基于STC單片機(jī)的渦流金屬探傷設(shè)備的設(shè)計(jì)

唐敏

（大連職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣電子工程學(xué)院，遼寧大連116037）

基于STC單片機(jī)的渦流金屬探傷設(shè)備的設(shè)計(jì)

唐敏

（大連職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣電子工程學(xué)院，遼寧大連116037）

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬工件設(shè)備檢測(cè)的需求，提出了一種基于STC單片機(jī)的渦流金屬探傷設(shè)備的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并完成系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)的硬件部分主要用來控制渦流探頭行進(jìn)軌跡，手動(dòng)或自動(dòng)檢測(cè)金屬工件有無缺陷，軟件部分采用Keil軟件進(jìn)行編程，能夠完成對(duì)其檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行顯示和保存。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)具有操作簡便、測(cè)試準(zhǔn)確的特點(diǎn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

單片機(jī)；渦流；金屬探傷設(shè)備

渦流檢測(cè)[1]就是運(yùn)用電磁感應(yīng)原理，將正弦波電流激勵(lì)探頭線圈，當(dāng)載有交變電流的檢測(cè)線圈靠近金屬工件時(shí)，由于線圈磁場(chǎng)的作用，工件中將會(huì)感生出渦流，渦流的大小與工件中的缺陷有關(guān)，而渦流產(chǎn)生的反作用磁場(chǎng)又將使檢測(cè)線圈的阻抗發(fā)生變化。因此，在工件形狀尺寸及探測(cè)距離等固定的條件下，通過測(cè)定探測(cè)線圈阻抗的變化，可以判斷被測(cè)工件有無缺陷存在。

渦流金屬探傷[2]設(shè)備就是利用渦流檢測(cè)原理測(cè)量出這種變化量就能鑒別金屬表面有無缺陷或其它物理性質(zhì)變化。功能要求實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)工件缺陷的手動(dòng)與自動(dòng)檢測(cè)。

本設(shè)計(jì)采用STC公司IAP15W4K61S4單片機(jī)作為主控芯片，完成渦流金屬探傷設(shè)備的設(shè)計(jì)。

IAP15W4K61S4是寬電壓、高速、高可靠和低功耗的新一代8051單片機(jī)。單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T），速度比普通8051單片機(jī)快8~12倍。片內(nèi)大容量4096字節(jié)的SRAM，包括常規(guī)的256字節(jié)RAM和內(nèi)部擴(kuò)展的3840字節(jié)XRAM.ISP/IAP，在系統(tǒng)可編程/在應(yīng)用可編程，無需編程器/仿真器。共有8通道10位高速A/D轉(zhuǎn)換，速度可達(dá)30萬次/s，8路10位PWM還可當(dāng)8路D/A轉(zhuǎn)換使用。4組獨(dú)立的高速異步串行通信端口，1組高速同步串行通信端口SPI.共7個(gè)定時(shí)器，5個(gè)16位可重裝載定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。

基于單片機(jī)的渦流金屬探傷設(shè)備[3]具有手動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)檢測(cè)2種模式。手動(dòng)檢測(cè)時(shí)，用按鍵設(shè)置探測(cè)線圈移動(dòng)到指定的坐標(biāo)點(diǎn)檢測(cè)有/無缺陷，檢測(cè)到有缺陷時(shí)，缺陷數(shù)量自動(dòng)加1.自動(dòng)檢測(cè)時(shí)，探測(cè)線圈自動(dòng)回到坐標(biāo)零點(diǎn)，然后逐行對(duì)被測(cè)工件進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，探頭坐標(biāo)實(shí)時(shí)顯示探測(cè)線圈坐標(biāo)值。當(dāng)檢測(cè)到缺陷時(shí)，檢測(cè)暫停，缺陷數(shù)量自動(dòng)加1，然后檢測(cè)繼續(xù)，直至掃描完畢。

本論文設(shè)計(jì)的是一種以STC單片機(jī)為主控制單元，該控制系統(tǒng)主要由主控單片機(jī)電路、人機(jī)通道（包括顯示電路和鍵盤電路）、前向通道（包括X方向位移傳感器、Y方向位移傳感器和電渦流傳感器）和后向通道（包括X方向驅(qū)動(dòng)電機(jī)和Y方向驅(qū)動(dòng)電機(jī)）4部分組成。渦流金屬探傷設(shè)備的系統(tǒng)框圖具體見圖1所示。

圖1 渦流金屬探傷設(shè)備系統(tǒng)框圖

1渦流金屬探傷設(shè)備的硬件電路設(shè)計(jì)

渦流金屬探傷設(shè)備硬件電路設(shè)計(jì)主要包括主控單片機(jī)電路、人機(jī)接口、前向通道和后向通道的設(shè)計(jì)4個(gè)部分。

1.1 主控單片機(jī)電路

渦流金屬探傷設(shè)備所采用的微控制器是STC公司的IAP15W4K61S4單片機(jī)[4]。主控單片機(jī)電路主要包括電源電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路和下載電路。主控單片機(jī)電路具體如圖2所示。主控單片機(jī)電路功能說明如表1所列。

圖2 主控單片機(jī)電路

表1 主控單片機(jī)電路功能說明表

IAP15W4K61S4單片機(jī)可以有2個(gè)時(shí)鐘源，內(nèi)部高精度R/C時(shí)鐘和外部時(shí)鐘（外部輸入的時(shí)鐘或外部晶體振蕩產(chǎn)生的時(shí)鐘）。利用時(shí)鐘分頻控制寄存器可進(jìn)行時(shí)鐘分頻，從而使單片機(jī)在較低頻率工作。

本次設(shè)計(jì)中，主時(shí)鐘是外接24 MHz晶體振蕩產(chǎn)生的時(shí)鐘，單片機(jī)機(jī)器周期為0.5 us.系統(tǒng)時(shí)鐘是指對(duì)主時(shí)鐘進(jìn)行分頻后供給CPU、定時(shí)器、串行口、SPI、A/D轉(zhuǎn)換的實(shí)際工作時(shí)鐘。

1.2 人機(jī)接口電路

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中人機(jī)接口包括顯示電路和鍵盤電路，顯示電路用于顯示菜單界面和測(cè)試結(jié)果，鍵盤電路用于控制菜單切換和方向控制。人機(jī)接口電路具體如圖3所示。人機(jī)接口電路功能說明如表2所列。

圖3 人機(jī)接口電路

表2 人機(jī)接口電路功能說明表

采用非總線擴(kuò)展的方法，顯示電路和單片機(jī)的I/O端口進(jìn)行連接。顯示電路選用的12864A-1液晶顯示模塊是128×64點(diǎn)陣的漢字圖形型液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置8192個(gè)中文漢字（16× 16點(diǎn)陣）、128個(gè)字符（8×16點(diǎn)陣），可光標(biāo)顯示、畫面移位等功能。本設(shè)計(jì)采用8位并行連接方式。

采用行列式鍵盤連接方法，鍵盤電路和單片機(jī)的I/O端口進(jìn)行連接。為了滿足后續(xù)功能擴(kuò)展，采用4行×4列的方式擴(kuò)展出16個(gè)按鍵。鍵盤布局具體如圖4所示。

圖4 鍵盤電路的布局

1.3 前向通道電路

前向通道的作用是用于采集輸入的傳感器信號(hào)。本設(shè)計(jì)中需要采集的傳感器信號(hào)有X方向位移傳感器、Y方向位移傳感器和電渦流傳感器。經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳輸至單片機(jī)，用于顯示和測(cè)量結(jié)果處理，如圖5所示。前向通道電路的功能說明如表3所列。

圖5 前向通道電路

表3 前向通道電路的功能說明表

其中A/D轉(zhuǎn)換電路采用ADS1118芯片。

ADS1118包含1個(gè)16位delta-sigma的AD轉(zhuǎn)換器和可調(diào)增益放大器，1個(gè)內(nèi)部電壓參考，1個(gè)時(shí)鐘發(fā)生器，1個(gè)SPI接口和1個(gè)高線性度的溫度傳感器。

ADS1118有兩種有效轉(zhuǎn)換模式：單端模式和連續(xù)模式。在單端模式，ADC執(zhí)行一次轉(zhuǎn)換后存儲(chǔ)一個(gè)變量在AD芯片的一個(gè)內(nèi)部寄存器內(nèi)，然后芯片進(jìn)入低功耗掉電模式。在連續(xù)模式，ADC在上一個(gè)轉(zhuǎn)換完成時(shí)自動(dòng)開始下次轉(zhuǎn)換，連續(xù)模式轉(zhuǎn)換速率取決編程設(shè)定的速率。轉(zhuǎn)換的結(jié)果總是可以被讀取的，這個(gè)數(shù)據(jù)也是反應(yīng)最近完成的速率轉(zhuǎn)化。具體如圖6所示。

圖6 A/D轉(zhuǎn)換電路

1.4 后向通道電路

后向通道的作用是輸出驅(qū)動(dòng)外圍連接的電機(jī)的電平控制信號(hào)。本設(shè)計(jì)中需要驅(qū)動(dòng)的直流電機(jī)分為X方向驅(qū)動(dòng)電機(jī)和Y方向驅(qū)動(dòng)電機(jī)。輸出的電平控制信號(hào)可以控制直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)動(dòng)作。具體如圖7所示。后向通道電路的功能說明如表4所列。

圖7 后向通道電路

表4 后向通道電路的功能說明表

2渦流金屬探傷設(shè)備的軟件程序設(shè)計(jì)

根據(jù)渦流金屬探傷設(shè)備的硬件電路設(shè)計(jì)，軟件程序設(shè)計(jì)部分包括以下5個(gè)模塊：

（1）主程序模塊：主要功能是調(diào)用子模塊，控制整個(gè)程序的執(zhí)行流程，主要完成初始化、鍵值獲取、前向通道采集和后向通道控制等4個(gè)處理。其中初始化處理包括端口初始化、電機(jī)初始化、LCD初始化、SPI通信端口初始化。鍵值獲取處理主要用于獲取行列式鍵盤的鍵值。前向通道數(shù)據(jù)獲取處理主要用于采集X方向位移傳感器、Y方向位移傳感器和電渦流傳感器的電平所對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。后向通道控制處理主要用于控制X方向和Y方向的電機(jī)。

（2）按鍵控制模塊：完成【▲】、【▼】、【?】、【?】4個(gè)方向按鍵、【1】~【4】數(shù)字按鍵和【Enter】回車按鍵的處理。通過鍵盤鍵值掃描，能夠進(jìn)行探頭移動(dòng)方向的控制、菜單/存檔選擇控制和界面切換等按鍵功能。

在菜單模式下，通過數(shù)字按鍵和【▼】方向按鍵進(jìn)行子菜單的選擇，并切換到相應(yīng)子菜單。通過返回按鍵返回至上一級(jí)菜單。

在手動(dòng)操作模式下，通過【▲】、【▼】、【?】、【?】4個(gè)方向按鍵控制探頭移動(dòng)方向。

（3）LCD控制模塊：主要完成LCD初始化和LCD界面顯示2個(gè)功能。單片機(jī)對(duì)LCD的控制主要是寫命令和寫數(shù)據(jù)的方式。LCD初始化控制包括基本指令集的選擇、開啟整體顯示功能、關(guān)閉游標(biāo)顯示、設(shè)定DDRAM、屏幕清空、設(shè)定顯示內(nèi)容的位移。LCD界面顯示的內(nèi)容有：開機(jī)畫面、菜單、手動(dòng)/自動(dòng)測(cè)量界面、自動(dòng)調(diào)零界面、存檔保存/選擇/查看界面。

（4）前向通道采集模塊：完成ADC1118的15位數(shù)據(jù)的采集與轉(zhuǎn)換。主要功能是讀取X/Y方向位移傳感器的電平信號(hào)并轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。

（5）后向通道控制模塊：完成對(duì)直流減速電機(jī)的控制。主要是通過單片機(jī)的PWM脈寬調(diào)制輸出不同占空比的脈寬調(diào)制信號(hào)，芯片DRV8412將脈寬調(diào)制信號(hào)的占空比轉(zhuǎn)換為直流電平。通過兩個(gè)高低不同的直流電平產(chǎn)生不同大小的電動(dòng)勢(shì)驅(qū)動(dòng)直流減速電機(jī)，并控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。

主程序模塊的具體流程圖如圖8所示。

圖8 主程序模塊程序流程圖

上電后，首先進(jìn)行渦流金屬探傷設(shè)備硬件電路的初始化，包括以下初始化內(nèi)容：

（1）單片機(jī)I/O端口輸入/輸出初始化；

（2）定時(shí)器工作方式和初值初始化；

（3）串口工作方式和波特率初始化；

（4）LCD復(fù)位；

（5）LCD顯示狀態(tài)初始化；

（6）LCD顯示清屏。

3渦流金屬探傷設(shè)備的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

硬件初始化完成后，系統(tǒng)進(jìn)入主菜單界面，主界面內(nèi)容具體如圖9所示。

圖9 渦流金屬探傷設(shè)備的主界面

通過【1】～【4】數(shù)字鍵和【▼】方向按鍵切換進(jìn)入4個(gè)子菜單。

選擇數(shù)字鍵【1】，進(jìn)入自動(dòng)測(cè)量子菜單，渦流金屬探傷設(shè)備啟動(dòng)探頭進(jìn)行自動(dòng)行列式掃描測(cè)量，先進(jìn)行X方向掃描，檢測(cè)完一行之后再進(jìn)行Y方向掃描，當(dāng)檢測(cè)到壞點(diǎn)，蜂鳴器提示，并記錄壞點(diǎn)位置信息和個(gè)數(shù)，具體如表5所列。

表5 渦流金屬探傷設(shè)備的自動(dòng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

選擇數(shù)字鍵【2】，進(jìn)入數(shù)據(jù)回看子菜單，可以查看最近10組測(cè)量存檔數(shù)據(jù)。

選擇數(shù)字鍵【3】，進(jìn)入手動(dòng)控制子菜單，可以通過【▲】、【▼】、【?】、【?】4個(gè)方向按鍵手動(dòng)控制探頭的行進(jìn)方向，探測(cè)金屬工件缺陷壞點(diǎn)，這種模式主要應(yīng)用于檢測(cè)指定缺陷壞點(diǎn)。

選擇數(shù)字鍵【4】，進(jìn)入自動(dòng)調(diào)整子菜單，用于調(diào)整探頭的歸零點(diǎn)，便于正確測(cè)試壞點(diǎn)位置信息。

4結(jié)束語

該系統(tǒng)采用具有高速低功耗的單片機(jī)IAP15 W 4K61S4為硬件開發(fā)平臺(tái)，軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，提高了系統(tǒng)的可靠性和維護(hù)性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)具有檢測(cè)準(zhǔn)確、穩(wěn)定可靠、人機(jī)界面友好等特點(diǎn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

[1]潘付文.基于電渦流傳感器金屬材質(zhì)檢測(cè)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2011（6）：111-113.

[2]李安陽.基于電磁差動(dòng)渦流傳感器和FPGA的金屬板探傷研究[J].測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào)，2013（27）：62-66.

[3]范麗珍，李樹華.基于單片機(jī)的智能型金屬探測(cè)器的設(shè)計(jì)[J].內(nèi)蒙古大學(xué)學(xué)報(bào)，2006（3）：185-188.

[4]李友全.51單片機(jī)輕松入門（C語言版）—基于STC15W4K系列[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2015.

Design of Eddy CurrentMetalDetector Based on STC serials MCU

TANG Min
（Dalian Vocational&Technical College，Dalian Liaoning 116037，China）

In order to satisfy the requirement of the metal workpiece detection，the design of the eddy current metal detector system based on STC serials MCU is designed in this paper.The hardware system is used to control the path of eddy current probe，manually or automatically detectmetal workpiece defects.The software system adopts the Keil software as development environment.The eddy currentmetal detector can accomplish to display and save the test results.The experiment and application show that this system has good performance，and achieve the design requirement.

single chipmicrocomputer；eddy current；metal detector

TP274.5

A

1672-545X（2016）12-0033-04

2016-09-11

唐敏（1976-），女，遼寧大連人，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域：數(shù)字信號(hào)處理，嵌入式軟件開發(fā)，現(xiàn)代控制技術(shù)。