基于STC單片機的渦流金屬探傷設備的設計

唐敏

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

基于STC單片機的渦流金屬探傷設備的設計

唐敏

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

為了實現(xiàn)對金屬工件設備檢測的需求，提出了一種基于STC單片機的渦流金屬探傷設備的系統(tǒng)設計方案，并完成系統(tǒng)的軟硬件設計。該系統(tǒng)的硬件部分主要用來控制渦流探頭行進軌跡，手動或自動檢測金屬工件有無缺陷，軟件部分采用Keil軟件進行編程，能夠完成對其檢測結(jié)果進行顯示和保存。實際應用表明，該系統(tǒng)具有操作簡便、測試準確的特點，達到了設計要求。

單片機；渦流；金屬探傷設備

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

渦流金屬探傷[2]設備就是利用渦流檢測原理測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。功能要求實現(xiàn)對被測工件缺陷的手動與自動檢測。

本設計采用STC公司IAP15W4K61S4單片機作為主控芯片，完成渦流金屬探傷設備的設計。

IAP15W4K61S4是寬電壓、高速、高可靠和低功耗的新一代8051單片機。單時鐘/機器周期（1T），速度比普通8051單片機快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)部擴展的3840字節(jié)XRAM.ISP/IAP，在系統(tǒng)可編程/在應用可編程，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30萬次/s，8路10位PWM還可當8路D/A轉(zhuǎn)換使用。4組獨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個定時器，5個16位可重裝載定時器/計數(shù)器。

基于單片機的渦流金屬探傷設備[3]具有手動檢測和自動檢測2種模式。手動檢測時，用按鍵設置探測線圈移動到指定的坐標點檢測有/無缺陷，檢測到有缺陷時，缺陷數(shù)量自動加1.自動檢測時，探測線圈自動回到坐標零點，然后逐行對被測工件進行自動檢測，探頭坐標實時顯示探測線圈坐標值。當檢測到缺陷時，檢測暫停，缺陷數(shù)量自動加1，然后檢測繼續(xù)，直至掃描完畢。

本論文設計的是一種以STC單片機為主控制單元，該控制系統(tǒng)主要由主控單片機電路、人機通道（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)動電機和Y方向驅(qū)動電機）4部分組成。渦流金屬探傷設備的系統(tǒng)框圖具體見圖1所示。

圖1 渦流金屬探傷設備系統(tǒng)框圖

1渦流金屬探傷設備的硬件電路設計

渦流金屬探傷設備硬件電路設計主要包括主控單片機電路、人機接口、前向通道和后向通道的設計4個部分。

1.1 主控單片機電路

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

圖2 主控單片機電路

表1 主控單片機電路功能說明表

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

本次設計中，主時鐘是外接24 MHz晶體振蕩產(chǎn)生的時鐘，單片機機器周期為0.5 us.系統(tǒng)時鐘是指對主時鐘進行分頻后供給CPU、定時器、串行口、SPI、A/D轉(zhuǎn)換的實際工作時鐘。

1.2 人機接口電路

在系統(tǒng)設計中人機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試結(jié)果，鍵盤電路用于控制菜單切換和方向控制。人機接口電路具體如圖3所示。人機接口電路功能說明如表2所列。

圖3 人機接口電路

表2 人機接口電路功能說明表

采用非總線擴展的方法，顯示電路和單片機的I/O端口進行連接。顯示電路選用的12864A-1液晶顯示模塊是128×64點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個中文漢字（16× 16點陣）、128個字符（8×16點陣），可光標顯示、畫面移位等功能。本設計采用8位并行連接方式。

采用行列式鍵盤連接方法，鍵盤電路和單片機的I/O端口進行連接。為了滿足后續(xù)功能擴展，采用4行×4列的方式擴展出16個按鍵。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。本設計中需要采集的傳感器信號有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轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳輸至單片機，用于顯示和測量結(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16位delta-sigma的AD轉(zhuǎn)換器和可調(diào)增益放大器，1個內(nèi)部電壓參考，1個時鐘發(fā)生器，1個SPI接口和1個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)換后存儲一個變量在AD芯片的一個內(nèi)部寄存器內(nèi)，然后芯片進入低功耗掉電模式。在連續(xù)模式，ADC在上一個轉(zhuǎn)換完成時自動開始下次轉(zhuǎn)換，連續(xù)模式轉(zhuǎn)換速率取決編程設定的速率。轉(zhuǎn)換的結(jié)果總是可以被讀取的，這個數(shù)據(jù)也是反應最近完成的速率轉(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)動外圍連接的電機的電平控制信號。本設計中需要驅(qū)動的直流電機分為X方向驅(qū)動電機和Y方向驅(qū)動電機。輸出的電平控制信號可以控制直流電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)動作。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渦流金屬探傷設備的軟件程序設計

根據(jù)渦流金屬探傷設備的硬件電路設計，軟件程序設計部分包括以下5個模塊：

（1）主程序模塊：主要功能是調(diào)用子模塊，控制整個程序的執(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個處理。其中初始化處理包括端口初始化、電機初始化、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應的數(shù)字信號。后向通道控制處理主要用于控制X方向和Y方向的電機。

（2）按鍵控制模塊：完成【▲】、【▼】、【?】、【?】4個方向按鍵、【1】~【4】數(shù)字按鍵和【Enter】回車按鍵的處理。通過鍵盤鍵值掃描，能夠進行探頭移動方向的控制、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【▼】方向按鍵進行子菜單的選擇，并切換到相應子菜單。通過返回按鍵返回至上一級菜單。

在手動操作模式下，通過【▲】、【▼】、【?】、【?】4個方向按鍵控制探頭移動方向。

（3）LCD控制模塊：主要完成LCD初始化和LCD界面顯示2個功能。單片機對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)閉游標顯示、設定DDRAM、屏幕清空、設定顯示內(nèi)容的位移。LCD界面顯示的內(nèi)容有：開機畫面、菜單、手動/自動測量界面、自動調(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并轉(zhuǎn)換為單片機可識別的數(shù)字信號。

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

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，首先進行渦流金屬探傷設備硬件電路的初始化，包括以下初始化內(nèi)容：

（1）單片機I/O端口輸入/輸出初始化；

（2）定時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渦流金屬探傷設備的實驗結(jié)果

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

圖9 渦流金屬探傷設備的主界面

通過【1】～【4】數(shù)字鍵和【▼】方向按鍵切換進入4個子菜單。

選擇數(shù)字鍵【1】，進入自動測量子菜單，渦流金屬探傷設備啟動探頭進行自動行列式掃描測量，先進行X方向掃描，檢測完一行之后再進行Y方向掃描，當檢測到壞點，蜂鳴器提示，并記錄壞點位置信息和個數(shù)，具體如表5所列。

表5 渦流金屬探傷設備的自動測量實驗數(shù)據(jù)

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

選擇數(shù)字鍵【3】，進入手動控制子菜單，可以通過【▲】、【▼】、【?】、【?】4個方向按鍵手動控制探頭的行進方向，探測金屬工件缺陷壞點，這種模式主要應用于檢測指定缺陷壞點。

選擇數(shù)字鍵【4】，進入自動調(diào)整子菜單，用于調(diào)整探頭的歸零點，便于正確測試壞點位置信息。

4結(jié)束語

該系統(tǒng)采用具有高速低功耗的單片機IAP15 W 4K61S4為硬件開發(fā)平臺，軟件設計采用模塊化設計思想，提高了系統(tǒng)的可靠性和維護性。實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)具有檢測準確、穩(wěn)定可靠、人機界面友好等特點，達到了設計要求。

[1]潘付文.基于電渦流傳感器金屬材質(zhì)檢測的設計與實現(xiàn)[J].電波科學學報，2011（6）：111-113.

[2]李安陽.基于電磁差動渦流傳感器和FPGA的金屬板探傷研究[J].測試技術(shù)學報，2013（27）：62-66.

[3]范麗珍，李樹華.基于單片機的智能型金屬探測器的設計[J].內(nèi)蒙古大學學報，2006（3）：185-188.

[4]李友全.51單片機輕松入門（C語言版）—基于STC15W4K系列[M].北京：北京航空航天大學出版社，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，主要研究領域：數(shù)字信號處理，嵌入式軟件開發(fā)，現(xiàn)代控制技術(shù)。