基于ESP32的溫度控制檢測裝置

覃昇學,葉運黎,陳錦輝,車志強

(廣東理工學院電氣與電子工程學院 廣東 肇慶 526100)

0 引言

溫度的檢測與控制是工業(yè)生產(chǎn)中自動執(zhí)行控制系統(tǒng)的重要任務之一,絕大多數(shù)故障的原因是因為電路板從生產(chǎn)區(qū)開始出現(xiàn)的漏焊、假焊、虛焊,以及長時間不規(guī)范操作導致電路板損害、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儀等工具結合實際的功能進行維修檢測,定位故障點位,而故障點位有以下幾個問題: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系統(tǒng)中都會以異常溫度的形式對外表現(xiàn)。在生產(chǎn)過程中,機器損壞時每一秒都要承受相應的經(jīng)濟損失,所以,工業(yè)上對機器檢測與維護的高效性、精確性、智能化要求逐漸升高。由此看來,溫度的最終檢測和控制在工業(yè)上是相當重要的。因此,在生產(chǎn)中,溫度的監(jiān)測與調(diào)控十分關鍵,可削減維修次數(shù)和維修用度,實現(xiàn)確切維修和即時監(jiān)測。

該裝置能夠給機器維修和維護減少尋找故障發(fā)熱點的時間和步驟,通過長時間的觀察分析得出損害原因,方便機械設計者對機器進行改進,減少該類問題的發(fā)生,強化機器的穩(wěn)定性,保證生產(chǎn)的有序進行。

1 系統(tǒng)總體設計

以ESP32為基礎,研制了一種以ESP32為核心的測溫設備,其整體結構見圖1,主體結構為ESP32最少體系,包含顯示電路、VCC-GND、SD卡、報警電路、獨立按鍵、步進電機驅動電路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。報警檢測電路采用低電平、一個LED指示燈結構設計,逐步實現(xiàn)檢測報警。獨立式多媒體按鍵用來設置當前實測時間(年、月、日、時、分、秒)和設定不同時間段溫度上升報警的上下限閾值。當實測環(huán)境溫度值大于設定時間段的溫度上限值時,系統(tǒng)實現(xiàn)自動判斷進入散熱運作模式,步進驅動電動機運轉順暢帶動散熱裝置具體工作,而且輸出信號響、LED指示燈點亮數(shù)據(jù)全面上傳。若低于設定時間段的溫度下限值,智能系統(tǒng)自動停止進入加熱運作模式,交流接觸器控制加熱新設備工作,從而高電平響、LED指示燈點亮綜合數(shù)據(jù)上傳。若當前溫度處于設定時間段的溫度上下限閾值之間時,關閉散熱裝置、加熱設備及報警電路,更容易使溫度控制在設定的范圍內(nèi)[1]。

圖1 總體設計框圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 溫度傳感器電路設計

溫度傳感器主要是用來檢測與采集溫度數(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MAXIM公司生產(chǎn)的帶有冷端補償、線性校正、熱電偶斷線檢測的串行K型熱電偶模數(shù)轉換器,它的溫度分辨能力為0.25 ℃,冷端補償范圍為-20～+80 ℃,電壓為3.0～5.5 V。

MAX6675是一個8腳SO的組件,該組件包括12 bit A/D變換器、2臺放大器、冷端校正和基準電壓的輸出。skeeze K型溫差電位計與T+、 T-連接,通過二級放大器進行放大、過濾,使其與晶片內(nèi)部 A/D變換器對應。實際上,K形溫差的大小是恒定的,MAX6675就是通過對溫差的測量來獲得溫度的重要信息。同時,熱電偶輸出的熱電勢只與工作端(一般稱為熱端)和參考端(一般稱作冷端)的日溫差有關,因為當換熱(即MAX6675所在的居住環(huán)境)的自然溫度變化時,MAX6675是經(jīng)過內(nèi)置的冷端補償?shù)碾娐穪硗綄崿F(xiàn)冷端補償?shù)摹Ｔ搨鞲衅骺梢詫⒆兓臏囟刃盘栟D換為相應的電平上的信號顯示出來,有了這些電壓信號系統(tǒng)的信號和熱電偶的輸出熱電勢,便能得知測量端的正常外界溫度值。

2.2 顯示器電路設計

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時時間(年、月、日、時、分、秒)和設定不同時間段的溫度閾值。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點陣圖形顯示系統(tǒng)的單片CMOS OLED/PLED驅動器。SSD1306液晶顯示屏中包括了128個SEG(列)和64個COM(行)。SSD1306采用了一個反差操作器、一個顯示RAM(GDDRAM)以及一個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計選擇的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用,如手機副顯示屏、MP3播放器和計算器等。

圖3 SSD1306液晶顯示器電路

圖4 PCF8563時鐘芯片電路

SSD1306本身支持多種總線驅動方式,包括SPI以及并口等,通過芯片的相應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I/O口配置固化后使用了I2C接口連接,使用I2C Spdif接口時,SSD1306允許有最多兩個7位的I2C地址,進而通過相應的I/O口拉低拉升來切換,一般默認是0x3c,在屏幕模塊的背面,都能看到一個I2C地址切換模式提示,需要改變模塊I2C地址時,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 報警電路設計

報警內(nèi)部電路是將溫度的變化轉化為數(shù)字信號的結構變化,而且需要實現(xiàn)AD模數(shù)轉換即將模擬信號轉換成數(shù)字信號,也要為處理器所接受,并且能通過計算獲得真實完整的溫度信息以便進行進一步的處理,在其電路上,加裝一個蜂鳴器和LED指示燈。重點實現(xiàn)以下情況:(1)比較實際溫度與設定時間段的溫度閾值,判斷當前環(huán)境溫度有否大于已設定當前時間的溫度上限閾值。(2)如果是,執(zhí)行控制電源接警,LED指示燈閃爍發(fā)光,步進減速箱帶動相關散熱裝置工作,執(zhí)行降溫操作。(3)如果否,判定目前周圍環(huán)境的實際溫度低于設定的目前時刻的最低氣溫臨界值。(4)倘若是,執(zhí)行按鈕開關報警,LED指示燈閃爍發(fā)光,借助繼電器控制加熱硬件設備,執(zhí)行溫度上升操作。(5)相反,就說明當前周圍環(huán)境溫度穩(wěn)定在已設定的時間段溫度閾值之內(nèi),那么就關閉散熱、加熱及報警功能。

2.4 時鐘電路設計

時鐘電路系統(tǒng)就是像時鐘一樣準確運動的放大或縮小的驅動電路。任何工作都能夠按時間順序進行。最重要的是用來產(chǎn)生這個時間的信號電路系統(tǒng),也就是時鐘電路組件。對于時鐘電路設計,本裝置選用的是PCF8563。PCF8563可以完成各種復雜的定時服務,實現(xiàn)各種報警功能、定時器功能、時鐘輸出功能和手動中斷輸出功能,或為單片機提供看門狗的一些功能。它是一種高性能、高價值的專用時鐘芯片。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域得到了廣泛的應用。

PCF8563有16個8位寄存器,包括:一個可自動遞增的地址寄存器、一個內(nèi)置32.768 KHz 的振蕩器(帶有光纖層集成整流晶體管)、一個分頻器(用于向實時時鐘提供源時鐘)、一個可編程的時鐘輸出界面、一個定時器和一個警報器、一個掉電檢測器和一個400 KHz的I2C總線接口。

所有16個寄存器都設計為可尋址的8位并行寄存器,但并非所有位都有用。前兩個寄存器(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用于時鐘驅動數(shù)碼管顯示(第二年計數(shù)器),地址09 h～0ch用于緊急報警寄存器(兩個用于定義報警處理),地址0dh控制CLKOUT管腳的輸出交流頻率,地址0eh和0fh用于定點定時停滯控制寄存器和狀態(tài)寄存器。秒、分、時、日、月、年、分鐘報警、小時報警、每日報警寄存器,編碼格式為BCD,周報警寄存器不以BCD格式編碼。讀取RTC寄存器時,所有計數(shù)器的內(nèi)容都被鎖定。事實上,在傳輸條件下,可以快速擴展并禁止錯誤讀取時鐘芯片。

3 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)的軟件設計應用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APP程序。(2)用C語言編寫ESP32程序,總體程序包括主程序設計、連接WiFi程序設計、初始化程序設計、溫度獲取以及PID->PID調(diào)節(jié)溫度程序設計。整體的多種功能都在主程序的調(diào)用中實現(xiàn),進入主程序,要先進行系統(tǒng)的WiFi連接操作。WiFi連接操作的細節(jié)是選擇WiFi并等待其與WiFi進行相連,然后對其進行初始化操作,初始化其PID與溫度傳感器,并且要分配好存儲器開發(fā)資源,實現(xiàn)更好的簡單編程和調(diào)用。本設計方式對溫度的采集可實現(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。本地所測溫度值與裝置實體按鍵設置的報警溫度值都將在手機APP與網(wǎng)頁上進行展示。若MAX6675感應的實際溫度超出滿量程,就會在網(wǎng)頁上顯示出來并啟動報警部分指定程序,隨之開關電路便會報警[2],最后會在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)不足并及時完善。

3.1 程序頭文件程序設計

對程序進行頭文件設定,保存及聲明其程序,鏈接其應用程序及其函數(shù)庫,防止其程序錯亂。將其模塊管腳的接口連接到裝配檢索引腳,定義其對應引腳的新模塊,并定義其對應的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備了一種圓筒狀的容器，里面盛好狗食。接受測驗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。每只狗接受100次這樣的測驗，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程序設計

進行WiFi連接,等待WiFi釋放信號,搜索其附近IP地址,連接其WiFi,另一方面也能尋找其對應的IP地址進行直接連接。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)溫度設計

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)送到電腦或服務器上,定義其溫度,將數(shù)據(jù)類型由double轉為char型,然后獲取http傳回來的數(shù)值,將string數(shù)據(jù)轉換為int型的數(shù)據(jù),將數(shù)值進行處理放入到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)類型轉換double轉為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)運行

溫度控制檢測裝置見圖5,在完成實物圖片焊接后,將編寫的每個程序寫入ESP32芯片中完成實物系統(tǒng)調(diào)試。DS18B20測量的溫度出現(xiàn)異常室溫值,報警喇叭就會報警、LED指示燈會發(fā)光。當啟動該裝置后,裝置中的溫度傳感器將其數(shù)據(jù)傳輸?shù)絟ttp當中,同時存儲其數(shù)據(jù)到SD存儲卡中,實現(xiàn)一個循環(huán)流程。圖6是溫度檢測記錄數(shù)據(jù)曲線圖。

圖5 溫度控制檢測裝置

圖6 溫度檢測記錄數(shù)據(jù)曲線

問題與改進主要表現(xiàn)在以下3個方面:

(1)檢測電子元件所用的溫度監(jiān)測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器內(nèi)部,對于檢測電子元件故障檢測來說十分不便。

(2)傳統(tǒng)溫度檢測類機器沒有與網(wǎng)絡連接,也沒有與之相匹配的大數(shù)據(jù)分析,該項目會彌補在機械溫度異常檢測中大數(shù)據(jù)的空缺。

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

5 結語

目前我國溫度控制檢測系統(tǒng)還處于發(fā)展階段,如何準確地檢測以及控制溫度的變化,是我們應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系統(tǒng)對于我國工業(yè)發(fā)展是一個強有力的提升。基于ESP32的溫度檢測系統(tǒng),實現(xiàn)了低成本與實時反饋數(shù)據(jù)等功能,在一些小型工業(yè)檢測溫度上,可以大大降低其檢測時間以及成本。