（物理电子学专业论文）充电式智能磁粉探伤机的研制.pdf

郑州大学硕士学位论文 摘要 目前，国内外的工业探伤用便携式磁粉探伤机，不论是旋转磁场探伤机、磁轭 式磁粉探伤机，还是组合在一起的多用磁粉探伤机，电源供给大多采用一2 2 0 v 单相 交流电供电。最近几年，有厂家生产的磁轭式磁粉探伤机，采用充电电池直接供电， 产生的是直流磁场，该产品由于采用直流直接供电，趋肤效应差，检测灵敏度低， 使用较少。 在实际工作中，尤其是现场磁粉检测，很多的场合，例如；锅炉压力容器的内 部检测、压力管道的在线检测、高空进行的检测等，采用交流2 2 0 v 电源，使用起 来既不安全又不方便。 本文设计的充电式磁粉探伤机，主要包括两部分：程控逆变器( 供电部分) 和 磁粉探伤探头。本文主要研究的是第一部分程控逆变器的设计，程控逆变器采用充 电电池作能源，经逆变、变频、移相等处理后给磁粉探伤探头( 旋转磁场探头、磁 轭式探头、角焊缝探头等，该部分采用市面市现有产品，或者根据需要改变探头的 线圈匝数) 供电，该装置采用微处理器实现自动识别探头类型，根据所使用的探头 不同，自动调整工作方式，实现一机多用。对电路和程序略作简化修改，就可针对 某种磁粉探伤探头，制作出专门的磁粉探伤机。同时，在工作过程中根据电池电压 值自动调节功率等级，当装置自动设置的功率等级不能满足需要时，还可以通过手 动调节，液晶汉字显示工作状况和电池电压。该装置能清晰显示a 型试片，一次充 电能保证连续工作5 小时以上，弥补了现有便携式磁粉探伤机存在的不足。 关键词：磁粉探伤程控m o s 逆变桥功率自动调节 郑州大学硕士学位论文 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h ep o w e rs u p p l yo fm o s td o m e s t i ca n df o r e i g ni n d u s t r i a lt e s t i n gp o r t a b l e m a g n e t i cp a r t i c l et e s t i n gi n s t r u m e n t ，r e g a r d l e s so ft h er o t a t i n gm a g n e t i cf i e l dt e s t i n g i n s t r u m e n t ，a n dt h em a g n e t i c c o n j u g a t e dm a g n e t i cp a r t i c l et e s t i n gi n s t r u m e n t ，o rt h e c o m b i n a t i o no fm u l t i - u s em a g n e t i cp a r t i c l et e s t i n gi n s t r u m e n t ，u s u a l l ya d o p tt h e - 2 2 0 v s i n g l e p h a s ea cp o w e rs u p p ly i nr e c e n ty e a r s ，s o m em a n u f a c t u r e r sh a v ep r o d u c e d s o m em a g n e t i c - c o n j u g a t e dm a g n e t i c p a r t i c l et e s t i n gi n s t r u m e n tw h i c ha d o p tt h e r e c h a r g e a b l eb a t t e r i e sd i r e c t l y , a n dp r o d u c et h ed cm a g n e t i cf i e l d t h i sp r o d u c t sa d o p t t h ed cp o w e rs u p p l yd i r e c t l y , s ot h es k i ne f f e c ti sp o o r , a n dt h es e n s i t i v i t yi sl o w , a sa r e s u l to ft h a t ，t h e ya r en o tu s e dw i d e l y d u r i n gt h ep r a c t i c a lw o r k ，i np a r t i c u l a r ，t h el o c a t em a g n e t i cf i e l dt e s t i n g ，i nm a n y o c c a s i o n s ，f o re x a m p l e ：b o i l e ra n dp r e s s u r ev e s s e li n t e r n a lt e s t i n g ，p r e s s u r ep i p e l i n e t e s t i n g ，a n dt h et e s t i n ga tah i g ha l t i t u d e ，t h e - 2 2 0 va cp o w e rs u p p l y ，i sn e i t h e rs a f en o r c o n v e n i e n t t h er e c h a r g e a b l em a g n e t i cp a r t i c l et e s t i n gi n s t r u m e n tw a sd e s i g n e di nt h i sa r t i c l e ， w h i c hi n c l u d i n gt w om a i np a r t s ：p r o g r a mc o n t r o l l e di n v e r t e r ( p o w e rs u p p l yp a r t ) ，a n d m a g n e t i cp a r t i c l et e s t i n gp r o b e t h ep r o g r a m - c o n t r o l l e di n v e r t e ra d o p tr e c h a r g e a b l e b a t t e r i e sa se n e r g y ，a f t e ri n v e r t i n g ，c o n v e r t i n gt h ef r e q u e n c y ，a n ds h i f t i n gi t sp h a s e a n g l e ，t h e np r o v i d ep o w e rf o rt h em a g n e t i cp a r t i c l et e s t i n gp r o b e ( r o t a t i n gm a g n e t i cf i e l d p r o b e ，t h em a g n e t i c c o n j u g a t e dm a g n e t i cp a r t i c l et e s t i n gp r o b ea n ds oo n ，w h i c ha r ey e t e x i s t e di nt h em a r k e t ) ，t h i sd e v i c eu s e dt h em i c r o p r o c e s s o rt oi d e n t i f yt h ep r o b et y p e s a u t o m a t i c a l l y ，a n dc h a n g et h ew o r k i n gs t a t ea u t o m a t i c a l l ya c c o r d i n gt ot h ep r o b et y p e s ， t oa c h i e v eam u l t i p u r p o s ei n s t r u m e n t t os i m p l i f yt h ec i r c u i ta n dt h ep r o g r a ms l i g h t l y ， w ec a np r o d u c es p e c i a l i z e dm a g n e t i cp a r t i c l et e s t i n gi n s t r u m e n tf o rac e r t a i nm a g n e t i c p a r t i c l et e s t i n gp r o b e m e a n w h i l e ，i nt h ew o r k i n gc o u r s e ，i tc a nc h a n g et h ep o w e rl e v e l a u t o m a t i c a l l ya c c o r d i n gt ot h eb a t t e r yv o l t a g e ，w h e nt h ep o w e rl e v e ls e ta u t o m a t i c a l l y c a nn o tm e e tt h ed e m a n d ，i tc a na l s om a n u a l l ya d j u s t t h ew o r k i n gs t a t u sa n db a t t e r y v o l t a g ea r ed i s p l a y e dw i t hc h i n e s ec h a r a c t e ro nt h el i q u i dc r y s t a ld i s p l a y t h ed e v i c e c a nm a k et h ea - t y p es p e c i m e ni n d i c a t ec l e a r l y ，o n c ec h a r g ec a ng u a r a n t e ew o r k i n gf o r 郑州大学硕士学位论文 m o r et h a ns i xh o u r s i tm a k e su pf o rt h ed e f i c i e n c i e so ft h ee x i s t i n gp o r t a b l em a g n e t i c p a r t i c l et e s t i n gi n s t r u m e n t k e y w o r d s ：m a g n e t i cp a r t i c l et e s t i n g ；p r o g r a mc o n t r o l ；c o n v e r t e rb r i d g e ；a u t o m a t i c p o w e ra d j u s t m e n t i i 郑州大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 课题研究的起源 第一章引言 无损检测技术是利用物质的某些物理性质因存在缺陷或组织结构上的差异使其 物理量发生变化这一现象，在不损伤被检物使用性能及形态的前提下，通过测量这 些变化来了解和评价被检测的材料、产品和设备构件的性质、状态、质量或内部结 构等的一种特殊的检测技术。主要用于质量管理、质量鉴定和在役检测。使用无损 检测技术对运行期间或正在运行中的设备构件进行经常性的或者定期的检查，或者 实时监控( 称为在役检测) ，能及时发现影响设备继续安全运行的隐患，防止事故 的发生 1 1 。 磁粉检测( m a g n e t i cp a r t i c l et e s t i n g , 缩写符号m t ) ，又称磁粉检验或磁粉探伤， 属于无损检测五大常规方法之一。铁磁性材料工件被磁化后，由于不连续性的存在， 使工件表面和近表面的磁力线发生局部畸变而产生漏磁场吸附施加在工件表面的磁 粉，在合适的光照下形成目视可见的磁痕，从而显示出不连续性的位置、大小、形 状和严重程度。 在磁粉探伤领域较多使用的是2 2 0 v 市电，但在实际工作中，尤其是，现场进 行的磁粉检测，很多的场合，例如：锅炉压力容器的内部检测、压力管道的在线检 测、高空进行的检测等，采用交流2 2 0 v 电源，使用起来既不安全又不方便。从事 现场检测的人员都深有体会，往往是检测的时间没有连接电源的时间长，在检验工 期要求紧的情况下，体会更加深刻。因此便携式的供电设备就显得极为重要。 1 2 国内外行业现状 目前国内外，在磁粉探伤领域供电电源仍然以2 2 0 v 市电为主，最近几年，有 厂家生产的便携磁轭式磁粉探伤机，采用充电电池直接供电，产生的是直流磁场， 郑州大学硕士学位论文 第一章引言 该产品由于采用直流直接供电，趋肤效应差，检测灵敏度低，使用较少。由于电池 蓄电量是有限的，而磁粉探伤要想获得较好的探伤效果，又必须保证一定的工作功 率，上述局限性使得在目前市面上还没有较为理想的充电式磁粉探伤装置的出现。 1 3 本课题的主要研究内容 1 通过实验确定对应不同电池电压的最佳功率值。使该电源在工作过程中能够根 据电池电压值自动调节功率，在保证较好的探伤效果的前提下，同时保证较低的 电能消耗； 2 液晶显示模块的设计与软件实现； 3 d $ 1 8 2 0 测温模块的设计与软件实现； 4 逆变输出模块的设计与软件实现； 5 电磁兼容性设计。 2 郑州大学硕士学位论文 第二章磁粉探伤概述 第二章磁粉探伤概述 2 1 磁粉探伤基本原理 铁磁性材料工件被磁化后，由于不连续性的存在，使工件表面和近表面的磁力 线发生局部畸变而产生漏磁场吸附施加在工件表面的磁粉，在合适的光照下形成目 视可见的磁痕，从而显示出不连续性的位置、大小、形状和严重程度阁。 2 2 磁粉探伤的基本方法 以水为载体，加入适量的磁粉和适当的添加剂( 消泡剂、防腐蚀剂、润湿剂等) ， 搅拌均匀后即成为水磁悬液。或者用变压器油+ 煤油，或者无味煤油等作为载体， 加入适量的磁粉并搅拌均匀，即成为油磁悬液。水磁悬液和油磁悬液就是湿法磁粉 检验中使用的磁性介质。在磁粉检验中，可以把磁悬液利用喷洒工具( 喷嘴、喷壶 等) 喷洒或浇洒在被磁化的工件上，然后把磁粉探伤探头加在待测物体的表面，磁 悬液中的磁粉随载体在工件上流动，遇到存在漏磁场处将被吸附形成磁痕网。 工件磁粉检验的灵敏度除了与工件自身条件( 铁磁特性、几何形状、表面光洁 度等) 有关外，最重要的就是磁化规范的参数选择，即直接通电法时的磁化电流( 种 类、大小) ，或者线圈法时的磁势( 以磁化安匝数表示，即磁化电流与线圈匝数的乘 积) ，或者磁轭的提升力等等，这些参数将直接影响被检工件上磁化强度的大小，亦 即直接影响漏磁场的大小。因此，为了正确确定工件的磁化规范，往往要采用特斯 拉计( 高斯计) 或磁场指示器，或者简易试片( 灵敏度试片) ，或者灵敏度试块等等 来检查、验证工件上的磁化强度是否适合。本文中涉及的实验是通过灵敏度试片来 观测探伤的效果。 3 郑州大学硕士学位论文 第二章磁粉探伤概述 2 3 漏磁场的形成 漏磁场形成的原因，是由于空气的磁导率远远低于磁性材料的磁导率。如果在 磁化了的铁磁性工件上存在不连续性或裂纹，则磁感应线优先通过磁导率高的工件， 这就迫使一部分磁感应线从缺陷下面绕过，形成磁感应线的压缩。但是工件上这部 分可容纳的磁感应线数目也是有限的，又由于同性磁感应线相斥，所以，一部分磁 感应线从不连续性中穿过，另一部分磁感应线遵从折射定律几乎从工件表面垂直的 进入空气中去绕过缺陷又折回工件，形成漏磁场。如图所示 图2 - 1 漏磁场的形成 2 4 磁粉探伤探头的基本类型 便携式磁粉探伤探头的供电形式大致可以分为两类：单路输入( 电磁轭探头) 和双路输入( 旋转磁场探头) 图2 - 2 单路输入型探头( 电磁轭探头) 4 郑州大学硕士学位论文 第二章磁粉探伤概述 图2 3 双路输入型探头( 旋转磁场探头) 2 5 旋转磁场的形成 旋转磁场探头相对的两磁极为一组，如图所示：在磁化区域的磁粉颗粒的受力 方向为两路磁力线所产生磁力的合力。当两路供电为正弦波交流电而且相位相差9 0 度时，其合力方向会随时间在磁化平面内旋转，因此称之为旋转磁场。本文设计的 装置给双路输入型探头提供的是两路相位相差9 0 度的方波，所以产生的磁场类似于 旋转磁场。 f 图2 4 旋转磁场示意图 图2 5 旋转磁场受力示意图 郑州大学硕士学位论文第三章程控逆变器的硬件设计 第三章程控逆变器的硬件设计 3 1 程控逆变器的工作原理和总体设计思想 该装置采用充电电池供电，通过微处理器控制m o s 逆变桥提供输出信号，给便携 式磁粉探伤探头供电。 根据磁路定理： o = i n r m 注：i 线圈电流； n 线圈匝数； 陆磁阻； 负载确定后，磁阻和线圈匝数为定值，可以得出如下关系； o i 网 所以电池供电时由于其电压值与2 2 0 v 市电相比要小的多，要想得到良好的探伤 效果，必须保证一定的电流值。电池随着工作时间的增加其输出电压值会不断地降 低，必定会引起电流减小，从而引起磁通量减小，最终导致裂痕处漏磁通的减小， 磁粉探伤的效果变差。 磁粉探伤探头主体部分是线圈构成的，属于感性负载，其感抗 x t = 2 w f l ( q ) 为了保证磁粉探伤的效果，当电压降低后，通过降低供电电压频率方法减小感 抗，从而保证电流不减小，可以避免探伤效果的明显下降。 根据该原理，该磁粉探伤装置在工作过程中通过适时采集电池电压值，自动选 择相应的频率，既保证了良好的探伤效果，又可以节省电能的消耗，使电池供电成 为可能。 6 郑州大学硕士学位论文第三章程控逆变器的硬件设计 3 1 1 程控逆变器的总体结构 图3 1 程控逆变器的硬件框图 p + 一 一、。 。嚣 ； n “l 舶堑i b 刊 。 充电武智能磁耪探伤机 j 多一 ：一 一 盱 多 i ；冒“一一 i ” o ! 。王讳欠压； j 一功率等级减小键ji 功率等级增加键u 二 i - d 日瓢。_ 。啦_ 幽轮 ， 图3 - 2 仪器面板图 7 郑州大学硕士学位论文 第三章程控逆变器的硬件设计 3 1 2 微处理器的选型 由于该系统需要精确的a d 转换，以及多种功能模块的实现需要较多i 0 e l ，所 以本课题选用t p h i l l p s 的p 8 7 c 5 9 1 微处理器，该处理器具有1 0 位高精度 o 转换通 道，3 2 个i 0 e l 完全满足该系统设计的需要。 该微处理器具有以下主要特点网： 全静态8 0 c 5 1 中央处理单元，可提供o t p ，r o m 和无r o m 型 1 6 k 字节内部程序存储器，可外部扩展到6 4 k 字节 5 1 2 字节片内数据r a m ，可外部扩展到6 4 k 字节 3 4 1 6 位定时，计数器t o ，t 1 ( 标准8 0 c 5 1 ) 和附加的t 2 ( 捕获& 比较) 带6 路模拟输入的1 0 他m ) c ，可选择快速8 、 f f a d c 2 个8 位分辨率的脉宽调制输出( p w m ) 作为标准8 0 c 5 1 引脚时有3 2 个i o h 带字节方式主和从功能的1 2 c 总线串行i o e l 片内看门狗定时器t 3 扩展的温度范围：4 0 8 5 加速指令周期5 0 0 a s 1 2 m h z 操作电压范围：5 v 5 保密位：r o m ( 2 位) ，o t p ( 3 位) 3 2 字节加密阵列 4 4 中断优先级，1 5 个中断源 全双工增强型u a r t ，带有可编程波特率发生器 电源控制模式：时钟可停止和恢复，空闲模式，掉电模式 空闲模式中a d c 有效 双d p t r 可禁& a l e 实现低e m i 可编程帕口( 准双向、推挽、高阻和开漏) 掉电模式可通过外部中断唤醒 8 塑型查堂堡圭竺垡堡苎 蔓三兰堡丝望至堡竺堡壁堡生 软件复位( a u x r l 5 ) 复位脚低有效 上电检测复位 o n c e 模式 n 一籼_ f m _ m 一 6 椭卜蝴一 g 删卜m 一 a 嘏2 - t o _ 巧榭j 3 - ”_ w r + 一 - v v 黛 图3 3 功能图 9 i 铀m 播雌轴吣岫 广。l _ 弋 时由伯b l i i i 州饼d 尊卅哺e 锘 、卜刚d c 、 1 _ 似f 洲 2卜l d c 07 卜c 豫黼 ： 哺，一4 - - 篙= o 一 i i h n d 5卜_ d b 卜u 1 3 1 i t 盯$ l卜柚“_ s d1 7j卜踯h 蛳浮 瓣5 卜 蚓：l ： 黼z ： 磁m h ， j l h 7 j”j 肼删胜埘枞瞄肼肼 h h h h h h 嘲 郑州大学硕士学位论文 第三章程控逆变器的硬件设计 图3 - 4p 8 x c 5 9 1 方框图 图3 - 5p 8 7 c 5 9 1 管脚封装 l eg l- i宣善 鼍害 耸u日；nh暑 0li04磊、d-lfc=o至s口oj 黑lli兰飘黧 郑州大学硕士学位论文 第三章程控逆变器的硬件设计 表3 1 管脚号 符号 描述 肝p 4 4p l c c “ 嫩41 0 复位：p s x c 5 9 1 链协赣入。码定时嚣t 3 瀚； ：时援鬈 塑忙辣冲输i p 3 0 - 3 7口i8 位l g 粕稚i o ；p 3 1 0 骥动4 个l s t i l 赣 粉u 违握供以1 f 均旋- p 3 搿r x d5 l l r 帕：串打辘人口 t 2 ，攀转输出 p 置l 力71 5 t 如：串行输班翰 r i 2 ：1 2 宅时嚣链能绍碍。j 二升淤触发 p 3 2 ，i n t 0 c - m s r 08t 4f 丽：外部中断0 o s ：定时器t 2 比软和设蹙，笈髓旃粥 髀3 l i n t | 圯- m s p , 1 91 5踊秆：外部巾断l ( i i s r l ：定时嚣 r 2 比较鞠搜置，餐键鞠嬲 p 3 a i 氆 c m s k 2 l o1 6t o ： 定时嚣0 外部瓣入 c 辨2 ：定时嚣t 2 比较和搜簧簧铱鞠礴 p 3 5 ，r l ，( 量i s 恭3l l 1 7 t 1 ：定时嚣l 外踯辕入 o 镰3 ：定时嚣t 2 比较羊h 牧鬣，挺位均瘌 p 3 6 j v , , r1 2 1 8丽： 外糍；教糍弘赌貉写选_ 氇 p 3 ，7 r d1 31 91 彤：仆端敏粥痒铭器缓进锺 链髂时竹辫彬驱动为赢 遴域p 3 m 1 睾i p 3 m 2 寄存嚣坷掩玛u 激饕为4 种模式之一； p 舅1 ，xp 3 啦x 援式描述 00 准撇翱( 教汲的杯躐c 5 1 截镟) 0l摊挽 1 0 商陬 ll辨潮 x l 妣1 4 2 0 妊撮脚2 ：蔽搦觳黪艘，、嚣输出麓缝玎 补瓣搬荡嚣时钟时开路 x a l l1 52 l鬣摄捌1 ：艇椰擞缟玻氕器输入郸内簿时钟艇誊魁路赣入。使鳍l 井 雄羝鹋嚣时钟时俘是外毒l ：时钟信母的赣入瑞。 v 诣2 21 6 地：0 v 努垮虎 v c c 4 43 8 龟瓣：挺徵韶、空阐 f l 摊# 耗l 绺磅u k p 2 ，o 穗0 8 p 2 7 a 1 s1 8 - 2 52 4 - 3 l理口：8 往e g 编秘i o u a 0 8 - a 1 5 ：外样存鲻嚣尚地址。还挺番以f 功能# 蚪部存储貉( a 0 8 - a i $ ) 赢遗蛙擎话，菇硝作为e p r o m 编榉和授 验l 时麴蕊地岛i = 。 链敏时，p 2 徉步貔动为嬲 逮泣p 2 m i 翱p 2 m 2 错存嚣研将p 2 秘设鬻为4 种模式之一， p 2 m 1 xp 2 2 x 槛式描述 00 准默卿( 欺认的杯准c 5 1 刚赞) 0l 撂挽 1 0 黼黼 l1好潮 1 l 郑州大学硕士学位论文第三章程控逆变器的硬件设计 表3 - 2 麓凇2 6 3 2 程序存储使罐；讣端群序存端嚣的设拖遁，戋芯片飙捧麟榭i 红赫 嚣绩取程序时，蘑；葫簿争概器脯期拔澈灞蹲次两程雠次访朗外 嬲教拱存储器聪p s e n 姨忽端硝次。对内辉辫缪穰垮存储器琦朗对 p s e n 冤镘( 檬持为高) 。p s e n 研藜动8 十i s r n 辕入。搿动c 煅 车斋整歼_ l ；l ： ：拉。 a i e 掌e g2 7 3 3 地域铰存使麓t 萨常擞骓一中私葫朗外嚣存储器时镄睁连虫 的低字 节，雄6 十强霭器磺期激祷一次，静在诮秘j 扑郫数据存持器时溯外。 王暑虾驱动8 个u r n l 输入瓣鹚c m o s 率篱螫讣群上拽蒈怨 繁l 卜a l e 的翻转 降饿髓嗡芦h 盛豫通过软件襞缱a of s f r ： a u x i l o ) 。齄凌4 陬酯。螭群被挣翰入 瓦a a , p p 3 5 2 9 静瓤墒问输入，如激疑缔时e a 弦掩m 高电譬，c p u 执 于内繇静 膨俘赭瓣的箨孵翔耀为m 馘电串，c p u 通过9 0 和甩执行蚪 鼯狂簪群髓嚣构秘譬。e 车允许像持悬浮在复能时顿存。盟链 屑举翔考虑。 v p p t 提供编箨电藤 p o o a d o - p 0 7 a d 73 0 - 3 7i 霸# 8 锭始潮议融i o 雠。簸貔时砷“为躐黧| 杰( j 卷， a d t - a d 0 ：嫠用的教携手n 地时总线低她埒。舶1 4 雕鞭幼8 个l s t i _ l 输 。 a v r e f - -3 84 4 d 转换参考龟阻：鞠端 p n 聃3 9l梗拟地 p lo p t 44 0 - 4 42 - 6 g la ：蹦户哪魁霰输渤燮擎豹8 缒i o 聪，p l 垃作为输 缓铀国甜 p 1 5 零1 7l - 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8 微处理器供电电路 如图所示网络标号a 表示电池a 的正极输出端，经, 南7 8 0 5 稳压输出+ 5 v 电压， 给微处理器提供电压。 3 3 电源电压采样模块设计 3 3 1 电源电压采样电路 该系统工作功率等级随着电池电压值的变化作相应的改变，所以电源电压的精 确采集非常重要。电源电压采样电路设计如下图所示： 图3 - 9 电源电压采样电路 郑州大学硕士学位论文 第三章程控逆变器的硬件设计 注释：d c i n a 和d c i n b 分别是两路电源，经电阻和电位器分压和电容滤波后分别 输入微处理器p 1 5 和p 1 a 管脚。 由于该系统的两种工作状态( 双路和单路) 情况下，电源电压不同，单路时， 供电电源是双路供电电源串联构成的，如上节所述，在单路情况下，g n d b 与a 相 连，此时d c i n b 的电压值约相当于双路情况下的两倍，所以上图中两路电源电压 采样电路的电阻分压情况并不一样。 3 3 2p 8 7 c 5 9 1 内部d 转换介绍 模拟输入电路包括一个6 输入模拟多路复用器和一个1 0 位标准二进制逐次逼近 式a d c 。a d 还可通过置位a d c 8 ( a u x r i 7 ) 配置成快速转换的8 位模式。8 位结果 保存在a d c h 寄存器中。模拟参考电压和模拟电源通过单独的输入脚连接。对于1 0 位精度，转换需要5 0 个机器周期，即2 5 1 2 m t l z 。对于8 位精度，转换需要2 4 个机器周期。输入电压范围为o + 5 v 。a d c 可选择在空闲模式中关闭以降低功耗或在 空闲模式中保持有效以降低转换时的内部噪声。该选项可通过a u x r l 中的a i d l 位进 行选择。当a i d l 置位时，a o c 在空闲模式中有效，a i d l 清零时，a d c 在空闲模式中 关闭。a d c 包含一个d a c 将逐次逼近寄存器值转换成电压v 。与模拟输入电压v “比 较。比较器输出输入到逐次逼近控制逻辑对逐次逼近寄存器进行控制。通过置位 a d c o n 中的a d c s 位对转换进行初始化。a d c s 只能由软件置位。 当控制位a d c o n 5 ( a d e 曲= 0 时，选择软件启动模式。通过置位控制位 a d c o n 3 ( a d c s ) 启动转换。1 0 位转换完成时由控制位a d c o n 4 ( a d c i ) 标记。高8 位结 果保存在寄存器a d c h 剩下2 位保存在a d c o n 7 ( a d c 1 ) 和a d c o n 6 ( a d c 0 ) 中。控制位 a d c o n 0 , a d c o n 1 和a d c o n 2 用于控制一个模拟多路复用器以选择6 个模拟输入 通道之一 表3 - 3a d c 控制寄存器 765 432l0 a d c 1 a d c oa d e x删a d c sa 棚匕a a d r la a i ) r o 郑州大学硕士学位论文第三章程控逆变器的硬件设计 表3 - 4a d c 状态 矗d c i柏i c s 状态 0o a o c 空阏；可癌砖一次转换 ol a d c 靛；举穗密劝新的转糗 1o 转换完成；需要耨a d c i 靖零叛启动簧转换 ll 转换完成：需要将a i ) c i 满零i ；i 船动新转换 表3 - 5a d c 0 n 位描述 位 符号描述 7 a d c 1a d c 结果使l 6a d c ，0 a d c 缡聚l 芏0 5 像露将来之薨l 4 a d c i a d c 中断标志踱标志在a 转换结果可读出雌饕位。如果中麟使辘刘调用中 新。谈标志酊搬中断骓务程序清零。幽渡标卷髓位时，a 1 ) c 水能启动新转换。 a d c i 水能豳软件麓垃 3a d c s a d c 启动和捩卷鬻位谖位嵇动次a l d 转换。宅由软件越位。a d c 逻辑在 a d c 处理时确保璐麝号为藉。转抉缩寐寸，a d c $ 在中断标卷鬣拉睡囊鞠复位。 a d c $ 不辘由软件复位。尚a d c $ 或a d c i 为商对( 冤裘如) 。不艴盛确新的转 换 知聚a i ) c i 睦 软件请霉问时a d c s 鬣位，同一争邂递骑a i d 转换可镌会启动。 但是建议在邋位a d c s 之滴甍位a d c i 。 2 o a a d l 弛一 摸粗输入选样浚= 邀黜代鹦选择p i 口6 个攘歙镰入其中翦一个作为a 转挟 a a d r o 豢的输 。奴肖当a d c i 和a d c $ 都为0 时薄”越故变。 表3 - 6 选择模拟通道 豫2 豫1 豫0 选择蚋横拟漂遵 0oo a d c o p l 。) ool a d c i ( p 1 3 ) o1o a d c 2 ( p 1 4 ) 01l a d c s ( p i 。5 ) lo0 a d c 4 ( p 1 6 1 lo1 a d c 3 口l 。7 ) t 7 郑州大学硕士学位论文第三章程控逆变嚣的硬件设计 3 4 逆变输出模块设计 m o s 逆变桥是该程控逆变式磁粉探伤装置的重要组成部分，其功能是用单电源实 现交流和增大输出功率。 p 8 7 c 5 9 1 微处理器的四个输出端口输出两组方波信号，同一组的两路相位相反。 两组之间相位相差9 0 0 ，当工作在双路输出状态时可以产生近似的旋转磁场。每一组 方波信号控制一个m o s 逆变桥，使m o s 逆变桥输出方波电压带动负载。 d 九1 adr 1 1 b 图3 1 0m o s 逆变桥 以其中一路胁s 逆变桥为例，p o 2 和p o 3 是微处理器的输出管脚，这两路输入电 平极性始终保持相反的关系。当p o 2 为低电平时，左边光电耦合三极管导通，q o 导 通，q l 截止；p o 3 为高电平，右边光电耦合三极管截止，q 3 导通，q 2 截止。此时， 电源a 、q o 、负载、q 3 和地之间构成回路。反之，则q 1 和q 2 导通，流经负载的电流反 相。场效应管选取i r f s 4 0 和i 盱- 9 5 4 0 ，如下图所示： v d s b = - 1 0 0 v r o s ( o n 20 11 7 q i d = - 2 3 a 图3 - 1 1i r f 9 5 4 0 8 1 1 8 溶 g 一 郑州大学硕士学位论文第三章程控逆变器的硬件设计 v d s s = 1 0 0 v r o s ( o n ) 24 4 m q i d = 3 3 a 图3 1 2i r f 5 4 0 舶 图3 - 1 3i r f 9 5 4 0 和i r f 5 4 0 封装图 3 5 液晶显示模块设计 3 5 1l m 3 0 3 3 b 系列液晶显示模块介绍【1 0 l l m 3 0 3 3 b 系列液晶显示模块是深圳t o p w a y 公司生产的中文显示模块中的一 员。采用了台湾的s t 7 9 2 0 控制芯片，并提供了中文字库，为中文显示开发方面带 来了更多的方便。 该模块的主要特性有： 汉字显示：内置汉字字库、提供8 1 9 2 个1 6 x1 6 点阵汉字( 简体) 半宽字型显示：内置1 2 8 个1 6 8 点阵字符 绘图显示：绘图显示画面提供一个6 4x 2 5 6 点的绘图区域g d r a m 自定义字型显示：含c g r a m 提供2 组软件可编程的1 6 1 6 点阵造字功能 电源电压：5 v 单电源供电 郑卅l 大学硕士学位论文 第三章程控逆变器的硬件设计 显示分辨率：1 2 8 6 4 点 显示方式：s t n 、正显、半透 显示颜色：白底蓝字 驱动方式：l 3 3 d u t y 、1 5 b i a s 视角方向：6 点 通讯方式：8 位并行方式 工作温度：一2 0 计7 0 、存储温度：一3 0 - + 8 0 外行尺寸：9 3 0 x 7 0 0 1 3 6 m a x 该模块可满足系统便携低功耗的要求。 袁3 7 管黼号管脚名称 1v s s 2v 3n c 4 r s ( c s ， 5 r n , s i d ) 6 e ( s c l k ) 7 1 4d b 0 7 1 5 p s 8 1 6 n c 1 7r s t 1 8 1 9b l a 2 0b l k 液晶模块为白地蓝字，白色背光，强光下清晰显示，与微处理器采用8 位并行 接口连接方式，此时“p s b ”必须接高电平，在并行模式下由功能设定指令中的“d l ” 为来选择八位或四位接口方式( d l = i 为8 位接口方式) ，主控系统将配合控制信号 r w 、r s 、e 8 位数据线完成命令和数据的传送。 字符显示时，每屏可显示4 行8 列共3 2 个1 6 x 1 6 点阵的汉字，每个显示r a m 可显示1 个中文字符或2 个1 6 x 8 点阵全高a s c i i 码字符，即每屏最多可实现3 2 个 中文字符或6 4 个a s c i i 码字符的显示。内部提供1 2 8 x 2 字节的字符显示r a m 缓冲 区( d d r a m ) 字符显示是通过将字符显示编码写入该字符显示r a m 实现的。根据 2 0 郑州大学硕士学位论文 第三章程控逆变器的硬件设计 写入内容的不同，可分别在液晶屏上显示c g r o m ( 中文字库) 、h c g r o m ( a s c i i 码 字库) 及c g r a m ( 自定义字形) 的内容。三种不同字符字型的选择编码范围为： 显示自定义字型其代码分别是0 0 0 0 h 和0 0 0 2 h 共2 个，显示半宽a s ci i 码字符为 0 2 h 一7 f h ，a 1 a o h f 7 f f h 显示8 1 9 2 种g b 2 3 1 2 中文字库字形。字符显示r a m 在 液晶模块中的地址8 0 h 一9 f h 。字符显示的r a m 的地址与3 2 个字符显示区域有着 一一对应的关系，其对应关系如下表所示。 表3 8 8 0 h 8 1 h 8 2 h 8 3 h8 州8 5 h涮硎 弼h9 1 h9 2 h9 3 h 9 4 h9 蜊9 6 h9 7 h 8 酬8 洲8 h8 b h8 c hh 8 翻 8 f h 刚9 9 h3 a h弱h9 c h9 0 h9 e h9 f h 3 5 2l m 3 0 3 3 b 系列液晶显示模块与微处理器连接图 u 1 p 邸9 l 图3 1 4 液晶模块与微处理器连接图 注释：其中p 0 5 、p o 6 和p o 7 接上拉电阻增加驱动能力。 郑州大学硕士学位论文第三章程控逆变器的硬件设计 工作过程中显示两路电池电压值。功率等级和工作状态。欠压报警时显示电压 值和“电池电压低! l ” 3 6d s1 8 8 2 0 测温反馈模块设计 3 6 1d s l 8 8 2 0 简介1 1 d s l 8 8 2 0 是美国d a l l a s 半导体公司继d s l 8 2 0 之后最新推出的一种改进型智 能温度传感器。与传统的热敏电阻相比，他能够直接读出被测温度并且可根据实际 要求通过简单的编程实现9 1 2 位的数字值读数方式。可以分别在9 3 7 5 m s 和7 5 0 m s 内完成9 位和1 2 位的数字量，并且从d s l 8 8 2 0 读出的信息或写入d s l 8 8 2 0 的信息 仅需要一根口线( 单线接口) 读写，温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以 向所挂接的d s l 8 8 2 0 供电，而无需额外电源。因而使用d s l 8 8 2 0 可使系统结构更 趋简单，可靠性更高。他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较d s l 8 2 0 有了很大的改进，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。 d s l 8 2 0 的主要特性如下： 1 独特的单线接口方式：d s l 8 8 2 0 与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现 微处理器与d s l 8 8 2 0 的双向通讯。 2 在使用中不需要任何外围元件。 3 可用数据线供电，电压范围： 3 o - 5 5v 。 4 测温范围：- 5 5 - 1 2 5 。固有测温分辨率为0 5 。 5 通过编程可实现9 1 2 位的数字读数方式。 6 用户可自设定非易失性的报警上下限值。 7 支持多点组网功能，多个d s l 8 8 2 0 可以并联在惟一的三线上，实现多点测温。 8 负压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。 郑州大学硕士学位论文 第三章程控逆变器的硬件设计 3 6 2d s l 8 8 2 0 封装图 o n d , 地 d q ：数据输入，输出端( 单线接口可作寄生电源) v d d , 电源电压 图3 1 5d s l 8 8 2 0 封装图 3 6 3d s l 8 8 2 0 的硬件组成 主要有四部分组成： 1 6 4 位激光r o m ，从高位到低位依次由8 位c r c 、4 8 位序列号和8 位家族 代码( 2 8 h