一種基于A(yíng)T89C51的便攜式焊縫底片數字化檢測儀設計

　　1.引言

　　在工業(yè)探傷領(lǐng)域中，由于焊接過(guò)程出現的各種問(wèn)題，會(huì )導致焊縫中含有氣孔和裂紋等缺陷，影響產(chǎn)品的質(zhì)量，所以焊接圖像中缺陷的檢測十分重要。受傳統X射線(xiàn)焊縫圖像檢測的評片人員的技術(shù)素質(zhì)和經(jīng)驗的影響，焊縫缺陷的檢測逐步從人工評片過(guò)渡到計算機智能識別。采用X射線(xiàn)實(shí)時(shí)檢測系統在線(xiàn)檢測與分析，可以有效地克服人工評片引起的誤判，從而使焊縫底片缺陷在線(xiàn)檢測工作客觀(guān)化、規范化、標準化。它是將計算機、自動(dòng)控制、機械傳動(dòng)、無(wú)損檢測等眾多學(xué)科進(jìn)行有效結合而誕生的高科技項目，它的研制開(kāi)發(fā)成功將使我國的輸油氣管道焊縫的無(wú)損檢測技術(shù)發(fā)生“質(zhì)”的飛躍，給焊縫檢測傳統工藝帶來(lái)巨大的沖擊。而便攜式焊縫底片數字化檢測儀則是因為其便攜性能夠給客戶(hù)帶來(lái)極大的方便，因此有更大的發(fā)展前景。

　　設計研發(fā)便攜式焊縫底片數字化檢測儀需要完成以下幾方面的工作，按功能可以將系統分成如下四部分：

　　(1)機械部分：機械部分包括傳片機構和自動(dòng)控制部分。傳片機構帶動(dòng)焊縫底片在水平方向上運動(dòng)。該部分由無(wú)磨損導軌、橡皮傳動(dòng)輪、同步傳動(dòng)帶和步進(jìn)電機等組成。

　　(2)系統照明部分：采用節能式電子鎮流器的冷光源對目標視場(chǎng)進(jìn)行照明。

　　(3)圖像采集部分：該部分使用高速工業(yè)相機來(lái)采集圖像。這樣可以保證圖像質(zhì)量和掃描速度兼容性。

　　(4)模式識別部分：由計算機對攝像機采集到的圖像進(jìn)行預處理、圖像分割和模式識別，提取焊縫缺陷進(jìn)行分類(lèi)。

　　本文主要對便攜式數字化焊縫底片檢測儀的硬件結構進(jìn)行設計。對于機械部分的設計，首先要對傳片機構進(jìn)行設計，使其能夠達到便攜的要求。然后使用單片機實(shí)現對步進(jìn)電機的控制，以實(shí)現傳片機構的運動(dòng)。設計電路控制原理圖和編寫(xiě)單片機控制程序。

　　2.總體方案設計

　　根據輸油氣管道焊縫底片無(wú)損檢測工作的需求，系統結構設計如圖1所示。

　　圖1 系統硬件結構圖

　　便攜式數字化焊縫底片檢測儀主要由兩部分組成：筆記本電腦和采集系統。采集系統主要部件有：線(xiàn)掃描相機、傳片機構、照明系統、步進(jìn)電機控制電路板、步進(jìn)電機驅動(dòng)器和步進(jìn)電機等。

　　本系統首先完成射線(xiàn)底片的數字化輸入，然后對其進(jìn)行圖形圖像處理和分析。其工作原理如下：在冷光源照明系統、散熱系統和供電系統協(xié)同工作下，上位機與下位機建立各種信息數據通信，計算機向串行接口發(fā)出膠片行走命令及行走方向命令，單片機通過(guò)接收處理相關(guān)命令，向機械伺服傳動(dòng)系統中的步進(jìn)電機驅動(dòng)器發(fā)送CP信號和DIR信號，驅動(dòng)器細分CP信號并識別DIR信號后驅動(dòng)三相混合式步進(jìn)電機工作，步進(jìn)電機通過(guò)同步帶驅動(dòng)傳片機構并帶動(dòng)膠片向某一方向平穩運行;當膠片通過(guò)工業(yè)攝像機正下方時(shí)，上位機軟件精確控制攝像機電子快門(mén)動(dòng)作，結合照明系統，攝像機以線(xiàn)掃描方式將膠片圖像幀準確地采集至上位機;上位機再將采集到的圖像數據作分工同步處理，一部分發(fā)送至計算機內部作輔助處理，另一部分發(fā)送至圖形圖像處理板處理;將處理后的大批量圖像數據轉儲至海量存儲系統當中，完成整個(gè)工作流程。

　　采集系統外殼的體積為200mm×200mm×400mm，重量不超過(guò)10kg.主要布局如圖2所示：

　　圖2 采集系統的布局

　　3.傳片機構設計

　　由于工業(yè)射線(xiàn)膠片的寬度不是單一固定的，為了提高工作效率和工作質(zhì)量、保證檢測底片的精度，構思一種連續可調的檢測焊縫底片系統是非常必要的。本文我們通過(guò)調整傳片機構的兩端側板的寬度可以實(shí)現對不同寬度(70mm-120mm)的工業(yè)射線(xiàn)照相膠片的精確定位，保證攝像頭的對中。傳片機構的設計如圖3所示：

　　圖3 傳片機構設計圖

　　4.步進(jìn)控制

　　步進(jìn)電機是工業(yè)過(guò)程控制的主要控制元件之一。它是一種將電脈沖信號轉換成相應的角位移或線(xiàn)位移的電磁機械裝置，具有快速啟動(dòng)和停止的能力。當負荷不超過(guò)步進(jìn)電機所提供的動(dòng)態(tài)轉矩值時(shí)，能夠在“剎那”間實(shí)現啟動(dòng)和停止。

　　步進(jìn)電機的控制系統的中央命令處理及控制單元采用了性?xún)r(jià)比較好的ATMEL_AT89C51單片機，通過(guò)其內部軟件程序并結合周邊電路元器件實(shí)現了對整機硬件系統的集中控制。其基本功能大致有：解釋軟件系統對硬件執行機構的相關(guān)控制命令、輸出步進(jìn)電機驅動(dòng)器所需要的CP脈沖信號和DIR方向信號等等。

　　在步進(jìn)電機的單片機控制系統中，要實(shí)現以下二個(gè)基本控制任務(wù)：

　　(1)控制步進(jìn)電機的轉向：通過(guò)改變通電的相序來(lái)實(shí)現。

　　(2)控制步進(jìn)電機的轉速：通過(guò)調節脈沖頻率來(lái)實(shí)現。

　　本系統采用了8位微控制器ATMEL_AT89C51來(lái)實(shí)現控制功能。電路板電路原理圖如圖4所示：

　　圖4步進(jìn)電機控制電路原理圖

　　本控制電路主要由控制單元芯片ATMEL_AT89C51、串口接口芯片MAX232、穩壓電路和ULN2003A電機脈沖分配芯片組成。通過(guò)上位機連續向下位機發(fā)送4個(gè)分別為1字節的數據，即速度增加量、速度減小量、方向控制量(0X01為正轉，0 X 0 0為反轉)及脫機狀態(tài)控制量(0X01為正常工作，0X00為脫機)，來(lái)達到控制電機的調速與正反轉功能。

　　DIR方向信號和CP脈沖信號至驅動(dòng)器相應端口時(shí)，驅動(dòng)器響應命令把控制系統發(fā)出的脈沖信號轉化為步進(jìn)電機所需的角位移量，其中，CP脈沖的頻率與步進(jìn)電機的轉速成正比，CP脈沖的個(gè)數決定了步進(jìn)電機旋轉的角度。這樣，控制系統通過(guò)控制脈沖信號CP，達到對步進(jìn)電機調速和定位的目的，傳片機構能夠以非常穩定的速度帶動(dòng)底片做平滑運動(dòng)。

　　本系統采用美國SHAPHON公司與北京斯達特微步控制技術(shù)有限公司聯(lián)合生產(chǎn)的MS系列步進(jìn)電機。

　　如圖4所示，當信號正端為高電平時(shí)二極管導通，導通發(fā)光后，光敏管導通，驅動(dòng)步進(jìn)電機運轉。反之，二極管熄滅，光敏管停止工作，步進(jìn)電機停止運轉。

　　圖5 串行中斷入口子函數流程圖

　　5.單片機編程

　　利用Keil對單片機進(jìn)行編程以實(shí)現上述控制功能。編程前，先設置好地址、數據及控制信號。編程單元的地址加在P1口和P2口的P2.0-P2.3(11位地址范圍為0000H-0FFFH)，數據從P0口輸入，引腳P2.6、P2.7和P3.6、P3.7的電平需要設置，PSEN為高電平，RET保持高電平，按要求加上編程電壓，ALE引腳輸入編程脈沖。編程時(shí)，可采用4-20MHz的時(shí)鐘振蕩器，AT89C51編程方法如下：

　　(1)在地址線(xiàn)上加上要編程單元的地址信號。

　　(2)在數據線(xiàn)上加上要寫(xiě)入的數據字節。

　　(3)激活相應的控制信號。

　　(4)在高電壓編程方式時(shí)，將Vpp端加上+12V的編程電壓。

　　(5)每對Flash存儲陣列寫(xiě)入一個(gè)字節或每寫(xiě)入一個(gè)程序加密位，加上一個(gè)ALE編程脈沖。改變編程單元的地址和寫(xiě)入的數據，重復1-5步驟，知道全部文件編程結束。每個(gè)字節寫(xiě)入周期是自身定時(shí)的，通常約為1.5ms。

　　6.結語(yǔ)

　　通過(guò)對焊縫底片檢測儀的傳片機構和步進(jìn)控制系統的設計與研究，很好的解決了結構小型化的問(wèn)題，為檢測儀更好的在工程上應用打下良好的基礎。