徐木強(qiáng),李福生,王清亞,江曉宇

(1.東華理工大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，江西 南昌 330013；2.東華理工大學(xué)核應(yīng)用技術(shù)研究所，江西 南昌 330013)

0 引言

傳統(tǒng)的便攜式X射線熒光(X-ray fluorescence,XRF)光譜儀測(cè)試樣品都需要進(jìn)行人工測(cè)試:將待測(cè)物品置于分析儀器的測(cè)試端口，由人工操作控制儀器開關(guān)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試過程中，需要人工更換測(cè)試樣品、填寫樣品名稱，在儀器檢測(cè)過程中需要隨時(shí)注意是否檢測(cè)完成。遇到大量檢測(cè)時(shí)，需要檢測(cè)人員時(shí)刻關(guān)注和頻繁的操作，耗時(shí)較長(zhǎng)。因此，為了解決人工耗時(shí)、提升檢測(cè)效率[1]，配合現(xiàn)有的便攜式X射線光譜分析儀，設(shè)計(jì)了基于STM32控制的自動(dòng)檢測(cè)平臺(tái)。該平臺(tái)可配合儀器進(jìn)行大量樣品的不間斷檢測(cè)。使用該平臺(tái)所得儀器檢測(cè)結(jié)果的穩(wěn)定性與人工測(cè)試水平相當(dāng)。在多次重復(fù)性測(cè)試穩(wěn)定方面，相比較于人工測(cè)試，使用該平臺(tái)的測(cè)試穩(wěn)定性明顯高于人工測(cè)試。在使用過程中，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、故障率低，節(jié)省了巨大的人力耗時(shí)，取得了預(yù)期的設(shè)計(jì)成果[2-3]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該平臺(tái)由供電模塊、外形支架(SUS304)、樣品放置盤模塊、XYZ軸的步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)模塊、放置儀器部位以及控制板模塊組成[4]。操作人員使用該自動(dòng)檢測(cè)平臺(tái)時(shí)，首先要設(shè)計(jì)儀器進(jìn)入對(duì)應(yīng)的自動(dòng)定標(biāo)模式，將儀器的檢測(cè)開關(guān)以及檢測(cè)時(shí)間設(shè)置為所需要的值。然后，工作人員通過設(shè)置的時(shí)間以及所要測(cè)試的樣品總數(shù)，計(jì)算該總數(shù)占了樣品盤的幾行、一行有多少個(gè)，以及最后一行的個(gè)數(shù)，從而確定XY軸的最終移動(dòng)位置。再加上每個(gè)樣品所需要測(cè)試的時(shí)間以及Z軸上升下降的時(shí)間，即可確定步進(jìn)電機(jī)在一個(gè)樣品位置所待的對(duì)應(yīng)時(shí)間。將這些數(shù)據(jù)通過手機(jī)藍(lán)牙發(fā)送到單片機(jī)的藍(lán)牙接收端上。主控芯片接收到指令，進(jìn)而控制單片機(jī)各I/O口的輸入/輸出。單片機(jī)進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，LCD顯示屏顯示測(cè)試進(jìn)程，系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)[5]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 硬件模塊及功能介紹

平臺(tái)的外圍主要由外部支架組裝而成。平臺(tái)外觀示意圖如圖2所示。

圖2 平臺(tái)外觀示意圖

圖2中：步進(jìn)電機(jī)也是可拆卸式，增加了整個(gè)系統(tǒng)的便攜性；樣品盤用來放置檢測(cè)的樣品，要求每個(gè)樣品的橫向和縱向距離相同，便于步進(jìn)電機(jī)的準(zhǔn)確定位；樣品盤的下方有一塊海綿填料進(jìn)行緩沖，防止因Z軸電機(jī)運(yùn)動(dòng)造成儀器探測(cè)端與樣品表面過于擠壓。為了安全考慮，XRF光譜儀的測(cè)試口安裝有物料感應(yīng)傳感器，只有檢測(cè)到有物料時(shí)才會(huì)進(jìn)行測(cè)試。

系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)主要包括開關(guān)電源、24 V轉(zhuǎn)5 V和3.3 V的MP1593芯片和MP2459芯片供電電路、按鍵電路、控制輸出電路、位置檢測(cè)電路、指示燈模塊電路、藍(lán)牙模塊、LCD顯示屏模塊。系統(tǒng)硬件電路如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件電路

供電模塊包括開關(guān)電源以及控制板上的電源轉(zhuǎn)換芯片電路。整個(gè)平臺(tái)由直流供電，供電電壓為24 V、5 V和3.3 V。首先，通過開關(guān)電源將220 V的交流電轉(zhuǎn)換成24 V的直流電，24 V的直流電給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以及控制板的輸入電源供電?？刂瓢鍖?4 V的直流電經(jīng)過MP1593芯片的降壓電路，使輸出的電壓變?yōu)橹绷? V，再經(jīng)過MP2459芯片電路使輸出的電壓變?yōu)?.3 V，對(duì)主控芯片、外圍電路、LED燈、藍(lán)牙等供電。所使用的MP1593芯片允許輸入電壓為4.75～28 V，可滿足24 V的電壓輸入，且芯片的輸出電流能達(dá)到3 A，工作效率高。該模塊為整個(gè)控制平臺(tái)提供所需要的電源[6]。

控制面板包括控制板電源開關(guān)、開始按鍵、暫停按鍵、復(fù)位按鍵、停止按鍵以及單片機(jī)復(fù)位按鍵。在平臺(tái)工作中出現(xiàn)異常情況或者需要中止操作時(shí)，可以讓測(cè)試人員隨時(shí)介入，進(jìn)行修改[7]。

顯示模塊包括兩個(gè)部分。一部分是LCD屏幕顯示。顯示屏上可看到檢測(cè)的總進(jìn)程、當(dāng)前行數(shù)、該行已測(cè)個(gè)數(shù)以及已完成檢測(cè)數(shù)量，方便操作人員安排時(shí)間，以及查看實(shí)時(shí)進(jìn)度。另一部分是控制板的輸出和位置檢測(cè)反饋電路的LED燈顯示，可以根據(jù)LED燈的狀態(tài)，判斷單片機(jī)給出信號(hào)的順序和接收信號(hào)的時(shí)間。例如：位置檢測(cè)反饋燈常亮不滅，說明限位開關(guān)出現(xiàn)故障，處于一直關(guān)閉的狀態(tài)。此時(shí)，整個(gè)控制系統(tǒng)就會(huì)報(bào)錯(cuò)。通過這些LED指示燈，檢測(cè)人員可以更快地發(fā)現(xiàn)和解決問題。

藍(lán)牙模塊采用了HC-6型號(hào)的藍(lán)牙2.0串口模塊。該模塊可以很好地實(shí)現(xiàn)與手機(jī)藍(lán)牙的連接。其搭載印制電路板天線，可滿足控制系統(tǒng)的性能要求，在10 m內(nèi)能進(jìn)行通信。操作人員只需通過手機(jī)端控制裝置，使操作變得更加簡(jiǎn)便。整個(gè)操作過程只需要三步即可完成向系統(tǒng)供電、手機(jī)連上控制板的藍(lán)牙、發(fā)送對(duì)應(yīng)的指令。平臺(tái)可進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)[8]。

2 程序設(shè)計(jì)

2.1 整體程序設(shè)計(jì)

該程序的設(shè)計(jì)目的就是配合硬件達(dá)到預(yù)期的運(yùn)行，以及聯(lián)合便攜式X熒光光譜分析儀進(jìn)行自動(dòng)、高效的檢測(cè)。程序設(shè)計(jì)是在儀器現(xiàn)有功能的基礎(chǔ)上進(jìn)行儀器設(shè)置，使儀器進(jìn)入自動(dòng)檢測(cè)保存結(jié)果的模式。工作流程如圖4所示。

圖4 工作流程圖

儀器的檢測(cè)端口和樣品未接觸時(shí)，儀器上的LED燈顯示綠色且閃爍。當(dāng)儀器檢測(cè)口與樣品接觸時(shí)，LED綠燈常亮，3 s后儀器開始測(cè)試。當(dāng)儀器進(jìn)行測(cè)試時(shí)，儀器外部LED紅燈閃爍。當(dāng)儀器檢測(cè)完成時(shí)，LED燈從紅燈閃爍變?yōu)榫G燈常亮。完成一次樣品檢測(cè)后，當(dāng)Z軸移動(dòng)進(jìn)入下一次樣品檢測(cè)時(shí)，儀器與樣品未接觸，儀器繼續(xù)綠燈閃爍，直至樣品與儀器再次接觸開始檢測(cè)，紅燈閃爍，依次循環(huán)。

2.2 運(yùn)行過程算法思路

儀器在電機(jī)X、Y軸的配合下，以S形進(jìn)行定位。每當(dāng)定位到已設(shè)定好的樣品位置時(shí)，再由Z軸進(jìn)行上下調(diào)節(jié)，使樣品與儀器充分接觸。儀器的物料感應(yīng)器檢測(cè)到有樣品位于測(cè)試端口下方則開始進(jìn)行測(cè)試。等待測(cè)試時(shí)間達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，Z軸電機(jī)會(huì)由單片機(jī)控制回到初始位置，則一次樣品檢測(cè)完成，繼而進(jìn)行循環(huán)步驟。當(dāng)X軸末端的位置檢測(cè)限位開關(guān)閉合時(shí)，說明第一行樣品數(shù)已經(jīng)檢測(cè)完畢。主控芯片會(huì)控制Y軸電機(jī)運(yùn)動(dòng)到下一行。X軸的電機(jī)開始以設(shè)定的規(guī)律進(jìn)行反轉(zhuǎn)，從而進(jìn)行第二行的樣品測(cè)試。當(dāng)?shù)诙械臉悠啡繙y(cè)完以后，X軸開始端的位置檢測(cè)的限位開關(guān)閉合，單片機(jī)檢測(cè)端收到信號(hào)，控制Y軸電機(jī)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)一個(gè)單位。每次電機(jī)的Z軸運(yùn)動(dòng)后，單片機(jī)會(huì)進(jìn)行計(jì)數(shù)，與預(yù)設(shè)值進(jìn)行對(duì)比。如果達(dá)到預(yù)設(shè)值，系統(tǒng)停止運(yùn)行，檢測(cè)完成；反之，則繼續(xù)運(yùn)行[9-10]。運(yùn)行軌跡控制流程如圖5所示。

圖5 運(yùn)行軌跡控制流程圖

3 穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果對(duì)比

3.1 試驗(yàn)儀器及樣品

測(cè)試使用的儀器型號(hào)為自主研發(fā)的泰克松德TS-XH4000手持X射線光譜成分分析儀。本次試驗(yàn)使用該儀器對(duì)土壤GBW07401(GSS-1)標(biāo)樣進(jìn)行穩(wěn)定性測(cè)試。土壤樣品GBW07401采自黑龍江西林鉛鋅礦區(qū)的暗棕壤。該標(biāo)準(zhǔn)樣品一共有8個(gè)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，穩(wěn)定性對(duì)比表如表1所示。本次研究土壤樣品中的5種元素5次穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果顯示，本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)測(cè)試結(jié)果的穩(wěn)定性與人工檢測(cè)的穩(wěn)定性相當(dāng)，甚至更優(yōu)。除了檢測(cè)時(shí)間相等外，樣品檢測(cè)間隔時(shí)間上約是后者的三分之一，進(jìn)而縮短總的測(cè)試時(shí)間。時(shí)間對(duì)比如表2所示。根據(jù)記錄，樣品數(shù)量越大，由于人工檢測(cè)的間隔時(shí)間的不確定因素更多，可節(jié)省的時(shí)間越多。因此，配套使用本平臺(tái)可以使檢測(cè)效率大大提升。

表1 穩(wěn)定性對(duì)比表

表2 時(shí)間對(duì)比表

4 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的自動(dòng)進(jìn)樣檢測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)和X射線熒光光譜儀聯(lián)合使用，達(dá)到自動(dòng)化進(jìn)樣檢測(cè)的目的，同時(shí)具有較強(qiáng)穩(wěn)定性。該平臺(tái)具備檢測(cè)進(jìn)程顯示、異常情況中止選擇模式、LED故障顯示模式，可實(shí)現(xiàn)手機(jī)互聯(lián)遠(yuǎn)程控制功能，具有操作簡(jiǎn)單、易上手等優(yōu)點(diǎn)。該軟件算法可以大幅度減少電機(jī)的運(yùn)行。所設(shè)計(jì)的平臺(tái)系統(tǒng)在自動(dòng)進(jìn)樣檢測(cè)與人工檢測(cè)的穩(wěn)定性上結(jié)果相當(dāng)，但在除了檢測(cè)時(shí)間相等外，樣品檢測(cè)間隔時(shí)間上約是后者的三分之一，縮短了總的測(cè)試時(shí)間。目前，該平臺(tái)已經(jīng)使用一年以上，運(yùn)行期間故障率低，穩(wěn)定性強(qiáng)。該平臺(tái)還可以與近紅外光譜儀等設(shè)備聯(lián)用，適用范圍廣，具有較高的應(yīng)用推廣價(jià)值。