基于STM32的光控護目鏡檢測設備的開發

江漢大學物理與信息工程學院 劉 立 張 強 段金杰 徐 戩

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基于STM32的光控護目鏡檢測設備的開發

江漢大學物理與信息工程學院 劉 立 張 強 段金杰 徐 戩

【摘要】本項目主要是針對目前焊接防護設備中的光控護目鏡檢測設備的開發。主要技術方案是以STM32F103單片機為控制核心，采用嵌入式系統實現對光控護目鏡進行色號檢測，響應時間檢測。該設備具有可靠性，便攜性的特點，為光控護目鏡行業的發展提供了合格的檢測技術支持。

【關鍵詞】光控護目鏡；色號檢測；響應時間檢測

1 引言

光控護目鏡是一種代替焊接面罩的防護設備,它的工作原理是通過感應焊接光，在1ms以內的時間，將液晶片由透明變為不透明。這樣實現自動變光，保護焊接工人的眼鏡。我國是自動變光頭盔的生產大國，每年出口產值10億以上，但并不是生產強國。可是目前國內還不能生產功能完善的光控護目鏡檢測設備，隨著國家標準的制定，但卻無相關檢測設備，矛盾越來越突出。目前，相關企業的檢測設備全部為進口，價格在30萬元以上，嚴重的制約了相關企業的發展。光控護目鏡在國外有嚴格的CE和ANSI標準，必須通過這個標準，才能進入。我們國家也制定了相關的檢測標準，但一直沒有可靠的國產檢測儀器。現在我們的研究主要就是打破國外的技術壟斷，開發出自己的檢測儀。

總的說來，相關全功能的檢測儀在國內是個研究的空白。市場上有2家企業開發了相關的產品，但是精度都達不到0.1色號，不能滿足要求。國外的相關研究發表論文比較少，主要集中在標準的制定方面。本文提出了利用雙路檢測法，可以測量相應時間和色號。

2 系統實現方案

本系統由STM32F103為控制核心，主要采用的技術方法是分步實施，將檢測儀分為三個部分，第一個部分是色號檢測，另外是響應時間檢測和通用儀器部分。其中色號變化和響應時間是兩個重要的反應護目鏡性能的參數。

2.1 色號檢測

為了提高工人勞保條件，保護普通電焊工的眼睛，光控護目鏡是一種不可或缺的防護設備，因為光控護目鏡可以在進行焊接作業時自動實現鏡片的瞬時轉變，將液晶片的透明度降低，從而有效的保護勞動者的眼睛，提高工作效率，保證焊接質量。當焊接弧光發出的光強一定時，由護目鏡射出的光強取決于護目鏡本身的光透射比，光透射比一般以τ表示。它的定義是從物體透出的光強與入射到物體的光強之比。即。

所以光透射比反映了入射到護目鏡上的光強經護目鏡后的透過程度。

我們用色號來描述它的變光程度。關于色號，其定義可用下式表示：

其中N為護目鏡的光透射比[1]。從上式可以看出，光透射比越大，色號值越小；光透射比越小，色號值反而越大。

本設計在色號檢測過程中，需要模擬電焊過程，將變化巨大的光強照射在護目鏡上，由硅光電池將光信號轉化為電信號，由小信號檢測電路放大，再由高精度AD采集電壓輸出至主控制器處理分析得到相應的色號。

2.2 響應時間檢測

響應時間是指護目鏡明態時，從其光檢測器接收弧光信號到護目鏡變為暗態所需的時間間隔。響應時間關系到焊工引弧時受到強可見光瞬間照射的時間，也關系到焊工在焊接過程中能否清楚地進行觀察，能否徹底消除盲目引弧。

為了提高響應時間，本設計采用高速AD實現響應時間檢測。同色號檢測一樣，先將硅光電池轉換得到的小信號放大，再由高速AD芯片采集電壓值送至主控制器，通過測量采集得到的電壓值變化的速率來計算護目鏡的響應時間。

2.3 通用儀器

通用儀器部分采用標準化設計方案。

3 光控護目鏡測試儀的硬件部分設計

3.1 控制電路設計

本設計采用STMicroelectronics 公司的STM32F103作為微控制處理器。

STM32F103是32bit基于ARM核心的微控制器，多達112個快速IO口，2個接口(支持SMBus/PMBUs)，5個USART接口，3個SPI接口[3]。足以滿足與AD芯片、串口屏幕等模塊電路的控制與通信。

3.2 AD采樣電路設計

本設計采用ADS1255作為高精度AD采樣電路，ADS1255 是TI公司推出的微功耗、高精度、24bitΔ-Σ型模數轉換器，24位無數據丟失，所有數據速度和PGA設置，具有± 0.0010%的低非線性度。高速AD采樣電路使用ADS805芯片，ADS805是精度為12bit的模數轉換芯片，具有68dB的高信噪比和300mW的低功耗功能，采樣頻率高達20MHz，足以滿足本設計的采樣要求。高精度、高速AD采樣電路通過模擬開關TS5A3159實現切換。

圖1　模擬開關電路

3.3 小信號放大電路設計

由于需要檢測的信號為微弱光電信號，所以我們選擇用跨阻型放大器[4]。本設計采用TI公司的OPA129運算放大器，OPA129具有±30fA的超低偏置電流、低噪聲、能支持反饋高增益下帶寬應用等特點[5]。

圖2　小信號放大電路

3.4 顯示方案

液晶顯示采用K600+觸摸液晶屏通過USART方式與主控制器通信，K600+通過繪圖工具設計底圖界面，使用DGUS系統軟件進行開發，指令簡單，通過串口調試，從而簡化主控制器代碼編寫，提高編程效率。

4 軟件控制流程設計

控制流程圖：

5 結語

本文設計制作了一種光控護目鏡檢測儀，由STM32F103為控制核心，通過光電探測器對透過光控護目鏡的光線進行轉換接收并放大，由高精度、高速AD電路采集經光電轉換后的電壓，再送入單片機內處理得出光控護目鏡的色號和響應時間。經實際測試實驗，本系統性能穩定，檢測精度高，完全符合對光控護目鏡性能參數檢測的要求。

參考文獻

[1]晁創.基于STC12C5A60S2的電焊護目鏡黑度值測試儀的研制[D].華中科技大學,2011.

[2]唐一鳴.變光焊接護目鏡特性測試儀的研發[D].上海交通大學,2008.

[3]王永虹,徐煒,郝立平.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理與實踐[M].北京:北京航空航天大學出版社,2008.

[4]敖育紅,胡少六,鄭兆青.光通信系統中前置跨阻放大器的研究和設計[J].微電子技術,2003,06:31-33.

[5]德州儀器.OPA129數據手冊[Z].美國德州:德州儀器, 2007.