基于STC单片机的涡流金属探伤设备的设计

基于STC单片机的涡流金属探伤设备的设计
唐敏
【摘要】为了实现对金属工件设备检测的需求,提出了一种基于STC单片机的涡流金属探伤设备的系统设计方案,并完成系统的软硬件设计.该系统的硬件部分主要用来控制涡流探头行进轨迹,手动或自动检测金属工件有无缺陷,软件部分采用Keil软件进行编程,能够完成对其检测结果进行显示和保存.实际应用表明,该系统具有操作简便、测试准确的特点,达到了设计要求.
【期刊名称】《装备制造技术》
【年(卷),期】2016(000)012
【总页数】4页(P33-36)
【关键词】单片机;涡流;金属探伤设备
【作者】唐敏
【作者单位】大连职业技术学院电气电子工程学院,辽宁大连116037
【正文语种】中文
【中图分类】TP274.5
涡流检测[1]就是运用电磁感应原理，将正弦波电流激励探头线圈，当载有交变电流的检测线圈靠近金属工件时，由于线圈磁场的作用，工件中将会感生出涡流，涡流的大小与工件中的缺陷有关，而涡流产生的反作用磁场又将使检测线圈的阻抗发生变化。

因此，在工件形状尺寸及探测距离等固定的条件下，通过测定探测线圈阻抗的变化，可以判断被测工件有无缺陷存在。

涡流金属探伤[2]设备就是利用涡流检测原理测量出这种变化量就能鉴别金属表面
有无缺陷或其它物理性质变化。

功能要求实现对被测工件缺陷的手动与自动检测。

本设计采用STC公司IAP15W4K61S4单片机作为主控芯片，完成涡流金属探伤
设备的设计。

IAP15W4K61S4是宽电压、高速、高可靠和低功耗的新一代8051单片机。

单时
钟/机器周期（1T），速度比普通8051单片机快8~12倍。

片内大容量4096字
节的SRAM，包括常规的256字节RAM和内部扩展的3840字节
XRAM.ISP/IAP，在系统可编程/在应用可编程，无需编程器/仿真器。

共有8通道10位高速A/D转换，速度可达30万次/s，8路10位PWM还可当8路D/A转
换使用。

4组独立的高速异步串行通信端口，1组高速同步串行通信端口SPI.共7
个定时器，5个16位可重装载定时器/计数器。

基于单片机的涡流金属探伤设备[3]具有手动检测和自动检测2种模式。

手动检测时，用按键设置探测线圈移动到指定的坐标点检测有/无缺陷，检测到有缺陷时，
缺陷数量自动加1.自动检测时，探测线圈自动回到坐标零点，然后逐行对被测工
件进行自动检测，探头坐标实时显示探测线圈坐标值。

当检测到缺陷时，检测暂停，缺陷数量自动加1，然后检测继续，直至扫描完毕。

本论文设计的是一种以STC单片机为主控制单元，该控制系统主要由主控单片机
电路、人机通道（包括显示电路和键盘电路）、前向通道（包括X方向位移传感器、Y方向位移传感器和电涡流传感器）和后向通道（包括X方向驱动电机和Y
方向驱动电机）4部分组成。

涡流金属探伤设备的系统框图具体见图1所示。

涡流金属探伤设备硬件电路设计主要包括主控单片机电路、人机接口、前向通道和后向通道的设计4个部分。

1.1 主控单片机电路
涡流金属探伤设备所采用的微控制器是STC公司的IAP15W4K61S4单片机[4]。

主控单片机电路主要包括电源电路、复位电路、时钟电路和下载电路。

主控单片机电路具体如图2所示。

主控单片机电路功能说明如表1所列。

IAP15W4K61S4单片机可以有2个时钟源，内部高精度R/C时钟和外部时钟（外部输入的时钟或外部晶体振荡产生的时钟）。

利用时钟分频控制寄存器可进行时钟分频，从而使单片机在较低频率工作。

本次设计中，主时钟是外接24 MHz晶体振荡产生的时钟，单片机机器周期为0.5 us.系统时钟是指对主时钟进行分频后供给CPU、定时器、串行口、SPI、A/D转
换的实际工作时钟。

1.2 人机接口电路
在系统设计中人机接口包括显示电路和键盘电路，显示电路用于显示菜单界面和测试结果，键盘电路用于控制菜单切换和方向控制。

人机接口电路具体如图3所示。

人机接口电路功能说明如表2所列。

采用非总线扩展的方法，显示电路和单片机的I/O端口进行连接。

显示电路选用
的12864A-1液晶显示模块是128×64点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示
汉字及图形，内置8192个中文汉字（16× 16点阵）、128个字符（8×16点阵），可光标显示、画面移位等功能。

本设计采用8位并行连接方式。

采用行列式键盘连接方法，键盘电路和单片机的I/O端口进行连接。

为了满足后
续功能扩展，采用4行×4列的方式扩展出16个按键。

键盘布局具体如图4所示。

1.3 前向通道电路
前向通道的作用是用于采集输入的传感器信号。

本设计中需要采集的传感器信号有X方向位移传感器、Y方向位移传感器和电涡流传感器。

经过A/D转换电路将模
拟传感器信号转换为数字信号传输至单片机，用于显示和测量结果处理，如图5
所示。

前向通道电路的功能说明如表3所列。

其中A/D转换电路采用ADS1118芯片。

ADS1118包含1个16位delta-sigma的AD转换器和可调增益放大器，1个内部电压参考，1个时钟发生器，1个SPI接口和1个高线性度的温度传感器。

ADS1118有两种有效转换模式：单端模式和连续模式。

在单端模式，ADC执行一次转换后存储一个变量在AD芯片的一个内部寄存器内，然后芯片进入低功耗掉电模式。

在连续模式，ADC在上一个转换完成时自动开始下次转换，连续模式转换速率取决编程设定的速率。

转换的结果总是可以被读取的，这个数据也是反应最近完成的速率转化。

具体如图6所示。

1.4 后向通道电路
后向通道的作用是输出驱动外围连接的电机的电平控制信号。

本设计中需要驱动的直流电机分为X方向驱动电机和Y方向驱动电机。

输出的电平控制信号可以控制直流电机的正转和反转动作。

具体如图7所示。

后向通道电路的功能说明如表4所列。

根据涡流金属探伤设备的硬件电路设计，软件程序设计部分包括以下5个模块：（1）主程序模块：主要功能是调用子模块，控制整个程序的执行流程，主要完成初始化、键值获取、前向通道采集和后向通道控制等4个处理。

其中初始化处理包括端口初始化、电机初始化、LCD初始化、SPI通信端口初始化。

键值获取处理主要用于获取行列式键盘的键值。

前向通道数据获取处理主要用于采集X方向位移传感器、Y方向位移传感器和电涡流传感器的电平所对应的数字信号。

后向通道控制处理主要用于控制X方向和Y方向的电机。

（2）按键控制模块：完成【▲】、【▼】、【◄】、【►】4个方向按键、【1】~【4】数字按键和【Enter】回车按键的处理。

通过键盘键值扫描，能够进行探头移动方向的控制、菜单/存档选择控制和界面切换等按键功能。

在菜单模式下，通过数字按键和【▼】方向按键进行子菜单的选择，并切换到相应子菜单。

通过返回按键返回至上一级菜单。

在手动操作模式下，通过【▲】、【▼】、【◄】、【►】4个方向按键控制探头移动方向。

（3）LCD控制模块：主要完成LCD初始化和LCD界面显示2个功能。

单片机对LCD的控制主要是写命令和写数据的方式。

LCD初始化控制包括基本指令集的选择、开启整体显示功能、关闭游标显示、设定DDRAM、屏幕清空、设定显示内容的位移。

LCD界面显示的内容有：开机画面、菜单、手动/自动测量界面、自动调零界面、存档保存/选择/查看界面。

（4）前向通道采集模块：完成ADC1118的15位数据的采集与转换。

主要功能是读取X/Y方向位移传感器的电平信号并转换为单片机可识别的数字信号。

（5）后向通道控制模块：完成对直流减速电机的控制。

主要是通过单片机的PWM脉宽调制输出不同占空比的脉宽调制信号，芯片DRV8412将脉宽调制信号的占空比转换为直流电平。

通过两个高低不同的直流电平产生不同大小的电动势驱动直流减速电机，并控制直流电机的转动速度。

主程序模块的具体流程图如图8所示。

上电后，首先进行涡流金属探伤设备硬件电路的初始化，包括以下初始化内容：（1）单片机I/O端口输入/输出初始化；
（2）定时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复位；
（5）LCD显示状态初始化；
（6）LCD显示清屏。

硬件初始化完成后，系统进入主菜单界面，主界面内容具体如图9所示。

通过【1】～【4】数字键和【▼】方向按键切换进入4个子菜单。

选择数字键【1】，进入自动测量子菜单，涡流金属探伤设备启动探头进行自动行
列式扫描测量，先进行X方向扫描，检测完一行之后再进行Y方向扫描，当检测到坏点，蜂鸣器提示，并记录坏点位置信息和个数，具体如表5所列。

选择数字键【2】，进入数据回看子菜单，可以查看最近10组测量存档数据。

选择数字键【3】，进入手动控制子菜单，可以通过【▲】、【▼】、【◄】、【►】4个方向按键手动控制探头的行进方向，探测金属工件缺陷坏点，这种模式主要应用于检测指定缺陷坏点。

选择数字键【4】，进入自动调整子菜单，用于调整探头的归零点，便于正确测试坏点位置信息。

该系统采用具有高速低功耗的单片机IAP15 W 4K61S4为硬件开发平台，软件设计采用模块化设计思想，提高了系统的可靠性和维护性。

实验结果表明该系统具有检测准确、稳定可靠、人机界面友好等特点，达到了设计要求。

【相关文献】
[1]潘付文.基于电涡流传感器金属材质检测的设计与实现[J].电波科学学报，2011（6）：111-113.
[2]李安阳.基于电磁差动涡流传感器和FPGA的金属板探伤研究[J].测试技术学报，2013（27）：62-66.
[3]范丽珍，李树华.基于单片机的智能型金属探测器的设计[J].内蒙古大学学报，2006（3）：185-188.
[4]李友全.51单片机轻松入门（C语言版）—基于STC15W4K系列[M].北京：北京航空航天大学出版社，2015.。