汽車鈑噴車間遠(yuǎn)程環(huán)境品質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

王 丹，曹陽明，王滿滿，張 雷，李雅榮

（新疆交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 835000）

汽車鈑噴的環(huán)保問題始終為國家所重視，因為噴烤漆作業(yè)時，如果安全防護(hù)措施不完善，產(chǎn)生的有害氣體會嚴(yán)重危害人員健康，同時揮發(fā)的油漆性顆粒還會造成一定程度的環(huán)境污染。據(jù)調(diào)研，現(xiàn)在汽車維修企業(yè)鈑噴車間環(huán)境安全問題依舊嚴(yán)峻，職業(yè)病危害仍舊是制約鈑金噴漆企業(yè)發(fā)展和招工的重要因素。因此本文設(shè)計一套應(yīng)用于汽車鈑噴車間的環(huán)境品質(zhì)實時遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實現(xiàn)對汽車鈑噴車間環(huán)境的科學(xué)監(jiān)控，減少因人員頻繁進(jìn)出鈑噴車間造成的有害氣體外漏，造成環(huán)境污染，降低車間內(nèi)有毒物質(zhì)對人體造成的傷害，并且能夠?qū)崟r調(diào)控溫度，避免車間溫度過高或者過低對噴涂漆膜的效果造成的不利影響。

1 功能及模塊設(shè)計

本設(shè)計在對現(xiàn)有汽車鈑噴車間電路控制系統(tǒng)和單片機(jī)技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，擬設(shè)計一套汽車鈑噴車間空氣監(jiān)控系統(tǒng)，目的是利用溫度傳感器和有害氣體濃度傳感器，實時對汽車鈑噴車間環(huán)境品質(zhì)進(jìn)行檢測。該系統(tǒng)的工作原理是通過溫度傳感器實時采集鈑噴車間溫度信息，當(dāng)溫度過高時，通過單片機(jī)對紅外烤燈的繼電器進(jìn)行控制，暫時關(guān)閉紅外烤燈的工作，待溫度達(dá)到預(yù)設(shè)的溫度，繼續(xù)開啟紅外烤燈，實現(xiàn)對環(huán)境溫度信息進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測。同時利用有害氣體濃度傳感器實時監(jiān)測的鈑噴車間中的甲醛、甲苯、二甲苯等有機(jī)揮發(fā)物質(zhì)，并與鈑噴室內(nèi)環(huán)境設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行比對，當(dāng)有害氣體濃度數(shù)值高于限定濃度時，控制模塊開啟車間通風(fēng)系統(tǒng)直至空氣品質(zhì)達(dá)標(biāo)，實現(xiàn)鈑噴車間內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的閉環(huán)動態(tài)控制，通過WIFI模塊，可利用手機(jī)APP進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、通信和信息共享。確保鈑噴工作可以在最佳的環(huán)境下完成，提高了鈑噴件的漆膜品質(zhì)，降低成品工件的缺陷率。該系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

硬件設(shè)計主要包括：單片機(jī)控制器、ESP01S模塊、溫度及由有害氣體濃度傳感器、繼電器、LCD1602顯示器等。

2.1 單片機(jī)控制器

本設(shè)計采用Arduino Uno微控制器，主要功能及性能參數(shù)：時鐘速度為16MHz；閃存為32 KB；6個模擬輸入引腳；工作電壓為7～12V。芯片功能強(qiáng)大，具有超級便捷的電源管理和內(nèi)置電壓調(diào)節(jié)功能，只需通過USB電纜將其連至計算機(jī)或AC-DC適配器或電池為其供電即可。

2.2 WIFI模塊

為實現(xiàn)鈑噴車間遠(yuǎn)程實時監(jiān)控系統(tǒng)的通信，采用ESP01S模塊，可以通過手機(jī)APP實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)制。主要功能及性能參數(shù)：內(nèi)置32位Cortex；工作頻率范圍為80MHz；SRAM為20KB；2個通用異步通信口（UART）；工作電壓為3.0～3.6V。模塊采用串口與芯片直接通信，芯片功能強(qiáng)大，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)串口與WIFI之間的轉(zhuǎn)換，最大網(wǎng)絡(luò)速率為4Mb/s，串口波特率110～4608000b/s。鈑噴車間管理人員能通過手機(jī)APP對鈑噴車間環(huán)境溫度進(jìn)行設(shè)置，同時能夠觀測環(huán)境溫度、空氣品質(zhì)、換氣狀態(tài)等信息。

2.3 傳感器檢測

本設(shè)計的傳感器檢測模塊主要包括檢測鈑噴車間環(huán)境溫度和有害氣體濃度。

2.3.1 溫度傳感器

由于該系統(tǒng)溫度傳感器按熱敏元件與被測介質(zhì)的位置關(guān)系，屬于非接觸的。根據(jù)鈑噴車間烘烤溫度等進(jìn)行選型，選用適配微處理器的智能溫度傳感器AD590JH，測量范圍為-55℃～150℃，輸出類型：模擬電流輸出，在298.2K（25℃）時輸出電流為298.2μA，穩(wěn)定線性輸出1μA/K，能夠滿足設(shè)計需要。

2.3.2 有害氣體濃度傳感器

選擇有害氣體濃度傳感器MS1100用于汽車鈑噴車間內(nèi)空氣質(zhì)量的定量檢測，該傳感器對甲醛、甲苯、二甲苯等鈑噴過程中揮發(fā)性氣體具有高靈敏度。模擬信號輸出范圍為0～4V，能夠?qū)Νh(huán)境快速地響應(yīng)，響應(yīng)時間≦5s，同時具有高分辨率、低功耗等特點，滿足設(shè)計需求。

2.4 顯示模塊

本系統(tǒng)通過溫度傳感器、有害氣體濃度傳感器實時采集鈑噴車間環(huán)境信息，并將信號傳遞給Arduino控制主板，控制器將實時溫度信息顯示在顯示屏上，并將車間溫度信息通過WIFI模塊發(fā)送到手機(jī)APP上，以便對鈑噴車間環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)控。采用LCD1602顯示器，該屏幕具有低壓低功耗、人機(jī)界面良好、使用方便、使用壽命長、接口簡單等優(yōu)點，能夠顯示鈑噴車間溫度、苯濃度等。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

該套監(jiān)控系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)按照模塊功能包括WIFI模塊、控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、控制輸出模塊、顯示模塊等部分，其中控制模塊是單片機(jī)主控制部分，數(shù)據(jù)采集是收集的溫度傳感器和有害氣體傳感器的信號。

軟件設(shè)計流程如下。

1）系統(tǒng)供電后，對系統(tǒng)初始化（包括顯示屏LCD1602、溫度傳感器、有害氣體濃度傳感器）。

2）完成初始化后，溫度傳感器采集鈑噴車間溫度值，有害氣體濃度傳感器采集車間內(nèi)的有害氣體濃度值，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換輸送給單片機(jī)讀取溫度值及有害氣體濃度。

3）對單片機(jī)讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，比較程序中設(shè)計甲醛、甲苯、二甲苯的濃度最高值，對計算值進(jìn)行判決，在顯示屏上顯示，同時通過WIFI在手機(jī)上實時共享。如果溫度超出設(shè)計的最高值，控制紅外烤燈繼電器模塊，暫停紅外烤燈電路，如果溫度低于設(shè)計的最高溫度，開啟紅外烤燈電路；如果有害氣體濃度超出設(shè)計的最高值，控制排氣扇繼電器模塊工作，排氣扇工作，并將控制信息傳遞到手機(jī)上。

在監(jiān)控過程中以上過程不斷循環(huán)操作。軟件流程圖如圖2所示。

圖2 主程序流程圖

4 結(jié)語

隨著對汽車維修企業(yè)鈑噴行業(yè)環(huán)境監(jiān)管力度增加，對鈑噴工人職業(yè)健康的深度關(guān)注，在鈑噴車間現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計了一套對汽車維修鈑噴車間環(huán)境品質(zhì)進(jìn)行合理檢測及科學(xué)監(jiān)控的系統(tǒng)，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程精準(zhǔn)操控，根據(jù)鈑噴車間內(nèi)測量的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，科學(xué)高效同時提高漆膜噴涂效果，改善鈑噴車間環(huán)境品質(zhì)，保護(hù)鈑噴工人的健康安全，具有一定的市場推廣價值。