基于超聲波的管道測厚行走裝置的設(shè)計

李庚 王軍民 呂志杰 李方旭 晏宇 唐銀海

摘 要：本設(shè)計主要利用Arduino軟硬件開發(fā)平臺，通過上位機(jī)對裝置實現(xiàn)前進(jìn)、后退及其他元件的操作，將測得數(shù)據(jù)通過無限通信模塊進(jìn)行傳輸，并將測得的數(shù)據(jù)以txt的文本格式存儲在SD卡上。該裝置可以在惡劣的環(huán)境下代替人進(jìn)行測厚工作，具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：Arduino;上位機(jī);無線傳輸;測厚

中圖分類號：TE973 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）07-0051-03

Abstract： This design mainly usedArduino software and hardware development platform to realize the operation of forward， backward and other components through the upper computer. The measured data weretransmitted through the infinite communication module， and stored on the SD card in the text format of txt. The device can measured thickness instead of human in harsh environment， and has a goodapplication prospect.

Keyword： Arduino;host computer;wireless transmission;thickness measurement

近幾年來，無損檢測技術(shù)不斷發(fā)展，使得超聲高頻反射技術(shù)已經(jīng)引起了各行各業(yè)的廣泛關(guān)注。因為超聲波能夠穿透非常多的部件，所以可以運用超聲波檢測技術(shù)讓這些部件內(nèi)部構(gòu)造的特征輕易呈現(xiàn)。超聲檢測技術(shù)其實就是把無形的東西轉(zhuǎn)換成可以識別的圖形，進(jìn)而使部件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特征能夠讓人們通過圖形觀察出來[1]。傳統(tǒng)的超聲波測厚儀應(yīng)用廣泛，如石油化工業(yè)、電站、汽車制造、機(jī)械制造業(yè)，可以測量船殼、甲板、鍋爐、管道、儲油罐、軌道[2]。本文主要對傳統(tǒng)的手持測厚儀的方法進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計了一種基于Arduino單片機(jī)的管道測厚行走裝置。該設(shè)計主要以Arduino單片機(jī)為控制核心，同時以串口HMI作為上位機(jī)，并配備無線通信模塊，在使用的過程中可以通過上位機(jī)對行走裝置進(jìn)行監(jiān)測和控制，該裝置具有操作便捷、穩(wěn)定性好等特點。

1 系統(tǒng)設(shè)計

如圖1所示，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖主要由以下幾部分組成：直流穩(wěn)壓電源、驅(qū)動裝置、測厚儀、無線模塊、Arduino控制芯片、SD存儲卡及上位機(jī)。工作原理是操作命令由上位機(jī)給出，通過無線模塊將其命令傳遞給Arduino控制芯片，Arduino通過控制指令使行走裝置實現(xiàn)各種位移功能，同時通過命令使測厚儀裝置將測出的數(shù)據(jù)也通過無線模塊傳遞給Arduino控制芯片，最后通過命令將其保存在SD卡上。

2 硬件部分

2.1 Arduino

Arduino開發(fā)板（見圖2）是一款開源的單片機(jī)開發(fā)平臺，是基于Lunix內(nèi)核來實現(xiàn)的，主要由一塊AVR單片機(jī)、一個晶振和一個5V直流電源，外加各類接口構(gòu)成[3]。開發(fā)板與計算機(jī)程序進(jìn)行交互是通過USB數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)的。在官方IDE中編寫程序代碼后進(jìn)行修改，直至無錯誤后將程序通過USB接口上傳到Arduino開發(fā)板，開發(fā)板上的單片機(jī)進(jìn)行程序的執(zhí)行與數(shù)據(jù)的處理。

2.2 驅(qū)動裝置

如圖3所示，通過Arduino實現(xiàn)對行走驅(qū)動裝置的控制，而行走裝置主要依靠L298N電機(jī)以及MOS管驅(qū)動。

行走裝置（見圖4），主體是一個凸出可以自由伸縮的細(xì)管，在管的頂端和該主體的尾端各自接上圓弧形的磁鐵，使其完全貼合要測管道的內(nèi)壁。該行走裝置主要通過L298N與大功率MOS管實現(xiàn)位移以及停止的操作。

L298N（見圖5）內(nèi)置的兩組H橋用來維持電機(jī)兩端的電壓始終處于高低電平之間，該模塊的兩種供電模式不僅可以供電給開發(fā)板，還可以驅(qū)動和控制兩路電機(jī)，當(dāng)使能端ENA、ENB處于高電平或者低電平狀態(tài)時，對于L298N電機(jī)引腳N1、N2，不同的接法會形成不同的組合，電機(jī)也就會處于不同的狀態(tài)，這樣便可以對行走裝置進(jìn)行位移操作[4]。

功率MOS管一般采用N溝道增強型垂直式結(jié)構(gòu)，在漏極區(qū)都有一個n-的漂移區(qū)，n-的漂移區(qū)的摻雜濃度比p基極區(qū)小，所以，當(dāng)正電壓加于漏極上時，漏極p基極被反向偏壓，大部分的耗盡區(qū)寬度將跨過n-的漂移區(qū)。因為，在偏移區(qū)內(nèi)形成電流的電子全部是多子，所以在高阻的n-區(qū)不會出現(xiàn)兩種載流子泛濫的情況。因此，功率MOS管是一個單極型元件[5]。

2.3 無線模塊

數(shù)據(jù)無線傳輸模塊使用的是一款基于100MW的無線數(shù)傳，工作在2.4～2.518GHz頻段，使用串口進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，降低了無線應(yīng)用的門檻;其功率密度集中，傳輸距離遠(yuǎn)、速率高，且全雙工，可以雙向同時通信，支持文件傳輸;TTL電平輸出，兼容3.3V與5V的IO口電壓[6]。

該模塊的典型特點是高速傳輸，在多種波特率下，可以雙向同時收發(fā)（全雙工），傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不限包長，支持不間斷傳輸，支持文件傳輸。該無線傳輸模塊有4種工作模式，是由引腳M0、M1的不同組合來進(jìn)行設(shè)置。

2.4 測厚儀部分

超聲波測厚儀的測厚原理就是超聲波會通過超聲波探頭發(fā)射出去，在測量時將探頭與被測物體貼合，在進(jìn)行測厚時超聲波探頭會有波發(fā)射出去，由于超聲波與光波類似，會有反射的特性，因此會有一部分的超聲波反射回來，據(jù)此可以計算超聲波探頭發(fā)射波與反射波之間的時間差;同時，由于超聲波在不同介質(zhì)中的傳播速度是已知的，這樣就可以計算出被測物體的厚度[7]。根據(jù)超聲波在不同介質(zhì)中的傳播速度以及反射波與發(fā)射波的時間差，就可以得出厚度的計算公式：

[H=12V×T] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式（1）中，[H]表示最終計算的厚度值，[V]表示超聲波不同介質(zhì)中的速度，[T]表示兩次的時間差。

2.5 SD儲存卡

對測量的數(shù)據(jù)以txt的格式進(jìn)行保存。

3 軟件設(shè)計

軟件部分采用模塊化設(shè)計，主要分為主程序、無線數(shù)據(jù)傳輸程序、小車運動控制程序，程序流程圖如圖6所示。前期將各個模塊的代碼導(dǎo)入Arduino控制板進(jìn)行所寫代碼的功能測試，只有當(dāng)行走、控制、傳輸模塊的代碼測試無誤后才能進(jìn)入下一步的代碼整合測試，否則只能返回上一步進(jìn)行Bug修改，直到代碼測試正確為止。當(dāng)所有模塊的功能測試完成后，將其完整的程序?qū)階rduino進(jìn)行最終的實踐測試。

上位機(jī)的界面主要由USART HMI來實現(xiàn)的，HMI是Human Machine Interface的縮寫，被稱為“人機(jī)接口”，也叫人機(jī)界面。人機(jī)界面是系統(tǒng)和用戶之間進(jìn)行交互和信息交換的媒介，它實現(xiàn)了信息的內(nèi)部形式與人類可以接受形式之間的轉(zhuǎn)換[8]。HMI在日常生活中十分常見，它的主要特性可以通過軟件配置把I/O配置成輸入狀態(tài)或輸出狀態(tài)，同時支持4種不同的通信接口（TTL、RS232、RS485、CAN），支持的接觸類型有電容觸屏與電阻觸屏，它在通電進(jìn)入工作狀態(tài)時無需進(jìn)行初始化設(shè)置，同時該界面不僅能提供用戶時間存儲空間，而且可以通過窗口的指令調(diào)整背光。設(shè)計的上位機(jī)如圖7所示，為了實現(xiàn)該裝置在實際的工作環(huán)境中的行走以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ艿?，該上位機(jī)的設(shè)計功能有行走的控制、前進(jìn)距離的顯示、校準(zhǔn)、停止、復(fù)位、保存數(shù)據(jù)等功能。

4 總結(jié)

本設(shè)計只是對傳統(tǒng)的手持測厚方案進(jìn)行了改進(jìn)，主要運用Arduino與無線模塊，使測得的數(shù)據(jù)實現(xiàn)了無線傳輸，同時可以通過上位機(jī)對裝置進(jìn)行命令操作，從而完成測厚的操作，該系統(tǒng)操作界面簡潔、操作方便，且體積小，便于攜帶。

參考文獻(xiàn)：

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