基于ESP8266的负载温度采集系统设计

杨亚斐,张 鹏,郑念庆,杜 挺

(西部超导材料科技股份有限公司,陕西 西安 710021)

冶金、热处理行业中,温度是非常关键的参数,电炉温度的准确性直接影响着产品质量。目前对于电炉温度的监控手段主要是均温性测试,国内外测试标准有:GBT9452—2012(国内民用标准)、HB5425—2012(国内航空标准)、AMS2750F[1](美国宇航标准)。均温性测试大多在空载状态下进行,无法模拟真实工况反映出保温过程、连续出炉过程炉内的实时温度;实际加热生产中,不同的装炉重量,不同的装炉摆放位置也会形成不同的温场,对产品加热过程造成不同程度的影响。对于生产过程中实时温度的采集,采用人工测量费时费力,采用有线传输成本较高,出问题难排查,因此设计一套稳定、低成本、易操作的负载温度采集系统,具有十分重要的意义。本文基于热电偶测温原理, ESP8266串口通信原理,搭建出了一套温度采集系统[2],实现了加热过程中负载温度的实时采集。

1 统总体结构

1.1 系统总体框架

系统总体框架如图1 所示[3]。系统由温度传感器,信号转换模块,数据接收模块三个部分组成,模块之间通过串口连接,温度传感器采用S(PtRh-Pt)[4]分度热电偶,可以长期在0～1 200 ℃温度稳定使用,信号转换模块选用了带RS485通信功能的XMT70X数字仪表和基于ESP8266芯片的D1 MINI PRO WIFI开发板[5]。串口模块均采用5V电源供电。

图1 系统框架图

1.2 热电偶测温原理

热电偶是加热设备中使用最广泛的温度传感器之一,热电偶的工作原理基于塞贝克效应,由两种不同材质的导体组成,两端分别连接在一起形成闭合回路,当两端存在温度差异时,就会形成塞贝克电势,二次仪表通过测量热电势得到温度值[6],如图2所示。

图2 热电偶测温原理图

A导体温差电势:

B导体温差电势:

T端接触电势:

T0端接触电势:

热电偶回路中产生的电势差:

EAB(T,T0)=[eAB(T)+eB(T,T0)]-[eAB(T0)+eA(T,T0)]

热电偶回路中总电势与温度T成非线性函数关系:

EAB(T,T0)=f(T)-C=∂(T)

由以上函数看出热电偶回路中的总电势与A、B材料的中间温度无关,只与T、T0两端温度有关,在使用中,T、T0两端,测量端在高温环境下,接线端在室温环境下,室温环境下温度波动较小,所以可以理解为,热电偶回路中的总电势与热电偶测量端的温度呈非线性正相关函数关系[7-8]。

1.3 ESP8266串口电路

热电偶采集到的热学信号通过补偿导线传递至采集仪表,采集仪表通过RS485转TTL模块将温度信号转化为芯片可识别的电平信号,并传递至ESP8266芯片, ESP8266芯片将采集到的电平信号转化为网络信号并传输至内网服务器。ESP8266芯片需要提前通过Arduino软件编程,定义针脚,配置WIFI,定义数据收发方式,并将程序烧录至ESP8266芯片,串口连接图如图3所示,模块组件如图4所示。

图3 串口连接图

图4 模块组件

1.4 串口代码

SoftwareSerial mySerial(12, 14); // RX, TX

union data{ float f; byte d[4];};

data u;

byte sd[8]= {0x01, 0x03, 0x01, 0x60, 0x00, 0x02, 0xc5, 0xe9};//前缀“0x”表示16进制

void sendmsg() {

for (int i = 0; i <8; i++)

mySerial.write(sd[i]);

voidgetmsg() {

int n = 0;

while (mySerial.available() >0) { //获取串口上可读取的数据的字节数

n++;

char c = mySerial.read(); //读取传入的串口的数据

if (n == 4) u.d[3]= c;

else if (n == 5) u.d[2]= c;

else if (n == 6) u.d[1]= c;

else if (n == 7) u.d[0]= c;

else if (n == 9) {

Serial.println(u.f);

break;

}

delay(1);

}

}

1.5 温度采集系统应用界面

应用界面开发基于SQLserver数据库原理,使用帆软(FineReport)开发工具对数据集进行抓取、定义、公式运算[9],实现了数据的图表化展示,采集系统界面如图5所示。

图5 采集系统界面

2 数据采集可靠性验证

软硬件功能实现后,为了验证系统采集数据的准确性,进行了负载比对实验。紧贴物料表面布置一支高精度铠装测试传感器[10],如图6所示,传感器采集数值为754 ℃,约定该温度为物料表面真实温度。采集系统传感器温度为760 ℃,对采集系统增加-6 ℃修正,使采集系统温度等于测试传感器温度。由于采集系统传感器为S分度,可以在700～1 200 ℃环境下长期稳定使用。只要定期进行比对试验,调整采集系统修正,就可以保障采集系统温度数据的可靠性。

图6 对比试验示意图

3 结 语

本文基于热电偶、ESP8266芯片,完成了系统硬件与串口模块的连接,配置了系统软件参数,设计出了一套温度数据采集系统,介绍了温度采集系统的整体硬件框架,热电偶测温原理,串口电路信号转化传递原理,ESP8266芯片核心代码,实现了加热作业中负载温度的实时采集,系统运行稳定。