節能能源導向下電子元器件自動檢測設備設計

李哪，王瑤

（陜西恒太電子科技有限公司，陜西西安，710100）

0 引言

電子元器件在現代科技中的應用廣泛，然而其生產與測試的過程卻對能源資源和環境構成了巨大挑戰[1]。電子行業不僅需要滿足不斷增長的使用需求，還必須應對不斷升級的技術和性能要求[2]。在這個快速變化的背景下不僅需要更高效的元器件自動檢測設備，還需要確保這些設備在其整個生命周期內都能以可持續的方式運行，節能能源導向的設備設計成為解決這一問題的關鍵[3]。隨著能源資源的稀缺性和環境問題的加劇，必須在提高生產效率的同時，思考如何減少電子元器件行業對能源的過度依賴，以及如何削減其對環境的不利影響[4]。上述問題不僅關系到行業的可持續性，還涉及全球可持續發展的大局[5]。本文旨在探討一種全新的電子元器件自動檢測設備設計，詳細介紹該設備的設計原理、性能特點以及對可持續發展的潛在貢獻，通過這一研究為電子元器件行業的可持續發展提供有益的思路和實踐經驗，以應對未來的挑戰。

1 檢測設備構成

電子元器件自動檢測設備由多種硬件和系統軟件組件構成，以實現高效的自動檢測和監測功能，檢測設備構造如圖1 所示。

圖1 檢測設備構造圖

硬件組件主要包含傳感器：用于檢測電子元器件各項物理參數。控制單元：嵌入式微處理器，負責處理傳感器數據、控制設備操作，并執行自動檢測算法。通信模塊：用于與外部系統進行通信，傳輸傳感器采集到的數據。電源管理單元：負責管理設備的電源供應。軟件組件主要包括：應用服務器：內含嵌入式操作系統，用于控制硬件和執行設備的基本功能。數據分析：用于分析傳感器數據，檢測電子元器件的性能問題或異常狀態。遠程監控和控制軟件：遠程設備與軟件組件建立連接、傳輸數據和接收遠程命令。

1.1 硬件組件

在節能上硬件選取低功耗的處理器、傳感器和其他電子元件，以降低設備整體功耗，其中包括TMP36 數字傳感器，工作溫度范圍：-40℃～+125℃，輸出電壓與溫度呈線性關系。Raspberry Pi 4 Model B 控制單元，四核ARM Cortex-A72處理器，4GB RAM，多個GPIO 引腳，運行設備的操作系統，處理傳感器數據，執行自動檢測算法，并與外部系統通信。ESP8266 WiFi 模塊，支持802.11b/g/n WiFi，具有TCP/IP協議棧。通過WiFi 將設備數據傳輸到遠程服務器，以便遠程監控和控制。電源管理單元TI TPS62125 穩壓器，輸入電壓范圍3V～17V，輸出電壓可調。

1.2 系統軟件組件

嵌入式操作系統Raspbian OS，控制單元等硬件，運行傳感器數據采集和處理軟件，以及自動檢測算法。自動檢測算法自定義Python 腳本，分析傳感器數據，例如連續溫度上升，以觸發警報或采取自動措施。遠程監控和控制：自定義Web 應用程序提供用戶友好的Web 界面，允許用戶遠程監控設備狀態、配置參數，并接收警報。

2 設備功能模塊設計

2.1 節能自動檢測優化

TMP36 數字傳感器是一個精確、數字化的傳感器，可以通過單一的數據線連接到Raspberry Pi，在物理布局上，確保傳感器可以輕松地接觸到要測量的電子元器件表面，以獲得準確的元器件參數。Raspberry Pi 是一種功能強大的嵌入式計算機，其提供了豐富的GPIO 引腳和處理能力，并支持電源管理系統更有效地管理，適用于數據處理和控制任務，本文設計連接TMP36 傳感器的電路如圖2 所示。

圖2 數據采集電路原理圖

為確保設計電路具備抗電磁干擾性能，保持數據的準確性，選擇一個適配器來供電Raspberry Pi，考慮電源管理模塊，以便在不需要時將其設置為低功耗模式，應用其低功耗休眠模式和定時喚醒等功能，以最大限度地減少設備在非工作狀態下的能耗。在遠程通信上選擇集成WiFi 模塊，連接到Raspberry Pi 上后配置WiFi 連接，使用WPA2 Enterprise 認證啟用WiFi 網絡的加密，使用虛擬專用網絡（VPN），確保設備在外部網絡上可訪問，為確保設備的遠程訪問具有安全性，應設定身份驗證措施，以防止未經授權的訪問。

2.2 數據分析優化

傳感器采集完成的元器件數據，經過WiFi 發送至應用服務器后，由操作系統Raspbian OS 通過自定義Python算法進行數據計算分析，通過分析傳感器收集的性能數據，設備可以識別潛在的能源浪費和性能下降問題，并采取措施進行優化。此過程基于在軟件中加入特定算法以實現，本文使用的算法主要包括能源效率分析算法，此算法基于收集電子元器件的輸入數據，包括電壓（V）和電流（I），以計算電子元器件的輸入能量Input Energy（IE），并且此算法可以降低CPU 處理負荷和功耗，計算公式如式（1）所示。

式中，Δt為時間間隔。同時以相同的方法收集電子元器件的輸出數據，其中包括執行的任務或產生的效果，以計算出輸出能量Useful Output Energy（UE），最后能源效率Energy Efficiency（EE）的計算公式如式（2）所示。

根據能源效率的結果采取優化措施，如降低輸入電壓、改進電路設計或減少待機功耗，以提高能源效率。之后使用數據趨勢分析Moving Average（MA）掌握電子元器件未來狀況，數據趨勢分析可通過移動平均算法來實現，該算法基于收集一段時間內的電子元器件性能數據，選擇合適的數據點數N，對數據進行移動平均計算，以平滑數據并識別趨勢，其計算公式如式（3）所示。

式中，N 是用于計算移動平均的數據點數，Xi 是第i 個數據點的值。通過分析移動平均結果，識別任何性能下降或異常的趨勢，如果趨勢顯示性能下降，觸發預設的報警信號并采取相應的措施，如調整工作參數或啟動維護程序。

2.3 遠程控制

在本文的設計中，遠程控制主要基于不同的外界設備通過網絡實時查看電子元器件的基本信息，同時遠程發送控制檢測設備的簡單指令，本文使用Adobe XD 設計用戶界面的外觀和布局，借助WebSocket 將用戶界面與應用服務器建立數據鏈接通信，以實現從遠程服務器獲取數據或發送控制命令，確保前端界面能夠與后端服務器進行通信，之后將用戶界面部署到云環境上，以便用戶可以訪問，實行遠程控制的流程如圖3 所示。

圖3 遠程控制流程圖

用戶訪問請求發送至操作界面，界面會對用戶的身份進行驗證，驗證通過后提示用戶選擇需要操作的功能模塊，若身份驗證不通過，界面會自動刷新，返回至主頁面重新驗證，操作功能主要包括查看電子元器件基本信息以及對檢測設備的遠程控制，遠程控制允許設備在需要時啟動，而在不需要時關閉，從而減少能源的浪費，最終在界面會顯示操作后的具體結果。

3 測試實驗

3.1 實驗準備

根據設備設計方案組裝檢測設備，確保設備和計算機連接正常，對7 個電子元器件進行自動檢測測試，測試內容主要包括檢測設備自身的運作狀態和對元器件檢測效果的呈現，元器件以編號1-7 的方式做區分。同時選取某款常用的電子元器件自動檢測設備與本文設計的檢測設備進行能耗對比，相同的運行時間后將兩臺檢測設備的功耗記錄。

3.2 實驗結果

設定對7 個電子元器件自動檢測的參數為電阻器，電感值，電壓容忍度，其正常數值范圍分別為50～80Ω，30～70H，10±5VT，于外部設備查詢的結果如表1 所示。

表1 自動檢測結果表

由自動檢測結果表中的結果可知，在對7 個電子元器件的檢測完成后發現，2 號元器件的電壓容忍度為16VT，處于異常狀態，5 號元器件的電阻為46Ω，處于異常狀態，其余元器件各項數值均在正常范圍內，處于正常狀態，每個元器件的檢測時間均小于2 秒，并且沒有大幅度變化的趨勢，本文設計的自動檢測設備可正常檢測異常元器件，并準確展示出元器件出現異常的具體參數及屬性，且每個元器件在檢測前后未出現互相干擾影響的情況，由此可見該自動檢測設備對電子元器件的自動檢測可發揮出優異作用。在功耗上，常用檢測設備與新設計的檢測設備功耗記錄如表2 所示。

表2 常用檢測設備與新設計檢測設備功耗記錄表

由表2 中記錄的數據可知，本文設計的電子元器件自動檢測設備在節能方面取得了顯著的進步，經過優化后的設備平均功耗降低了25%，CO2排放減少了19%，綜合能效比下降了23%，由此可見設計優化后的設備能夠更加高效地利用能源，并對環境保護做出了實質性的貢獻。

4 結束語

電子元器件自動檢測設備在現代工業中扮演著關鍵的角色，但其能源需求和環境影響已經引起了廣泛關注。通過對設備硬件組件與軟件系統組件的優化設計，該設備在能夠實現自動檢測降低能源消耗的同時，完成對檢測數據的有效分析以及遠程控制。實驗結果表明，本文設計的自動檢測設備可有效檢測出電子元器件的具體參數狀態，并且可穩定地長期自動運行，達到高效自動檢測元器件的目的。通過這一研究，以期為電子元器件行業的可持續發展提供有益的思路和實踐經驗，減少環境負擔，為未來的電子元器件生產和測試提供更加環保和高效的解決方案。