基于超声波的管道测厚行走安装的设计

                  李庚 ，王军民，吕志杰，李方旭，晏宇  唐银海

           (长江大学 地球物理与煤油资源学院,湖北武汉 430100)

择要：测厚不停是很多产业偏向的题目，设计一种轻便、准确的测厚行走安装关于管道测厚来说意义严重。本设计次要使用Arduino软硬件开辟平台，经过上位机对安装完成行进、前进及别的元件的操纵，将测得数据经过无穷通讯模块举行传输，并将测得的数据以txt的文本款式存储在SD卡上。该安装可以在恶劣的情况下取代人举行测厚事情，具有肯定的使用远景。                                                                                                          

要害词： Arduino 上位机 无线传输 测厚  

 

1 弁言

近几年因由于无损检测技能的不停开展使得超声高频反射技能曾经惹起了各行各业的普遍存眷。由于超声波可以穿透十分多的部件，以是可以运用超声波检测技能让这些部件外部结构的特性容易出现。超声检测技能实在便是把有形的工具转换成可以辨认的图形，进而使部件外部的布局特性信息可以让人们经过图形察看出来^[[1]^]。

传统的超声波测厚仪使用普遍，比方煤油化产业、电站、汽车制造、机器制造业，可以丈量船壳、船面、汽锅、管道、储油罐、轨道^[[2]] 。现在，大局部的行业中罕见的丈量仪器接纳的是手持操纵举行丈量，在利用历程中缺乏精良的人机交互界面，操纵起来繁琐，表现方法单一，而且不具有通讯功效，存储方面会遭到很大的限定，并且会遭到气候和别的要素的影响，随机科技的不停开展，种种经过上位机对行走安装举行控制的设置装备摆设的呈现，与传统的测厚仪器相比，参加一些表现，控制与形式选择功效，会丰厚许多功效。

    本文次要对传统的手持测厚仪的办法举行改良，设计了一种基于Arduino单片机的管道测厚行走安装。该设计次要以Arduino单片机为控制中心，同时以串口HMI作为作为上位机，并装备无线通讯模块，在利用的历程中可以经过上位机对行走安装举行监测和控制，该安装具有操纵便捷，波动性好等特点。

二 体系设计

2.1 次要框图

体系布局框架(图1),如图所示该设计次要由以上几局部构成。直流稳压电源次要是给驱动安装、测厚仪、无线模块、Arduino控制芯片供电。事情原理是操纵下令由上位机给出，经过无线模块将其下令通报给Arduino控制芯片, Arduino经过控制指令使行走安装完成种种位移功效，同时经过下令使测厚仪安装将测出的数据也经过无线模块通报给Arduino控制芯片，最初经过下令将其保管在SD卡上。

           

                               图1布局图

三 硬件局部

3.1 Arduino

Arduino开辟板(图2)是一款开源的单片机开辟平台，是基于Lunix内核来完成的。次要由一块AVR单片机、一个晶振和一个5V直流电源、外加各种接口就组成了整个开辟板^[[3]]。开辟板与盘算机举行步伐举行交互是经过USB数据接口来完成的，在官方IDE中编写步伐代码后，举行修正无错误后，将步伐经过USB接口上传到Arduino开辟板，开辟板上的单片机举行步伐的实行与数据的处置。

      图2

3.2 驱动安装

      

                               图3

如图3所示，Arduino来完成对行走驱动安装的控制，而行走安装次要依托L298N电机驱动以及mos管来完成

行走安装如(图4)所示，主体是一个凸出可以自在伸缩的细管，在管的顶端和该主体的尾端各自接上圆弧形的磁铁，使其完全贴合要测管道的内壁，该行走安装次要经过L298N与大功率MOS管完成位移以及中止的操纵。

                    图4

L298N(如图5)内置的两组H桥用来维持电机两头电压一直处于上下电平之间，该模块的两种供电形式不但可以供电给开辟板外还可以驱动和控制两路电机，当使能端ENA,ENB处于高电平形态时，经过组合差别的N1、N2形态控制电机的差别的活动形态从而使行走安装举行位移操纵^[[4]]。

图5 L298N         图6 MOS管

    功率MOS管一样平常接纳N沟道加强型垂直式布局，在漏极区都有一个n-的漂移区，n-的漂移区的掺杂浓度比p基极区小，以是当正电压加上漏极上时，漏极P基极被偏向偏压，大局部的耗尽区宽度将跨过n-的漂移区。由于在偏移区内构成电流的电子所有是多子，以是在高阻的n-区不会呈现两种载流子的众多。因而，功率MOS管是一个单极型元件^[[5]]。

如图(6所示)，该设计接纳的MOS管模块如上图所示，该MOS管的事情电压DC5V—36V,触发信号源是数字量上下电平(DC3.3V—20V),可以接单片机IO口，PLC接口，直流电源等，可以接PWM信号，信号频率0—20KHz完善支持；该模块的输入才能是直流DC5V—36V,常温下继续电流15A,功率400W,在帮助扇热的条件下,最大电流可达30A;次要的使用在输入端可以控制大功率的设置装备摆设上,好比电机、灯胆、LED灯带、直流马达、控制电机转速等。

3.3无线模块

数据无线传输模块利用的是一款基于100mW的无线数传，事情在2.4~2.518GHz频段，利用串口举行数据收发，低落无线使用的门槛；其功率密度会合，传输间隔远、高速率、全双工，可以双向同时通讯，支持文件传输；TTL电平输入，兼容3.3V与5V的IO口电压^[[6]]。

该模块的典范特点是高速传输，在多种波特率下，可以到达全双工特征(双向同时收发)，不限包长，支持不中断传输，支持文件传输。

该模块有四种事情形式，由引脚M0、M1设置。

3.4 测厚仪局部

次要用到一样平常生存中超声波测厚仪，超声波测厚仪的测厚原理(如图7)便是超声波会经过超声波探头发射出去，在丈量时将探头与被测物体恤合，在举行测厚时超声波探头会有发射波出去，由于超声波与光波相似，会有反射的特征，会有一局部的超声波会反射返来，可以盘算超声波探头发射波到反射波的工夫差同时由于超声波在差别的介质中的传达速率是已知的，如许就可以盘算出被测物体的厚度^[[7]]。

            图7  测厚原理图

依据超声波在差别的介质中的传达速率的差别，同时取得反射波与发射波的工夫差，就可以得出厚度的盘算公式：

                        H=V*T                               (1-1)

式中的H表现终极盘算的厚度值，V表现超声波差别介质中的速率，T表现两次的工夫差。

3.5 SD贮存卡

    次要对举行丈量的数据以txt 的款式举行保管。

  

四 软件设计

软件局部接纳模块化设计，次要分为主步伐、无线数据传输步伐、小车活动控制步伐，步伐流程图所示。该流程的次要目标是当某一功效的步伐设计好就将其导入到Arduino开辟板，导入后看功效能否完成功效正常，若能正常实行就举行下一步步伐。若不克不及正常完成功效，则对该局部步伐举行调试，当一切模块的功效测试完成后，将其完备的步伐导入Arduino，设计的上位机如图所示。

上位机的界面次要由USART HMI来完成的，HMI是Human Machine Interface的缩写，“人机接口”，也叫人机界面。上位机的界面次要由USART HMI来完成的^[[8]]。HMI在一样平常的生存中非常罕见，它的次要特征可以经过软件设置装备摆设把I/O设置装备摆设成输出形态或输入形态，同时支持四种差别的通讯接口(TTL,RS232,RS485,CAN),支持的打仗范例有电容触屏与电阻触屏，在通电进入事情形态无需品德初始设置，提供用户工夫存储空间，可以经过窗口的指令调解背光。如图所示，为了完成安装的行走及数据传输的功效等，该上位机的设计的功效次要有行走的控制，行进间隔的表现，校准，中止，复位，保管数据等功效 。

            图8 上位机

五 总结

   本设计只是对传统的手持测厚方案举行了改良，次要运用了Arduino与无线模块使测得的数据可以无线传输，同时可以经过上位机对安装举行下令操纵,从而完成测厚的操纵，操纵利便且便于携带。