龐 立

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電焊機(jī)電壓電流參數(shù)在線式采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

龐 立

（海洋石油工程（青島）有限公司，山東青島 266520）

本文針對電焊機(jī)主機(jī)上電壓電流參數(shù)在進(jìn)行焊接過程中不易觀測和存儲(chǔ)的問題，以STM32F103 ARM為核心控制器設(shè)計(jì)了一種在線式電焊機(jī)電壓電流參數(shù)的采集系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)的采集記錄電壓和電流值，并通過藍(lán)牙無線傳輸將數(shù)據(jù)顯示在LCD上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)本設(shè)計(jì)可以對電焊機(jī)的電壓電流參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、便攜的采集記錄。

電壓 電流 在線式 采集

0 引言

焊接工藝評定試驗(yàn)是船舶與海洋工程焊接工藝規(guī)程文件編制中非常重要的部分，為了保證焊接質(zhì)量，需要做焊接評定試驗(yàn)。焊接評定試驗(yàn)時(shí)需要采集焊接過程中電壓、電流等焊接參數(shù)，作為焊接工藝規(guī)程制作的評定依據(jù)。電焊機(jī)主機(jī)帶有指針式的電流電壓表，現(xiàn)場工作環(huán)境中，通常主機(jī)離焊接件較遠(yuǎn)，電焊工人進(jìn)行電焊操作時(shí)，焊接工程師觀測主機(jī)的電流電壓表非常不便利。目前的測量方式為人工使用鉗形萬用表單次測量單個(gè)參數(shù)，整個(gè)試驗(yàn)過程效率較低，花費(fèi)的時(shí)間及人力較多。本文設(shè)計(jì)的電焊機(jī)電壓電流參數(shù)在線式采集系統(tǒng)可以在線同時(shí)采集電焊機(jī)的電壓和電流值，數(shù)字式顯示，并具有存儲(chǔ)功能便于后期的技術(shù)校驗(yàn)及數(shù)據(jù)對比，大大縮短了測量的時(shí)間，提高了工作效率。

1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)由采集模塊和顯示模塊兩部分組成。采集模塊主要完成電焊機(jī)電壓和電流信號的采集，處理功能。顯示模塊主要完成電壓和電流信號的顯示、存儲(chǔ)功能。采集模塊和顯示模塊均使用STM32F103 ARM作為其核心控制器[1]。采集模塊包括控制器、電壓傳感器、電流傳感器、藍(lán)牙及外圍處理電路。顯示模塊包括控制器、LCD顯示器，藍(lán)牙、內(nèi)存卡及外圍處理電路。兩個(gè)模塊通過藍(lán)牙進(jìn)行數(shù)據(jù)的無線傳輸。如圖1所示。

采集模塊的電流采集選擇LEM公司的LT1005-S閉環(huán)霍爾電流傳感器，電壓采集選擇LEM公司的LV28-P閉環(huán)霍爾電壓傳感器，如表1所示[2,3]。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

表1 傳感器參數(shù)數(shù)據(jù)表

LEM公司的這兩款傳感器具有精度高、線性度好、低溫漂、抗外界干擾能力強(qiáng)、反應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，滿足本設(shè)計(jì)的要求。電流傳感器和電壓傳感器輸出的微小電流信號經(jīng)過電流/電壓轉(zhuǎn)換、放大、濾波后轉(zhuǎn)成0~3 V的電壓信號輸入到ARM的A/D接口，進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。處理后的數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙或者RS485傳輸?shù)斤@示模塊中。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 ARM控制器

本設(shè)計(jì)采用STM32F103 ARM作為采樣模塊和顯示模塊的核心控制器，其最小系統(tǒng)圖如圖2所示。ARM工作頻率可高達(dá)72 MHz，SRAM高達(dá)20 K字節(jié)；2.0~3.6 V供電和I/O引腳；2個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間1 μs，轉(zhuǎn)換電壓范圍0~3.6 V；多達(dá)7個(gè)定時(shí)器和9個(gè)通信接口；串行單線調(diào)試SWD和JTAG接口，便于在線仿真和程序下載。上述的ARM性能可以滿足本設(shè)計(jì)的要求，本設(shè)計(jì)中所使用到的I/O口及功能如表2所示。

2.2 霍爾電壓傳感器

LV28-P是應(yīng)用霍爾原理的閉環(huán)電流傳感器，測量范圍為0～±14 mA，最大測量電壓700 V，轉(zhuǎn)換率是2500: 1000。直流電壓采樣及調(diào)理電路如圖3所示。LV28-P原邊配置原邊電阻1，為保證傳感器的高線性度及測量精度，設(shè)計(jì)原邊被測電流取原邊額定電流的0.85倍。若被測直流電壓是500 V，則原邊電阻值1計(jì)算為：

1=500/(0.85×10)=58.83 kΩ

圖2 STM32F103C8T6最小系統(tǒng)圖

表2 ARM I/O口及功能表

LV28-P輸出的信號經(jīng)過TLV2374調(diào)理電路的放大、濾波后轉(zhuǎn)成0~3 V的電壓信號輸入到ARM的A/D接口，進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。

2.3 霍爾電流傳感器

LT1005-S是基于霍爾效應(yīng)的閉環(huán)電流傳感器，其傳感器電路與被測電路是隔離的，對被測電路的影響可以忽略不計(jì)?？梢詼y量直流、交流及脈動(dòng)電流。當(dāng)原邊導(dǎo)體的電流發(fā)生變化時(shí)，霍爾電流也發(fā)生變化，霍爾電壓即隨之發(fā)生變化，將此電壓變化通過放大器放大輸出，輸出的電壓大小反應(yīng)了被測電流的大小。如圖4所示。

圖4 直流電流采樣及調(diào)理電路

2.4 電源模塊設(shè)計(jì)

電源系統(tǒng)是一切電子設(shè)備的重要部分，負(fù)責(zé)給各電子芯片提供穩(wěn)定的直流電壓，電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性對于整個(gè)系統(tǒng)的精度具有重要影響。電池為系統(tǒng)提供主電源，為滿足長時(shí)間工作要求，采用可充電聚合物裡電池，容量為2000 mAh以上，鋰電池電壓輸出24 V。通過DC/DC模塊A2415S將電壓由24 V轉(zhuǎn)為±15 V，給放大器TLV2374供電，再由穩(wěn)壓電源芯片LT3970-3.3將直流電壓降為3.3 V為系統(tǒng)各器件提供供電。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括采集模塊軟件和顯示模塊軟件兩部分。采集模塊將LEM霍爾傳感器采集的副邊的電壓電流值進(jìn)行A/D處理，并將其值反算為真實(shí)的原邊的電壓電流值，并將值通過數(shù)據(jù)協(xié)議經(jīng)藍(lán)牙接口發(fā)送到顯示模塊。采集模塊的軟件程序包括A/D轉(zhuǎn)換子程序、實(shí)時(shí)時(shí)鐘子程序和藍(lán)牙通訊子程序，其軟件流程圖如圖5所示。設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集間隔為1秒。顯示模塊將藍(lán)牙接收到的數(shù)據(jù)顯示在LCD上，并將數(shù)據(jù)保存在SD卡上，便于技術(shù)統(tǒng)計(jì)。顯示模塊的程序包括LCD顯示子程序、SD卡存取子程序、實(shí)時(shí)時(shí)鐘子程序和藍(lán)牙通訊子程序，其軟件流程圖如圖6所示。

圖5 采集模塊軟件流程圖

圖6 顯示模塊軟件流程圖

4 結(jié)束語

本文針對電焊機(jī)設(shè)計(jì)了一種便攜式的電壓電流采集設(shè)備，設(shè)備包括采集模塊和顯示模塊，兩個(gè)模塊通過藍(lán)牙無線傳輸數(shù)據(jù)。每1秒采集一次電壓電流信號進(jìn)行處理，處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示及存儲(chǔ)。實(shí)驗(yàn)證明本設(shè)計(jì)簡單便攜、測量準(zhǔn)確，可以滿足電焊機(jī)電壓電流參數(shù)信號在線測量的要求。

[1] 孫書鷹, 陳志佳, 寇超. 新一代嵌入式微處理器STM32F103開發(fā)與應(yīng)用[J]. 微計(jì)算機(jī)應(yīng)用, 2010, 31(12): 59-63.

[2] 李靖, 黃紹平, 張深基. LEM傳感器在電氣參數(shù)測試中的應(yīng)用[J]. 湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào), 2004, 14(2): 12-15.

[3] 謝珺耀, 于海波. LEM電流傳感器的應(yīng)用探討[J]. 電子工業(yè)專用設(shè)備, 2010(180): 50-53.

Design of Online Collection System for Voltage and Current Parameters of Welding Machine

Pang Li

(Offshore Oil Engineering (Qingdao) Co. Ltd., Qingdao 266520, Shandong, China)

TP274

A

1003-4862（2018）11-0056-03

2018-05-29

龐立(1983-)，男，工程師。研究方向：船舶與海洋工程的檢驗(yàn)。E-mail: pangli02@163.com