基于XRF檢測環節的XYZ軸電動平臺的控制應用

徐木強,李福生,王清亞,江曉宇

(1.東華理工大學機械與電子工程學院，江西 南昌 330013；2.東華理工大學核應用技術研究所，江西 南昌 330013)

0 引言

傳統的便攜式X射線熒光(X-ray fluorescence,XRF)光譜儀測試樣品都需要進行人工測試:將待測物品置于分析儀器的測試端口，由人工操作控制儀器開關進行測試。測試過程中，需要人工更換測試樣品、填寫樣品名稱，在儀器檢測過程中需要隨時注意是否檢測完成。遇到大量檢測時，需要檢測人員時刻關注和頻繁的操作，耗時較長。因此，為了解決人工耗時、提升檢測效率[1]，配合現有的便攜式X射線光譜分析儀，設計了基于STM32控制的自動檢測平臺。該平臺可配合儀器進行大量樣品的不間斷檢測。使用該平臺所得儀器檢測結果的穩定性與人工測試水平相當。在多次重復性測試穩定方面，相比較于人工測試，使用該平臺的測試穩定性明顯高于人工測試。在使用過程中，系統運行穩定、故障率低，節省了巨大的人力耗時，取得了預期的設計成果[2-3]。

1 系統結構及硬件設計

1.1 系統結構

該平臺由供電模塊、外形支架(SUS304)、樣品放置盤模塊、XYZ軸的步進電機和驅動模塊、放置儀器部位以及控制板模塊組成[4]。操作人員使用該自動檢測平臺時，首先要設計儀器進入對應的自動定標模式，將儀器的檢測開關以及檢測時間設置為所需要的值。然后，工作人員通過設置的時間以及所要測試的樣品總數，計算該總數占了樣品盤的幾行、一行有多少個，以及最后一行的個數，從而確定XY軸的最終移動位置。再加上每個樣品所需要測試的時間以及Z軸上升下降的時間，即可確定步進電機在一個樣品位置所待的對應時間。將這些數據通過手機藍牙發送到單片機的藍牙接收端上。主控芯片接收到指令，進而控制單片機各I/O口的輸入/輸出。單片機進入正常工作狀態后，LCD顯示屏顯示測試進程，系統進入運行狀態[5]。系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖

1.2 硬件模塊及功能介紹

平臺的外圍主要由外部支架組裝而成。平臺外觀示意圖如圖2所示。

圖2 平臺外觀示意圖

圖2中：步進電機也是可拆卸式，增加了整個系統的便攜性；樣品盤用來放置檢測的樣品，要求每個樣品的橫向和縱向距離相同，便于步進電機的準確定位；樣品盤的下方有一塊海綿填料進行緩沖，防止因Z軸電機運動造成儀器探測端與樣品表面過于擠壓。為了安全考慮，XRF光譜儀的測試口安裝有物料感應傳感器，只有檢測到有物料時才會進行測試。

系統硬件電路設計主要包括開關電源、24 V轉5 V和3.3 V的MP1593芯片和MP2459芯片供電電路、按鍵電路、控制輸出電路、位置檢測電路、指示燈模塊電路、藍牙模塊、LCD顯示屏模塊。系統硬件電路如圖3所示。

圖3 系統硬件電路

供電模塊包括開關電源以及控制板上的電源轉換芯片電路。整個平臺由直流供電，供電電壓為24 V、5 V和3.3 V。首先，通過開關電源將220 V的交流電轉換成24 V的直流電，24 V的直流電給電機驅動器以及控制板的輸入電源供電。控制板將24 V的直流電經過MP1593芯片的降壓電路，使輸出的電壓變為直流5 V，再經過MP2459芯片電路使輸出的電壓變為3.3 V，對主控芯片、外圍電路、LED燈、藍牙等供電。所使用的MP1593芯片允許輸入電壓為4.75～28 V，可滿足24 V的電壓輸入，且芯片的輸出電流能達到3 A，工作效率高。該模塊為整個控制平臺提供所需要的電源[6]。

控制面板包括控制板電源開關、開始按鍵、暫停按鍵、復位按鍵、停止按鍵以及單片機復位按鍵。在平臺工作中出現異常情況或者需要中止操作時，可以讓測試人員隨時介入，進行修改[7]。

顯示模塊包括兩個部分。一部分是LCD屏幕顯示。顯示屏上可看到檢測的總進程、當前行數、該行已測個數以及已完成檢測數量，方便操作人員安排時間，以及查看實時進度。另一部分是控制板的輸出和位置檢測反饋電路的LED燈顯示，可以根據LED燈的狀態，判斷單片機給出信號的順序和接收信號的時間。例如：位置檢測反饋燈常亮不滅，說明限位開關出現故障，處于一直關閉的狀態。此時，整個控制系統就會報錯。通過這些LED指示燈，檢測人員可以更快地發現和解決問題。

藍牙模塊采用了HC-6型號的藍牙2.0串口模塊。該模塊可以很好地實現與手機藍牙的連接。其搭載印制電路板天線，可滿足控制系統的性能要求，在10 m內能進行通信。操作人員只需通過手機端控制裝置，使操作變得更加簡便。整個操作過程只需要三步即可完成向系統供電、手機連上控制板的藍牙、發送對應的指令。平臺可進行自動檢測[8]。

2 程序設計

2.1 整體程序設計

該程序的設計目的就是配合硬件達到預期的運行，以及聯合便攜式X熒光光譜分析儀進行自動、高效的檢測。程序設計是在儀器現有功能的基礎上進行儀器設置，使儀器進入自動檢測保存結果的模式。工作流程如圖4所示。

圖4 工作流程圖

儀器的檢測端口和樣品未接觸時，儀器上的LED燈顯示綠色且閃爍。當儀器檢測口與樣品接觸時，LED綠燈常亮，3 s后儀器開始測試。當儀器進行測試時，儀器外部LED紅燈閃爍。當儀器檢測完成時，LED燈從紅燈閃爍變為綠燈常亮。完成一次樣品檢測后，當Z軸移動進入下一次樣品檢測時，儀器與樣品未接觸，儀器繼續綠燈閃爍，直至樣品與儀器再次接觸開始檢測，紅燈閃爍，依次循環。

2.2 運行過程算法思路

儀器在電機X、Y軸的配合下，以S形進行定位。每當定位到已設定好的樣品位置時，再由Z軸進行上下調節，使樣品與儀器充分接觸。儀器的物料感應器檢測到有樣品位于測試端口下方則開始進行測試。等待測試時間達到預設值時，Z軸電機會由單片機控制回到初始位置，則一次樣品檢測完成，繼而進行循環步驟。當X軸末端的位置檢測限位開關閉合時，說明第一行樣品數已經檢測完畢。主控芯片會控制Y軸電機運動到下一行。X軸的電機開始以設定的規律進行反轉，從而進行第二行的樣品測試。當第二行的樣品全部測完以后，X軸開始端的位置檢測的限位開關閉合，單片機檢測端收到信號，控制Y軸電機繼續運動一個單位。每次電機的Z軸運動后，單片機會進行計數，與預設值進行對比。如果達到預設值，系統停止運行，檢測完成；反之，則繼續運行[9-10]。運行軌跡控制流程如圖5所示。

圖5 運行軌跡控制流程圖

3 穩定性測試結果對比

3.1 試驗儀器及樣品

測試使用的儀器型號為自主研發的泰克松德TS-XH4000手持X射線光譜成分分析儀。本次試驗使用該儀器對土壤GBW07401(GSS-1)標樣進行穩定性測試。土壤樣品GBW07401采自黑龍江西林鉛鋅礦區的暗棕壤。該標準樣品一共有8個。

3.2 試驗結果

根據統計結果，穩定性對比表如表1所示。本次研究土壤樣品中的5種元素5次穩定性測試結果顯示，本文設計的自動檢測系統平臺測試結果的穩定性與人工檢測的穩定性相當，甚至更優。除了檢測時間相等外，樣品檢測間隔時間上約是后者的三分之一，進而縮短總的測試時間。時間對比如表2所示。根據記錄，樣品數量越大，由于人工檢測的間隔時間的不確定因素更多，可節省的時間越多。因此，配套使用本平臺可以使檢測效率大大提升。

表1 穩定性對比表

表2 時間對比表

4 結論

本文所設計的自動進樣檢測系統平臺，可實現和X射線熒光光譜儀聯合使用，達到自動化進樣檢測的目的，同時具有較強穩定性。該平臺具備檢測進程顯示、異常情況中止選擇模式、LED故障顯示模式，可實現手機互聯遠程控制功能，具有操作簡單、易上手等優點。該軟件算法可以大幅度減少電機的運行。所設計的平臺系統在自動進樣檢測與人工檢測的穩定性上結果相當，但在除了檢測時間相等外，樣品檢測間隔時間上約是后者的三分之一，縮短了總的測試時間。目前，該平臺已經使用一年以上，運行期間故障率低，穩定性強。該平臺還可以與近紅外光譜儀等設備聯用，適用范圍廣，具有較高的應用推廣價值。