聶　朋， 麻永林， 邢淑清， 姜　濤， 孫彬彬

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

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基于LabVIEW的電磁波峰焊非接觸液位測(cè)量系統(tǒng)*

聶朋， 麻永林， 邢淑清， 姜濤， 孫彬彬

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

在電磁波峰焊接過(guò)程中，液位波動(dòng)大小是一個(gè)非常重要的參數(shù)，如果錫液液位波動(dòng)大，易造成虛焊等問題，對(duì)電磁波峰焊液位波動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控顯得尤為重要。通過(guò)使用液位測(cè)量模塊、Arduino控制器及計(jì)算機(jī)組成的非接觸液位測(cè)量系統(tǒng)對(duì)電磁波峰焊的錫液液位波動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，結(jié)合虛擬儀器軟件LabVIEW將液位波動(dòng)數(shù)值和液位波動(dòng)曲線可以形象地顯示出來(lái)，同時(shí)對(duì)液位波動(dòng)范圍進(jìn)行預(yù)先設(shè)置，當(dāng)超出液位波動(dòng)設(shè)置的最大值或者低于液位波動(dòng)設(shè)置的最小值就會(huì)給出警報(bào)并及時(shí)反饋，從而提高焊接質(zhì)量。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量與驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)測(cè)量的液位波動(dòng)程度與預(yù)期值相符合，且很平穩(wěn)。

液位波動(dòng)檢測(cè)； Arduino控制器； LabVIEW； 上位機(jī)

0　引　言

液位波動(dòng)大小對(duì)工業(yè)生產(chǎn)影響很大，因此，對(duì)液位測(cè)量[1,2]也顯得尤為重要。例如:在進(jìn)行脫硫時(shí)，脫硫塔液位高就容易產(chǎn)生吸收塔溢流、降低脫硫效率、設(shè)備耗能增加等問題。同樣水位的波動(dòng)對(duì)生產(chǎn)鍋爐的影響也很大，所以，在生產(chǎn)過(guò)程中液位波動(dòng)的檢測(cè)方法也越來(lái)越多。傳統(tǒng)的液位檢測(cè)方法主要以人工進(jìn)行直接測(cè)量并讀取數(shù)值，易產(chǎn)生誤差，同時(shí)對(duì)于一些環(huán)境比較惡劣的場(chǎng)所還不能進(jìn)行人工測(cè)量，美國(guó)國(guó)家儀器的軟件產(chǎn)品LabVIEW在工業(yè)生產(chǎn)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，可以通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)硬件的功能，也可以通過(guò)與硬件相結(jié)合實(shí)現(xiàn)物理世界與虛擬世界的通信，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量與控制[3]，與傳統(tǒng)測(cè)量相比有很大的優(yōu)勢(shì)。

本文使用液位測(cè)量模塊、Arduino控制器及計(jì)算機(jī)組成的非接觸液位測(cè)量系統(tǒng)對(duì)電磁波峰焊接過(guò)程中的錫液液位波動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，可以實(shí)現(xiàn)液位波動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而提高焊接質(zhì)量。

1　液位測(cè)量系統(tǒng)整體組成

本電磁波峰焊錫液的非接觸液位測(cè)量系統(tǒng)中，Arduino控制器通過(guò)預(yù)先編寫的程序控制液位測(cè)距模塊進(jìn)行液位的測(cè)量，然后Arduino通過(guò)USB串口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行串口通信[4]，通過(guò)上位機(jī)LabVIEW軟件發(fā)送液位波動(dòng)采集命令，Arduino執(zhí)行上位機(jī)的命令進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)采集，然后通過(guò)串口發(fā)給上位機(jī)軟件LabVIEW。對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以將液位波動(dòng)數(shù)據(jù)以曲線形式實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，液位測(cè)量系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1　液位測(cè)量系統(tǒng)框圖Fig 1　Block diagram of liqurd level measurement system

2　測(cè)距系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

硬件電路主要包括液位測(cè)量模塊、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理等電路。液位測(cè)量主要通過(guò)液位測(cè)量模塊與Arduino[5]控制器來(lái)完成，將液位測(cè)距模塊固定于電磁波峰焊錫液上方的某一位置進(jìn)行液位測(cè)量。通過(guò)Arduino程序控制數(shù)據(jù)的采集，然后通過(guò)上位機(jī)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。測(cè)距系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　液位測(cè)量控制硬件系統(tǒng)Fig 2　Hardware system of liquid level measurement and control

2.1測(cè)距模塊的選擇

本實(shí)驗(yàn)選擇了HC—SR04超聲波測(cè)距模塊，該模塊可以提供2～400 cm的非接觸距離測(cè)量，測(cè)距距離可以達(dá)到3 mm，模塊包括超聲波發(fā)射器、超聲波接收器及控制電路等組成。圖3為超聲波發(fā)射電路圖。VCC供+5 V電源，GND為地線，Trig為觸發(fā)控制信號(hào)輸入，Echo為回響信號(hào)輸出。由圖3中超聲波發(fā)射電路與圖4脈沖時(shí)序圖可知，控制器Arduino只需要提供一個(gè)10 μs以上的脈沖觸發(fā)信號(hào)，該模塊內(nèi)部將發(fā)射8個(gè)40 kHz的周期電平并進(jìn)行檢測(cè)回波。

圖3　觸發(fā)電路Fig 3　Trigger circuit

圖4　時(shí)序圖Fig 4　Timing chart

使用時(shí)將HC—SR04超聲波測(cè)距模塊上的Trig,Echo 分別接上Arduino對(duì)應(yīng)IO 端口；檢查上述接線是否有誤，確認(rèn)接線正確后，將VCC,GND 分別接上DC+5 V,GND。

2.2控制器Arduino

Arduino主要通過(guò)程序進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的采集，本設(shè)計(jì)選用的是Arduino Mega 2560型號(hào)， Arduino Mega是一塊以ATmega 2560為核心的微控制器開發(fā)板，本身具有54組數(shù)字I/O input/output端(其中14組可做PWM輸出)，16組模擬比輸入端，4組UART(hardware serial ports)，使用16 MHz晶振。由于具有bootloader，因此,能夠通過(guò)USB直接下載程序而不需經(jīng)過(guò)其他外部燒寫器。供電部份可選擇由USB直接提供電源，或者使用AC-to-DC adapter及電池作為外部供電。

3　測(cè)液位系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件部分主要包括兩部分，一部分是通過(guò)Arduino進(jìn)行液位數(shù)據(jù)變化采集的程序編寫，另一部分是編寫上位機(jī)LabVIEW的程序，它包括LabVIEW[6]前面板與程序框圖的編寫。然后將Arduino與LabVIEW通過(guò)串口進(jìn)行通信。

3.1Arduino液位采集程序框圖

數(shù)據(jù)采集框圖如圖5。

圖5　數(shù)據(jù)采集框圖Fig 5　Block diagram of data collection

通過(guò)Arduino控制器控制超聲波模塊進(jìn)行工作，首先Arduino數(shù)字端口給Trig引腳一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)其測(cè)距功能。模塊被觸發(fā)后就自動(dòng)發(fā)射超聲波脈沖并自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回。如果有信號(hào)，Echo就輸出高電平，從而可以計(jì)算超聲波往返需要的時(shí)間，最后根據(jù)公式(1)計(jì)算出距離

s=vt/2

(1)

式中s為要測(cè)的距離；v為聲速；t為超聲波往返時(shí)間。

3.2LabVIEW程序設(shè)計(jì)

LabVIEW前面板分別配置數(shù)值控件[7,8]、波形控件及布爾控件，其中數(shù)值控件用來(lái)顯示具體的液位數(shù)值，同時(shí)也可以在輸入數(shù)值控件里設(shè)置液位變化的最大值與最小值，波形控件用來(lái)顯示液位變化曲線的，布爾控件主要用來(lái)當(dāng)液位變化超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)就進(jìn)行警告提醒。通過(guò)采用While循環(huán)可以實(shí)現(xiàn)液位數(shù)據(jù)的連續(xù)采集，并利用定時(shí)器控制數(shù)據(jù)采集的時(shí)間間隔。

4　系統(tǒng)調(diào)試與實(shí)驗(yàn)

在系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量前，首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，以確保其精確度，表1、表2、表3為在不同高度測(cè)量的不同液位高度。

表1　52 cm處測(cè)量數(shù)據(jù)

表1為探頭在52 cm高度進(jìn)行測(cè)量的不同液位高度的數(shù)據(jù)，在液位1初始高度為10.60 cm時(shí)，理論測(cè)量高度應(yīng)為41.40 cm。而實(shí)際測(cè)量的平均值為40.87 cm，根據(jù)誤差公式進(jìn)行計(jì)算，誤差為1.28 %；然后改變液位進(jìn)行測(cè)量，即當(dāng)液位2初始高度為12.40 cm時(shí)，理論測(cè)量高度39.60 cm。而實(shí)際測(cè)量液位的平均高度為39.38 cm，根據(jù)誤差公式進(jìn)行計(jì)算，誤差為0.5 %。

表2　72 cm處測(cè)量數(shù)據(jù)

表2為探頭在72 cm高度進(jìn)行測(cè)量的不同液位高度的數(shù)據(jù)，在液位1初始高度為9.6 cm時(shí)，理論測(cè)量高度應(yīng)為62.40 cm。而實(shí)際測(cè)量的平均值為62.07 cm，根據(jù)誤差公式進(jìn)行計(jì)算，誤差為0.53 %；然后改變液位進(jìn)行測(cè)量，即當(dāng)液位2初始高度為10.6 cm時(shí)，理論測(cè)量高度61.40 cm。而實(shí)際測(cè)量液位的平均高度為61.12 cm，根據(jù)誤差公式進(jìn)行計(jì)算，誤差為0.46 %。

表3　98 cm處測(cè)量數(shù)據(jù)

表3為探頭在98 cm高度進(jìn)行測(cè)量的不同液位高度的數(shù)據(jù)，在液位1初始高度為5.40 cm時(shí)，理論測(cè)量高度應(yīng)為92.60 cm。而實(shí)際測(cè)量的平均值為92.61 cm，根據(jù)誤差公式進(jìn)行計(jì)算，誤差為0.01 %；然后改變液位進(jìn)行測(cè)量，即當(dāng)液位2初始高度為6.30 cm時(shí)，理論測(cè)量高度91.70 cm。而實(shí)際測(cè)量液位的平均高度為91.19 cm，根據(jù)誤差公式進(jìn)行計(jì)算，誤差為0.56 %。

通過(guò)表1、表2、表3數(shù)據(jù)分析，測(cè)量值最大誤差為1.28 %，最小為0.01 %。準(zhǔn)確度比較高，符合要求。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與LabVIEW的圖像顯示可以發(fā)現(xiàn)，錫液的液面波動(dòng)不大，比較平穩(wěn)。

5　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)LabVIEW軟件平臺(tái)，可以方便高效地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)虛擬儀器與測(cè)量硬件的相互結(jié)合，可以大大減少開發(fā)時(shí)間，LabVIEW在圖形設(shè)計(jì)方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，可以很好地進(jìn)行人機(jī)界面的交互，在工業(yè)生產(chǎn)中與傳統(tǒng)的液位測(cè)量相比，顯現(xiàn)出更強(qiáng)的智能化。通過(guò)本設(shè)計(jì)可以準(zhǔn)確安全地進(jìn)行液位變化的測(cè)量，同時(shí)也可以應(yīng)用到一些危險(xiǎn)的環(huán)境中進(jìn)行液位的測(cè)量。

[1]秦永烈.物位測(cè)量?jī)x表[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1978:106-126.

[2]謝建昌，王克華.測(cè)量?jī)x表及自動(dòng)化[M].北京:石油工業(yè)出版社，1996:60-67.

[3]牛鑫，劉自范， 房澤平.基于LabVIEW的液位測(cè)量無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[J].化工自動(dòng)化及儀表，2012(7):907-909.

[4]呂向鋒,高洪林,馬亮,等.基于LabVIEW串口通信的研究[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù),2009,28(12):27-30,50-51.

[5]鄭昊，鐘志峰，郭昊，等.基于Arduino/Android的藍(lán)牙通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2012(5):10-11.

[6]蔡共宣.LabVIEW的編程思想研究[J].裝備制造技術(shù)，2009(9):56-58.

[7]譚延軍,聶友偉.基于LabVIEW平臺(tái)的虛擬儀器編程[J].微處理機(jī)，2013(6):77-78.

[8]韓劍，莫德清，李長(zhǎng)俊.基于LabVIEW與容柵傳感器的液位測(cè)控系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2015，23(2):394-396.

Non-contact electromagnetic wave peak welding liquid level measurement system based on LabVIEW*

NIE Peng， MA Yong-lin， XING Shu-qing， JIANG Tao， SUN Bin-bin

(School of Materials and Metallurgy，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou 014010，China)

In process of electromagnetic wave peak welding,liquid level fluctuation size is a very important parameter and if fluctuations of tin fluid level is relatively large,then the product will likely cause welding problems,therefore,fluctuations in the level of electromagnetic wave real-time monitoring is very important.By using non-contact level measurement system，which components of level measurement modules,Arduino controller and the computer，to measure the tin fluid level fluctuation of electromagnetic wave.Liquid level fluctuation value and level fluctuation curve image will be displayed by LabVIEW virtual instrument software.When the level exceeds the maximum fluctuation or below the minimum level set by fluctuations settings,which the fluctuation ranges of the pre-set level,an alarm will be given and timely feedback to improve the quality of welding.Volatility level experimental measurements consistent with the expected value by measurement and verification,very smooth.

liquid level fluctuation detection; Arduino controller; LabVIEW;upper PC

2015—10—22

內(nèi)蒙古科技大學(xué)產(chǎn)學(xué)研合作培育基金資助項(xiàng)目(PY—201004)

TP 216

A

1000—9787(2016)08—0108—03

聶朋(1988-)，男，安徽阜陽(yáng)人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡姶挪ǚ搴笢囟扰c液位波動(dòng)檢測(cè)。

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)08—0108—03