一種基于AT89C51的便攜式焊縫底片數(shù)字化檢測儀設計

　　1.引言

　　在工業(yè)探傷領域中，由于焊接過程出現(xiàn)的各種問題，會導致焊縫中含有氣孔和裂紋等缺陷，影響產(chǎn)品的質量，所以焊接圖像中缺陷的檢測十分重要。受傳統(tǒng)X射線焊縫圖像檢測的評片人員的技術素質和經(jīng)驗的影響，焊縫缺陷的檢測逐步從人工評片過渡到計算機智能識別。采用X射線實時檢測系統(tǒng)在線檢測與分析，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檢測工作客觀化、規(guī)范化、標準化。它是將計算機、自動控制、機械傳動、無損檢測等眾多學科進行有效結合而誕生的高科技項目，它的研制開發(fā)成功將使我國的輸油氣管道焊縫的無損檢測技術發(fā)生“質”的飛躍，給焊縫檢測傳統(tǒng)工藝帶來巨大的沖擊。而便攜式焊縫底片數(shù)字化檢測儀則是因為其便攜性能夠給客戶帶來極大的方便，因此有更大的發(fā)展前景。

　　設計研發(fā)便攜式焊縫底片數(shù)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(tǒng)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控制部分。傳片機構帶動焊縫底片在水平方向上運動。該部分由無磨損導軌、橡皮傳動輪、同步傳動帶和步進電機等組成。

　　(2)系統(tǒng)照明部分：采用節(jié)能式電子鎮(zhèn)流器的冷光源對目標視場進行照明。

　　(3)圖像采集部分：該部分使用高速工業(yè)相機來采集圖像。這樣可以保證圖像質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行預處理、圖像分割和模式識別，提取焊縫缺陷進行分類。

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

　　2.總體方案設計

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

　　圖1 系統(tǒng)硬件結構圖

　　便攜式數(shù)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(tǒng)。采集系統(tǒng)主要部件有：線掃描相機、傳片機構、照明系統(tǒng)、步進電機控制電路板、步進電機驅動器和步進電機等。

　　本系統(tǒng)首先完成射線底片的數(shù)字化輸入，然后對其進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(tǒng)、散熱系統(tǒng)和供電系統(tǒng)協(xié)同工作下，上位機與下位機建立各種信息數(shù)據(jù)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，單片機通過接收處理相關命令，向機械伺服傳動系統(tǒng)中的步進電機驅動器發(fā)送CP信號和DIR信號，驅動器細分CP信號并識別DIR信號后驅動三相混合式步進電機工作，步進電機通過同步帶驅動傳片機構并帶動膠片向某一方向平穩(wěn)運行;當膠片通過工業(yè)攝像機正下方時，上位機軟件精確控制攝像機電子快門動作，結合照明系統(tǒng)，攝像機以線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(shù)據(jù)作分工同步處理，一部分發(fā)送至計算機內(nèi)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(shù)據(jù)轉儲至海量存儲系統(tǒng)當中，完成整個工作流程。

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

　　圖2 采集系統(tǒng)的布局

　　3.傳片機構設計

　　由于工業(yè)射線膠片的寬度不是單一固定的，為了提高工作效率和工作質量、保證檢測底片的精度，構思一種連續(xù)可調(diào)的檢測焊縫底片系統(tǒng)是非常必要的。本文我們通過調(diào)整傳片機構的兩端側板的寬度可以實現(xiàn)對不同寬度(70mm-120mm)的工業(yè)射線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.步進控制

　　步進電機是工業(yè)過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位移的電磁機械裝置，具有快速啟動和停止的能力。當負荷不超過步進電機所提供的動態(tài)轉矩值時，能夠在“剎那”間實現(xiàn)啟動和停止。

　　步進電機的控制系統(tǒng)的中央命令處理及控制單元采用了性價比較好的ATMEL_AT89C51單片機，通過其內(nèi)部軟件程序并結合周邊電路元器件實現(xiàn)了對整機硬件系統(tǒng)的集中控制。其基本功能大致有：解釋軟件系統(tǒng)對硬件執(zhí)行機構的相關控制命令、輸出步進電機驅動器所需要的CP脈沖信號和DIR方向信號等等。

　　在步進電機的單片機控制系統(tǒng)中，要實現(xiàn)以下二個基本控制任務：

　　(1)控制步進電機的轉向：通過改變通電的相序來實現(xiàn)。

　　(2)控制步進電機的轉速：通過調(diào)節(jié)脈沖頻率來實現(xiàn)。

　　本系統(tǒng)采用了8位微控制器ATMEL_AT89C51來實現(xiàn)控制功能。電路板電路原理圖如圖4所示：

　　圖4步進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(wěn)壓電路和ULN2003A電機脈沖分配芯片組成。通過上位機連續(xù)向下位機發(fā)送4個分別為1字節(jié)的數(shù)據(jù)，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)，來達到控制電機的調(diào)速與正反轉功能。

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

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

　　如圖4所示，當信號正端為高電平時二極管導通，導通發(fā)光后，光敏管導通，驅動步進電機運轉。反之，二極管熄滅，光敏管停止工作，步進電機停止運轉。

　　圖5 串行中斷入口子函數(shù)流程圖

　　5.單片機編程

　　利用Keil對單片機進行編程以實現(xiàn)上述控制功能。編程前，先設置好地址、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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，可采用4-20MHz的時鐘振蕩器，AT89C51編程方法如下：

　　(1)在地址線上加上要編程單元的地址信號。

　　(2)在數(shù)據(jù)線上加上要寫入的數(shù)據(jù)字節(jié)。

　　(3)激活相應的控制信號。

　　(4)在高電壓編程方式時，將Vpp端加上+12V的編程電壓。

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

　　6.結語

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