電焊機電壓電流參數在線式采集系統設計

龐 立

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電焊機電壓電流參數在線式采集系統設計

龐 立

（海洋石油工程（青島）有限公司，山東青島 266520）

本文針對電焊機主機上電壓電流參數在進行焊接過程中不易觀測和存儲的問題，以STM32F103 ARM為核心控制器設計了一種在線式電焊機電壓電流參數的采集系統，可以實時的采集記錄電壓和電流值，并通過藍牙無線傳輸將數據顯示在LCD上。實驗結果證實本設計可以對電焊機的電壓電流參數進行準確、實時、便攜的采集記錄。

電壓 電流 在線式 采集

0 引言

焊接工藝評定試驗是船舶與海洋工程焊接工藝規程文件編制中非常重要的部分，為了保證焊接質量，需要做焊接評定試驗。焊接評定試驗時需要采集焊接過程中電壓、電流等焊接參數，作為焊接工藝規程制作的評定依據。電焊機主機帶有指針式的電流電壓表，現場工作環境中，通常主機離焊接件較遠，電焊工人進行電焊操作時，焊接工程師觀測主機的電流電壓表非常不便利。目前的測量方式為人工使用鉗形萬用表單次測量單個參數，整個試驗過程效率較低，花費的時間及人力較多。本文設計的電焊機電壓電流參數在線式采集系統可以在線同時采集電焊機的電壓和電流值，數字式顯示，并具有存儲功能便于后期的技術校驗及數據對比，大大縮短了測量的時間，提高了工作效率。

1 系統組成

本系統由采集模塊和顯示模塊兩部分組成。采集模塊主要完成電焊機電壓和電流信號的采集，處理功能。顯示模塊主要完成電壓和電流信號的顯示、存儲功能。采集模塊和顯示模塊均使用STM32F103 ARM作為其核心控制器[1]。采集模塊包括控制器、電壓傳感器、電流傳感器、藍牙及外圍處理電路。顯示模塊包括控制器、LCD顯示器，藍牙、內存卡及外圍處理電路。兩個模塊通過藍牙進行數據的無線傳輸。如圖1所示。

采集模塊的電流采集選擇LEM公司的LT1005-S閉環霍爾電流傳感器，電壓采集選擇LEM公司的LV28-P閉環霍爾電壓傳感器，如表1所示[2,3]。

圖1 系統結構框圖

表1 傳感器參數數據表

LEM公司的這兩款傳感器具有精度高、線性度好、低溫漂、抗外界干擾能力強、反應速度快等優點，滿足本設計的要求。電流傳感器和電壓傳感器輸出的微小電流信號經過電流/電壓轉換、放大、濾波后轉成0~3 V的電壓信號輸入到ARM的A/D接口，進行數據的處理。處理后的數據通過藍牙或者RS485傳輸到顯示模塊中。

2 硬件電路設計

2.1 ARM控制器

本設計采用STM32F103 ARM作為采樣模塊和顯示模塊的核心控制器，其最小系統圖如圖2所示。ARM工作頻率可高達72 MHz，SRAM高達20 K字節；2.0~3.6 V供電和I/O引腳；2個12位模數轉換器，轉換時間1 μs，轉換電壓范圍0~3.6 V；多達7個定時器和9個通信接口；串行單線調試SWD和JTAG接口，便于在線仿真和程序下載。上述的ARM性能可以滿足本設計的要求，本設計中所使用到的I/O口及功能如表2所示。

2.2 霍爾電壓傳感器

LV28-P是應用霍爾原理的閉環電流傳感器，測量范圍為0～±14 mA，最大測量電壓700 V，轉換率是2500: 1000。直流電壓采樣及調理電路如圖3所示。LV28-P原邊配置原邊電阻1，為保證傳感器的高線性度及測量精度，設計原邊被測電流取原邊額定電流的0.85倍。若被測直流電壓是500 V，則原邊電阻值1計算為：

1=500/(0.85×10)=58.83 kΩ

圖2 STM32F103C8T6最小系統圖

表2 ARM I/O口及功能表

LV28-P輸出的信號經過TLV2374調理電路的放大、濾波后轉成0~3 V的電壓信號輸入到ARM的A/D接口，進行數據的處理。

2.3 霍爾電流傳感器

LT1005-S是基于霍爾效應的閉環電流傳感器，其傳感器電路與被測電路是隔離的，對被測電路的影響可以忽略不計。可以測量直流、交流及脈動電流。當原邊導體的電流發生變化時，霍爾電流也發生變化，霍爾電壓即隨之發生變化，將此電壓變化通過放大器放大輸出，輸出的電壓大小反應了被測電流的大小。如圖4所示。

圖4 直流電流采樣及調理電路

2.4 電源模塊設計

電源系統是一切電子設備的重要部分，負責給各電子芯片提供穩定的直流電壓，電源系統的穩定性和可靠性對于整個系統的精度具有重要影響。電池為系統提供主電源，為滿足長時間工作要求，采用可充電聚合物裡電池，容量為2000 mAh以上，鋰電池電壓輸出24 V。通過DC/DC模塊A2415S將電壓由24 V轉為±15 V，給放大器TLV2374供電，再由穩壓電源芯片LT3970-3.3將直流電壓降為3.3 V為系統各器件提供供電。

3 軟件設計

軟件設計包括采集模塊軟件和顯示模塊軟件兩部分。采集模塊將LEM霍爾傳感器采集的副邊的電壓電流值進行A/D處理，并將其值反算為真實的原邊的電壓電流值，并將值通過數據協議經藍牙接口發送到顯示模塊。采集模塊的軟件程序包括A/D轉換子程序、實時時鐘子程序和藍牙通訊子程序，其軟件流程圖如圖5所示。設計數據采集間隔為1秒。顯示模塊將藍牙接收到的數據顯示在LCD上，并將數據保存在SD卡上，便于技術統計。顯示模塊的程序包括LCD顯示子程序、SD卡存取子程序、實時時鐘子程序和藍牙通訊子程序，其軟件流程圖如圖6所示。

圖5 采集模塊軟件流程圖

圖6 顯示模塊軟件流程圖

4 結束語

本文針對電焊機設計了一種便攜式的電壓電流采集設備，設備包括采集模塊和顯示模塊，兩個模塊通過藍牙無線傳輸數據。每1秒采集一次電壓電流信號進行處理，處理后的數據進行顯示及存儲。實驗證明本設計簡單便攜、測量準確，可以滿足電焊機電壓電流參數信號在線測量的要求。

[1] 孫書鷹, 陳志佳, 寇超. 新一代嵌入式微處理器STM32F103開發與應用[J]. 微計算機應用, 2010, 31(12): 59-63.

[2] 李靖, 黃紹平, 張深基. LEM傳感器在電氣參數測試中的應用[J]. 湖南工程學院學報, 2004, 14(2): 12-15.

[3] 謝珺耀, 于海波. LEM電流傳感器的應用探討[J]. 電子工業專用設備, 2010(180): 50-53.

Design of Online Collection System for Voltage and Current Parameters of Welding Machine

Pang Li

(Offshore Oil Engineering (Qingdao) Co. Ltd., Qingdao 266520, Shandong, China)

TP274

A

1003-4862（2018）11-0056-03

2018-05-29

龐立(1983-)，男，工程師。研究方向：船舶與海洋工程的檢驗。E-mail: pangli02@163.com