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基于超聲波的管道測厚行走裝置的設計
雜志名稱:河南科技 投稿:河南科技雜志社
 

                    基于超聲波的管道測厚行走裝置的設計

                  李庚 ,王軍民,呂志杰,李方旭,晏宇  唐銀海

           (長江大學 地球物理與石油資源學院,湖北武漢 430100)

摘要:測厚一直是許多工業方向的問題,設計一種簡便、精確的測厚行走裝置對于管道測厚來說意義重大。本設計主要利用Arduino軟硬件開發平臺,通過上位機對裝置實現前進、后退及其它元件的操作,將測得數據通過無限通信模塊進行傳輸,并將測得的數據以txt的文本格式存儲在SD卡上。該裝置可以在惡劣的環境下代替人進行測厚工作,具有一定的應用前景。                                                                                                          

關鍵詞Arduino 上位機 無線傳輸 測厚  

 

1 引言

近幾年來由于無損檢測技術的不斷發展使得超聲高頻反射技術已經引起了各行各業的廣泛關注。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讓這些部件內部構造的特征輕易呈現。超聲檢測技術其實就是把無形的東西轉換成可以識別的圖形,進而使部件內部的結構特征信息能夠讓人們通過圖形觀察出來[[1]]

傳統的超聲波測厚儀應用廣泛,例如石油化工業、電站、汽車制造、機械制造業,可以測量船殼、甲板、鍋爐、管道、儲油罐、軌道[[2]] 。目前,大部分的行業中常見的測量儀器采用的是手持操作進行測量,在使用過程中缺乏良好的人機交互界面,操作起來繁瑣,顯示方式單一,并且不具備通信功能,存儲方面會受到很大的限制,而且會受到天氣和其它因素的影響,隨機科技的不斷發展,各種通過上位機對行走裝置進行控制的設備的出現,與傳統的測厚儀器相比,加入一些顯示,控制與模式選擇功能,會豐富很多功能。

    本文主要對傳統的手持測厚儀的方法進行改進,設計了一種基于Arduino單片機的管道測厚行走裝置。該設計主要以Arduino單片機為控制核心,同時以串口HMI作為作為上位機,并配備無線通信模塊,在使用的過程中可以通過上位機對行走裝置進行監測和控制,該裝置具有操作便捷,穩定性好等特點。

二 系統設計

2.1 主要框圖

系統結構框架(1),如圖所示該設計主要由以上幾部分組成。直流穩壓電源主要是給驅動裝置、測厚儀、無線模塊、Arduino控制芯片供電。工作原理是操作命令由上位機給出,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各種位移功能,同時通過命令使測厚儀裝置將測出的數據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。


           

                               1結構圖

三 硬件部分

3.1 Arduino

Arduino開發板(2)是一款開源的單片機開發平臺,是基于Lunix內核來實現的。主要由一塊AVR單片機、一個晶振和一個5V直流電源、外加各類接口就構成了整個開發板[[3]]。開發板與計算機進行程序進行交互是通過USB數據接口來實現的,在官方IDE中編寫程序代碼后,進行修改無錯誤后,將程序通過USB接口上傳到Arduino開發板,開發板上的單片機進行程序的執行與數據的處理。

      2

3.2 驅動裝置

      

                               3

如圖3所示,Arduino來實現對行走驅動裝置的控制,而行走裝置主要依靠L298N電機驅動以及mos管來實現

行走裝置如(4)所示,主體是一個凸出可以自由伸縮的細管,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壁,該行走裝置主要通過L298N與大功率MOS管實現位移以及停止的操作。

                    4

L298N(如圖5)內置的兩組H橋用來維持電機兩端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板外還可以驅動和控制兩路電機,當使能端ENA,ENB處于高電平狀態時,通過組合不同的N1N2狀態控制電機的不同的運動狀態從而使行走裝置進行位移操作[[4]]

5 L298N         6 MOS

    功率MOS管一般采用N溝道增強型垂直式結構,在漏極區都有一個n-的漂移區,n-的漂移區的摻雜濃度比p基極區小,所以當正電壓加上漏極上時,漏極P基極被方向偏壓,大部分的耗盡區寬度將跨過n-的漂移區。因為在偏移區內形成電流的電子全部是多子,所以在高阻的n-區不會出現兩種載流子的泛濫。因此,功率MOS管是一個單極型元件[[5]]

如圖(6所示),該設計采用的MOS管模塊如上圖所示,該MOS管的工作電壓DC5V—36V,觸發信號源是數字量高低電平(DC3.3V—20V),可以接單片機IO口,PLC接口,直流電源等,可以接PWM信號,信號頻率0—20KHz完美支持;該模塊的輸出能力是直流DC5V—36V,常溫下持續電流15A,功率400W,在輔助扇熱的條件下,最大電流可達30A;主要的應用在輸出端可以控制大功率的設備上,比如電機、燈泡、LED燈帶、直流馬達、控制電機轉速等。

3.3無線模塊

數據無線傳輸模塊使用的是一款基于100mW的無線數傳,工作在2.4~2.518GHz頻段,使用串口進行數據收發,降低無線應用的門檻;其功率密度集中,傳輸距離遠、高速率、全雙工,可以雙向同時通信,支持文件傳輸;TTL電平輸出,兼容3.3V5VIO口電壓[[6]]

該模塊的典型特點是高速傳輸,在多種波特率下,可以達到全雙工特性(雙向同時收發),不限包長,支持不間斷傳輸,支持文件傳輸。

該模塊有四種工作模式,由引腳M0M1設置。

3.4 測厚儀部分

主要用到日常生活中超聲波測厚儀,超聲波測厚儀的測厚原理(如圖7)就是超聲波會通過超聲波探頭發射出去,在測量時將探頭與被測物體貼合,在進行測厚時超聲波探頭會有發射波出去,由于超聲波與光波類似,會有反射的特性,會有一部分的超聲波會反射回來,可以計算超聲波探頭發射波到反射波的時間差同時由于超聲波在不同的介質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]]

            7  測厚原理圖

根據超聲波在不同的介質中的傳播速度的不同,同時獲得反射波與發射波的時間差,就可以得出厚度的計算公式:

                        H=V*T                               (1-1)

式中的H表示最終計算的厚度值,V表示超聲波不同介質中的速度,T表示兩次的時間差。

3.5 SD儲存卡

    主要對進行測量的數據以txt 的格式進行保存。

  

四 軟件設計

軟件部分采用模塊化設計,主要分為主程序、無線數據傳輸程序、小車運動控制程序,程序流程圖所示。該流程的主要目的是當某一功能的程序設計好就將其導入到Arduino開發板,導入后看功能是否實現功能正常,若能正常執行就進行下一步程序。若不能正常實現功能,則對該部分程序進行調試,當所有模塊的功能測試完成后,將其完整的程序導入Arduino,設計的上位機如圖所示。

上位機的界面主要由USART HMI來實現的,HMIHuman Machine Interface的縮寫,人機接口,也叫人機界面。上位機的界面主要由USART HMI來實現的[[8]]HMI在日常的生活中十分常見,它的主要特性可以通過軟件配置把I/O配置成輸入狀態或輸出狀態,同時支持四種不同的通訊接口(TTL,RS232,RS485,CAN),支持的接觸類型有電容觸屏與電阻觸屏,在通電進入工作狀態無需人格初始設置,提供用戶時間存儲空間,可以通過窗口的指令調整背光。如圖所示,為了實現裝置的行走及數據傳輸的功能等,該上位機的設計的功能主要有行走的控制,前進距離的顯示,校準,停止,復位,保存數據等功能

            8 上位機

五 總結

   本設計只是對傳統的手持測厚方案進行了改進,主要運用了Arduino與無線模塊使測得的數據可以無線傳輸,同時可以通過上位機對裝置進行命令操作,從而完成測厚的操作,操作方便且便于攜帶。



[[1]] 李新科.超聲無損檢測專利技術分析[J].技術與市場,2019(02):173.

[[2]]柯細勇,王占元,楊劍峰,劉文彬.一種新型便攜式超聲波測厚儀的設計[J].傳感器與微系統,2011,30(12):119-122+125.

[[3]]古訓,張仁興.多功能智能導盲手杖設計與實現[J].貴陽學院學報(自然科學版),2016,11(04):40-45.

[[4]]張天鵬,徐磊.L298N控制直流電機正反轉[J].工業設計,2011(03):98-99.

[[5]]沈昂.大功率電源MOS管的特性及應用[J].上海計量測試,2005(06):28-29.

[[6]]郭京波,張潮,趙偉行,張海東,周慶祥.基于nRF24L01無線模塊的消防泵巡檢監測系統設計[J].消防科學與技術,2018,37(09):1228-1231.

[[7]]高江磊. 基于FPGA的超聲波隔油測厚系統的設計[D].河北科技大學,2015.

[[8]]劉寺杰,徐敏,張晨宇,趙婭麗.基于HMI智能串口屏顯示的溫濕度測量系統[J].科教導刊(下旬),2018(08):59-60+84.

作者簡介:李庚(1995-),男,湖北鄂州人,碩士研究生,主要從事地球物理儀器方面的研究。

通信作者:王軍民(1960-),男,湖北武漢人,博士,副教授,主要從工程物探與地球物理儀器研發。

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