基于Arduino的电焊机智能监测系统设计

程存欣 迟明路 刘蓥 钱晓艳

关键词：电焊机;智能监测;Arduino;气体检测

0引言

目前，我国电焊机领域已经形成了一套完整的研发、制造和销售体系。从最初的电阻式电焊机、手工电弧焊焊机、氩弧焊电焊机发展到现在的半自动电弧焊焊机、智能焊接机械手臂等，智能化、现代化技术已融入电焊机的发展之中。然而，电焊机焊接技术在我国已经发展了40余年，现在仍处于起步阶段，焊接行业依然存在许多问题。实际上，这也是目前世界上焊接行业的共性问题，如何做到对环境友好、数据的可视化监测与管理，已经成为当前研究热点。电焊机在焊接过程中产生的毒害气体对人体健康的影响不容忽视，而且，随着智能化时代的到来，要求能够实时监测电焊机生产作业时释放的气体浓度，保证人体健康和工廠内部空气质量安全。

本文以Arduino Mage2560控制板为基础，通过硬件搭载以及软件的编程实现各项气体监测功能。电焊机智能监测系统硬件模块主要为Arduino Mega2560主板、温湿度监测模块、PM2.5环境质量监测模块、MQl35气体监测模块、OLED显示屏显示模块以及报警装置。软件系统包括温湿度监测程序设计、毒害气体检测程序设计、PM2.5监测程序设计、主控制电路软件程序设计。

该系统能够对焊接过程中产生的高温和强紫外线作用下产生的重金属烟雾、粉尘、一氧化碳、氮氧化物等进行有效检测并报警，大大提高了劳动安全性，为实现电焊机智能化监测与智慧工厂的实施提供了技术参考，具有实际的应用价值。

1系统硬件设计

1.1 DHT11温湿度监测模块

作为工厂环境测量中最普遍的数据，环境温湿度对焊接质量的影响十分关键。焊接作业过程中，区域温湿度的变化会间接影响焊接成形可靠性，尤其是在一些焊接质量要求较高的场所，温湿度监测就显得更加重要。除了通过安装空调等设备改变工厂内环境温湿度，还需有专门设备对焊接区域环境进行实时监测，以保证焊接质量。DHT11是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器模块，采用单总线串行数字接口，可以有效节约I/O端口，而且其体积小、功耗低，十分适合用于电焊机周围的温湿度检测，其电气原理如图1所示。

1.2 PM2.5粉尘传感器监测模块

PM2.5是指悬浮在空气中的一种直径较小的大气颗粒物质，因其可以在空气中长时间存在，并携带大量病原体、重金属等有害物质而被人们专门命名为PM2.5。工厂中，尤其是在焊接作业过程中，经常伴有大量的金属烟尘颗粒释放，这种重金属烟尘会使PM2.5的指数上升，会对人体肺部等呼吸道造成伤害。本文选用日本夏普SHARP公司生产的PM2.5灰尘/粉尘传感器，其电气原理如图2所示。

该PM2.5传感器尺寸为45 mmx35 mmxl8 mm，体积较小，是一款专门用于小型电器设备监测的小型传感器。其检测原理是根据反射光实现粉尘的检测，内部主要由红外线发光二极管和光电晶体管构成，通电后，传感器会通过反射光感知通孔中的烟雾粉尘颗粒，从而实现粉尘颗粒的检测。

1.3 MQ135气体传感器模块

针对电焊机生产过程中产生的大量一氧化碳和氮氧化物等有毒有害气体，采用MQ135气体传感器模块对毒害气体进行监测，该传感器是利用对特定气体比较敏感的电阻制作而成，其主要原材料为二氧化锡，这种材料的特性是当所处的气体环境较为干净清洁时，电阻的导电率很低;当所处的环境空气污染物较多时，电阻的导电率就会增加。如果有害气体达到标定值，MQ135传感器模块会将数据传送到Arduino mega 2560主控制板，通过报警装置提示焊接工人注意排风换气，MQ135传感器检测模块电气原理如图3所示。

需要注意的是，MQ135传感器在使用之前需要提前预热，否则测试得到的数据会不准确。

2系统软件设计

电焊机智能监测系统中搭载了多种传感器模块，每种传感器模块需要使用对应的软件进行一对一编译，因此相对应软件的流程也更为复杂一些。通过编程的方式，可以使相应的硬件实现预期目标。图4所示为电焊机智能监测软件系统流程图。

电焊机智能监测系统软件设计时，需要仔细考虑传感器与主板之间的通信以及各个模块程序的嵌套，要求其逻辑上无错误、容错率好，程序的稳定性良好。使用Arduino进行程序设计的好处是可以直接调用其丰富、现成的库文件，然后根据相应的功能要求进行程序编写，极大降低了普通用户学习编程的难度，以下是基于各种库函数进行设计编辑的各模块程序展示。

2.1温湿度传感器模块DHT11程序设计

DHT1温湿度传感器模块在程序中要实现的功能是在OLED显示屏上实时显示电焊机所处环境的温度和湿度，需要根据设备型号选择对应的库函数，再根据要求进行程序的编写，部分程序如下：

2.2 PM2.5粉尘传感器监测模块程序设计

PM2.5监测模块在程序中要实现的功能是在OLED显示屏上实时显示电焊机所处环境的PM2.5粉尘数据。在函数调用中需要特别注意计算浓度函数，部分程序及注解如下：

int measurePin=0;腚义PM2.5的模拟输出端口为A0。

intledPower=2;//定义PM2.5的数字输出端口为D2。

voMeasured=analogRead（measurePin）：//读取浓度数据。

dustDensity=0.17*calcVoltage-0.1;//浓度数值计算。

2.3 MQl 35气体传感器模块程序设计

MQl35气体传感器监测模块程序设计中要实现的功能：要在OLED显示屏上实时显示电焊机所处环境的有毒、有害气体含量数据，通过设置报警激活阈值、实现气体超值报警。若环境中一氧化碳和氮氧化物等毒害气体含量超标，就会报警提示工人进行相应防护，MQl35气体传感器程序设计流程如图5所示。

3电焊机智能监测系统调试与实验测试

3.1Arduino mega 2560控制板调试

电焊机智能监测系统的核心器件是Arduino mega2560控制板，首先需要对控制板和各传感器模块进行编程操作，控制板需要连接温湿度传感器模块、PM2.5监测模块、MQ135传感器模塊等。Arduinomega 2560控制板还具有过载自动保护功能。在程序下载过程中，要关注Arduino IDE的信息提示窗口，如果仅仅是编译成功，最后没有显示“上传成功”，就需要对挂载的程序代码进行检查，如果是串口连接故障，就需要更换串口再次下载。

3.2各传感器模块实验测试

电焊机智能监测系统使用多种传感器模块，实现对作业环境实时信息采集与监测。在Arduino mega2560控制板连接各个传感器模块时，需要对各个传感器模块的指示灯进行检查。DHT11温湿度传感器模块的测试较为简单，首先需要把编辑好的程序下载到主控板中，然后在屏幕上查看温湿度示数是否与当前环境内的情况相同。当对DHT11吹气时，会发现湿度示数明显升高，温度示数也有上升，当使用电烙铁靠近传感器时，显示屏上的温度会升高，而湿度降低。DHT11温湿度传感器的作用是对作业环境的检测，通过对温湿度的把控来提高焊接质量，测试结果如图6所示。

PM2.5粉尘传感器监测模块的测试，需要首先准备艾灸棒或蚊香做为烟雾来源，然后把编辑好的程序下载到主控板中，在屏幕上查看PM2.5检测示数是否正常，点燃艾灸棒，当艾灸棒靠近PM2.5传感器时，会发现浓度升高呈指数趋势，由折线图可明显看到每立方米空气的PM2.5含量明显升高，说明该模块能够满足设计要求，测试结果如图7所示。

在进行MQ135有毒有害气体监测之前，需要首先为MQ135传感器预热，预热3～5min之后，将编辑好的程序下载到主控板中，当检测到毒害气体之后，MQ135气体传感器模块的绿色LED灯会亮起，可以较为直观地观察到是否存在毒害气体，测试结果如图8所示。

最后将全部模块安装，下载总程序并完成电焊机智能监测系统的所有测试。经过实验测试，各个模块工作正常，传感器响应速度快，能实时将数据传输到主板，并由OLED屏幕显示数据，设备能够稳定运行，达到了系统总体测试要求，图9所示为系统总体实验测试。

4结束语

本文通过Arduino mega 2560控制板对以氩弧焊电焊机为原型的电焊机智能监测系统进行设计，实现了以Arduino为主控核心的多传感器融合控制，对空气温湿度、环境毒害气体以及PM2.5粉尘含量进行实时监测，并具有超量报警功能，有效提高了作业安全性，保证了焊接作业人员的身体健康，本设计可望为焊接智慧工厂的建设奠定基础。