(jù)的元件,本裝置主要采用模數(shù)溫度傳感器MAX6675,如圖2所示,MAX6675是美國(guó)MAXIM公司生產(chǎn)的帶有冷端補(bǔ)償、線性校正、熱電偶斷線檢測(cè)的串行K型熱電偶模數(shù)轉(zhuǎn)換器,它的溫度分辨能力為0.25 ℃,冷端補(bǔ)償范圍為-20～+80 ℃,電壓為3.0～5.5 V。

MAX6675是一個(gè)8腳SO的組件,該組件包括12 bit A/D變換器、2臺(tái)放大器、冷端校正和基準(zhǔn)電壓的輸出。skeeze K型溫差電位計(jì)與T+、 T-連接,通過二級(jí)放大器進(jìn)行放大、過濾,使其與晶片內(nèi)部 A/D變換器對(duì)應(yīng)。實(shí)際上,K形溫差的大小是恒定的,MAX6675就是通過對(duì)溫差的測(cè)量來獲得溫度的重要信息。同時(shí),熱電偶輸出的熱電勢(shì)只與工作端(一般稱為熱端)和參考端(一般稱作冷端)的日溫差有關(guān),因?yàn)楫?dāng)換熱(即MAX6675所在的居住環(huán)境)的自然溫度變化時(shí),MAX6675是經(jīng)過內(nèi)置的冷端補(bǔ)償?shù)碾娐穪硗綄?shí)現(xiàn)冷端補(bǔ)償?shù)摹Ｔ搨鞲衅骺梢詫⒆兓臏囟刃盘?hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電平上的信號(hào)顯示出來,有了這些電壓信號(hào)系統(tǒng)的信號(hào)和熱電偶的輸出熱電勢(shì),便能得知測(cè)量端的正常外界溫度值。

2.2 顯示器電路設(shè)計(jì)

顯示器主要是用于顯示出溫度數(shù)據(jù)的數(shù)值,而且還可以顯示出實(shí)時(shí)時(shí)間(年、月、日、時(shí)、分、秒)和設(shè)定不同時(shí)間段的溫度閾值。本裝置主要采用SSD1306液晶顯示器,如圖3所示,SSD1306是一款帶控制器的用于OLED點(diǎn)陣圖形顯示系統(tǒng)的單片CMOS OLED/PLED驅(qū)動(dòng)器。SSD1306液晶顯示屏中包括了128個(gè)SEG(列)和64個(gè)COM(行)。SSD1306采用了一個(gè)反差操作器、一個(gè)顯示RAM(GDDRAM)以及一個(gè)振蕩器來降低外部器件的數(shù)目和功率消耗。該芯片有256級(jí)亮度控制。常規(guī)數(shù)據(jù)或命令由通用微控制器通過硬件設(shè)計(jì)選擇的6800/8000系通用并行控制接口、I2C接口或串行外圍接口發(fā)送。該芯片適用于許多小型便攜式應(yīng)用,如手機(jī)副顯示屏、MP3播放器和計(jì)算器等。

圖3 SSD1306液晶顯示器電路

圖4 PCF8563時(shí)鐘芯片電路

SSD1306本身支持多種總線驅(qū)動(dòng)方式,包括SPI以及并口等,通過芯片的相應(yīng)IO口拉低拉升來選擇哪一種MiniUSB接口,本例中基本模塊通過電阻將相應(yīng)I/O口配置固化后使用了I2C接口連接,使用I2C Spdif接口時(shí),SSD1306允許有最多兩個(gè)7位的I2C地址,進(jìn)而通過相應(yīng)的I/O口拉低拉升來切換,一般默認(rèn)是0x3c,在屏幕模塊的背面,都能看到一個(gè)I2C地址切換模式提示,需要改變模塊I2C地址時(shí),只需要把提示區(qū)域的電阻取出來手工焊接到另外一端即可。要提醒的是板上的I2C是加上了第零位讀寫位后的數(shù)值范圍,即0x78=0x3c<<10x7A=0x3d<<1。

2.3 報(bào)警電路設(shè)計(jì)

報(bào)警內(nèi)部電路是將溫度的變化轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的結(jié)構(gòu)變化,而且需要實(shí)現(xiàn)AD模數(shù)轉(zhuǎn)換即將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),也要為處理器所接受,并且能通過計(jì)算獲得真實(shí)完整的溫度信息以便進(jìn)行進(jìn)一步的處理,在其電路上,加裝一個(gè)蜂鳴器和LED指示燈。重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)以下情況:(1)比較實(shí)際溫度與設(shè)定時(shí)間段的溫度閾值,判斷當(dāng)前環(huán)境溫度有否大于已設(shè)定當(dāng)前時(shí)間的溫度上限閾值。(2)如果是,執(zhí)行控制電源接警,LED指示燈閃爍發(fā)光,步進(jìn)減速箱帶動(dòng)相關(guān)散熱裝置工作,執(zhí)行降溫操作。(3)如果否,判定目前周圍環(huán)境的實(shí)際溫度低于設(shè)定的目前時(shí)刻的最低氣溫臨界值。(4)倘若是,執(zhí)行按鈕開關(guān)報(bào)警,LED指示燈閃爍發(fā)光,借助繼電器控制加熱硬件設(shè)備,執(zhí)行溫度上升操作。(5)相反,就說明當(dāng)前周圍環(huán)境溫度穩(wěn)定在已設(shè)定的時(shí)間段溫度閾值之內(nèi),那么就關(guān)閉散熱、加熱及報(bào)警功能。

2.4 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

時(shí)鐘電路系統(tǒng)就是像時(shí)鐘一樣準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)的放大或縮小的驅(qū)動(dòng)電路。任何工作都能夠按時(shí)間順序進(jìn)行。最重要的是用來產(chǎn)生這個(gè)時(shí)間的信號(hào)電路系統(tǒng),也就是時(shí)鐘電路組件。對(duì)于時(shí)鐘電路設(shè)計(jì),本裝置選用的是PCF8563。PCF8563可以完成各種復(fù)雜的定時(shí)服務(wù),實(shí)現(xiàn)各種報(bào)警功能、定時(shí)器功能、時(shí)鐘輸出功能和手動(dòng)中斷輸出功能,或?yàn)閱纹瑱C(jī)提供看門狗的一些功能。它是一種高性能、高價(jià)值的專用時(shí)鐘芯片。在電表、水表、煤氣表、電話、便攜式儀器和普通電池供電儀器等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

PCF8563有16個(gè)8位寄存器,包括:一個(gè)可自動(dòng)遞增的地址寄存器、一個(gè)內(nèi)置32.768 KHz 的振蕩器(帶有光纖層集成整流晶體管)、一個(gè)分頻器(用于向?qū)崟r(shí)時(shí)鐘提供源時(shí)鐘)、一個(gè)可編程的時(shí)鐘輸出界面、一個(gè)定時(shí)器和一個(gè)警報(bào)器、一個(gè)掉電檢測(cè)器和一個(gè)400 KHz的I2C總線接口。

所有16個(gè)寄存器都設(shè)計(jì)為可尋址的8位并行寄存器,但并非所有位都有用。前兩個(gè)寄存器(內(nèi)存地址00 h、01 h)用于控制寄存器和狀態(tài)寄存器,內(nèi)存地址02 h～08 h用于時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示(第二年計(jì)數(shù)器),地址09 h～0ch用于緊急報(bào)警寄存器(兩個(gè)用于定義報(bào)警處理),地址0dh控制CLKOUT管腳的輸出交流頻率,地址0eh和0fh用于定點(diǎn)定時(shí)停滯控制寄存器和狀態(tài)寄存器。秒、分、時(shí)、日、月、年、分鐘報(bào)警、小時(shí)報(bào)警、每日?qǐng)?bào)警寄存器,編碼格式為BCD,周報(bào)警寄存器不以BCD格式編碼。讀取RTC寄存器時(shí),所有計(jì)數(shù)器的內(nèi)容都被鎖定。事實(shí)上,在傳輸條件下,可以快速擴(kuò)展并禁止錯(cuò)誤讀取時(shí)鐘芯片。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)應(yīng)用C語言與Java語言共同編寫,最終由主程序調(diào)用各部子程序來實(shí)現(xiàn)整體功能。編寫此系統(tǒng)中的程序的步驟如下:(1)用Java語言編寫Web頁面以及手機(jī)APP程序。(2)用C語言編寫ESP32程序,總體程序包括主程序設(shè)計(jì)、連接WiFi程序設(shè)計(jì)、初始化程序設(shè)計(jì)、溫度獲取以及PID->PID調(diào)節(jié)溫度程序設(shè)計(jì)。整體的多種功能都在主程序的調(diào)用中實(shí)現(xiàn),進(jìn)入主程序,要先進(jìn)行系統(tǒng)的WiFi連接操作。WiFi連接操作的細(xì)節(jié)是選擇WiFi并等待其與WiFi進(jìn)行相連,然后對(duì)其進(jìn)行初始化操作,初始化其PID與溫度傳感器,并且要分配好存儲(chǔ)器開發(fā)資源,實(shí)現(xiàn)更好的簡(jiǎn)單編程和調(diào)用。本設(shè)計(jì)方式對(duì)溫度的采集可實(shí)現(xiàn)無線采集。無線采集室溫后被無線發(fā)送模塊覺查并將數(shù)據(jù)發(fā)送給無線接收模塊,最后需要將溫度值在SSD1306液晶顯示器上公開顯示。本地所測(cè)溫度值與裝置實(shí)體按鍵設(shè)置的報(bào)警溫度值都將在手機(jī)APP與網(wǎng)頁上進(jìn)行展示。若MAX6675感應(yīng)的實(shí)際溫度超出滿量程,就會(huì)在網(wǎng)頁上顯示出來并啟動(dòng)報(bào)警部分指定程序,隨之開關(guān)電路便會(huì)報(bào)警[2],最后會(huì)在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)不足并及時(shí)完善。

3.1 程序頭文件程序設(shè)計(jì)

對(duì)程序進(jìn)行頭文件設(shè)定,保存及聲明其程序,鏈接其應(yīng)用程序及其函數(shù)庫(kù),防止其程序錯(cuò)亂。將其模塊管腳的接口連接到裝配檢索引腳,定義其對(duì)應(yīng)引腳的新模塊,并定義其對(duì)應(yīng)的Alpine程序。程序如下:

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#define SCK_PIN 12 // 模塊上的SCK口連接到 pin3

#define CS_PIN 14 // 模塊上的CS口連接到 pin4

#define SO_PIN 27 // 模塊上的SO口連接到 pin5

#define A0 33

#define A1 25

const char* ssid ="aqq";

如何判斷你家的寵物狗是“左撇子”還是“右撇子”？這并不是一件容易的事情。麥克里維和他的研究小組準(zhǔn)備了一種圓筒狀的容器，里面盛好狗食。接受測(cè)驗(yàn)的狗要吃容器里的食物，就必須用一只爪子按住容器，使之靜止不動(dòng)。每只狗接受100次這樣的測(cè)驗(yàn)，然后研究人員根據(jù)這100次內(nèi)這只狗使用左爪和右爪的偏好，判斷這只狗是“左撇子”還是“右撇子”。

const char* password = "88888888";

3.2 連接WiFi程序設(shè)計(jì)

進(jìn)行WiFi連接,等待WiFi釋放信號(hào),搜索其附近IP地址,連接其WiFi,另一方面也能尋找其對(duì)應(yīng)的IP地址進(jìn)行直接連接。程序如下:

void connect_TO_WiFi()

{

WiFi.begin(ssid, password);

Serial.println();

Serial.print("Connecting");

while(WiFi.status() !=WL_CONNECTED) {

delay(500);

Serial.print(".");

}

Serial.println();

Serial.print("Connected, IP address: "); //連接的IP地址

Serial.println(WiFi.localIP());

Serial.print("Connected, IP address: "); //連接的IP地址

Serial.println(WiFi.gatewayIP());

Serial.print("Connected, IP address: "); //連接的IP地址

Serial.println(WiFi.dnsIP(0));

}

void setup()

3.3 溫度獲取以及PID->PID調(diào)節(jié)溫度設(shè)計(jì)

獲取MAX6675的溫度數(shù)據(jù),將獲取的溫度數(shù)據(jù)通過http發(fā)送到電腦或服務(wù)器上,定義其溫度,將數(shù)據(jù)類型由double轉(zhuǎn)為char型,然后獲取http傳回來的數(shù)值,將string數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為int型的數(shù)據(jù),將數(shù)值進(jìn)行處理放入到PID->PID調(diào)節(jié)溫度。

void loop()

{

Init();

float a;

//char* dtostrf(double _val,signed char _width, unsigned char prec, char* _s); //函數(shù)

while(1)

{

double celsius = thermocouple->readCelsius(); // 攝氏度

Serial.print("Temperature: ");

//Serial.println(String(celsius) + " C, ");

Serial.println(int(celsius));

////

a=float(celsius);

char baseUrl[128] = {0};

//temp="12";

char temp[20];

sprintf(temp,"%.0f", a); //數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換double轉(zhuǎn)為char類型

strcpy(baseUrl, "http://37978cg590.qicp.vip:80/receiveWd?wd="); //電腦IPV4的地址

char* getUrl = strcat(baseUrl,temp);

HTTPClient httpClient;

httpClient.begin(getUrl);

Serial.println(getUrl);

int httpCode;

httpCode = httpClient.GET();

if(httpCode >0){

String payload = httpClient.getString();

int n = atoi(payload.c_str());

Setpoint=n;

Serial.println(n);

}

4 系統(tǒng)運(yùn)行

溫度控制檢測(cè)裝置見圖5,在完成實(shí)物圖片焊接后,將編寫的每個(gè)程序?qū)懭隕SP32芯片中完成實(shí)物系統(tǒng)調(diào)試。DS18B20測(cè)量的溫度出現(xiàn)異常室溫值,報(bào)警喇叭就會(huì)報(bào)警、LED指示燈會(huì)發(fā)光。當(dāng)啟動(dòng)該裝置后,裝置中的溫度傳感器將其數(shù)據(jù)傳輸?shù)絟ttp當(dāng)中,同時(shí)存儲(chǔ)其數(shù)據(jù)到SD存儲(chǔ)卡中,實(shí)現(xiàn)一個(gè)循環(huán)流程。圖6是溫度檢測(cè)記錄數(shù)據(jù)曲線圖。

圖5 溫度控制檢測(cè)裝置

圖6 溫度檢測(cè)記錄數(shù)據(jù)曲線

問題與改進(jìn)主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面:

(1)檢測(cè)電子元件所用的溫度監(jiān)測(cè)器在市面上大多使用紅外熱成像儀,但是紅外熱成像儀無法直接安裝在機(jī)器內(nèi)部,對(duì)于檢測(cè)電子元件故障檢測(cè)來說十分不便。

(2)傳統(tǒng)溫度檢測(cè)類機(jī)器沒有與網(wǎng)絡(luò)連接,也沒有與之相匹配的大數(shù)據(jù)分析,該項(xiàng)目會(huì)彌補(bǔ)在機(jī)械溫度異常檢測(cè)中大數(shù)據(jù)的空缺。

(3)異常的電子元件往往會(huì)造成電路短路,強(qiáng)大的電流通過多個(gè)元器件造成多個(gè)元器件損害,如何在短路后第一時(shí)間隔離短路電子元件的檢測(cè)或保護(hù)系統(tǒng)是需要探究的,特別是該系統(tǒng)與保護(hù)電路之間的互相扶持以及系統(tǒng)對(duì)異常電子元件的監(jiān)控與上傳。

5 結(jié)語

目前我國(guó)溫度控制檢測(cè)系統(tǒng)還處于發(fā)展階段,如何準(zhǔn)確地檢測(cè)以及控制溫度的變化,是我們應(yīng)該著重思考以及探索的問題,高精度、低成本的溫度控制檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)于我國(guó)工業(yè)發(fā)展是一個(gè)強(qiáng)有力的提升。基于ESP32的溫度檢測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了低成本與實(shí)時(shí)反饋數(shù)據(jù)等功能,在一些小型工業(yè)檢測(cè)溫度上,可以大大降低其檢測(cè)時(shí)間以及成本。