谢文英：车轴(车轮)磁粉探伤系统设计.doc

华东交通大学课程设计华 东 交 通 大 学(测控系统课程设计报告)姓名：谢文英学院：机电工程学院专业：测控技术与仪器班级：测控2008-1学号：20080310110104题目：车轴（车轮）磁粉探伤系统设计指导教师: 李鹏目录测控系统设计课程设计任务书2一、序言4二、方案设计42.1设计方案的选择42.2磁粉探伤的设计原理52.3电路设计（硬件）52.3.1 磁化方法52.3.2 检测模块62.3.3 放大模块62.3.4 A/D模块72.3.5 显示模块72.4软件设计8三、仿真及实验调试123.1电路仿真123.2 试验调试123.2.1放大模块123.2.2 A/D模块及显示模块12四、心得体会13五、参考文献14六、附录15附录一 总电路图15附录二 电路仿真图16附录三 实物图17附录四 程序代码18测控系统设计课程设计任务书一、 总要求能够独立进行系统方案的设计及论证，设计合理的接口电路、控制电路、主机电路等，以及合理选择有关元器件及正确使用相关工具与仪器设备，设计接口程序、控制算法程序以及主程序等，并且能结合实际调试与实验进行有关精度分析与讨论。二、 总任务针对总要求进行原理及方案论证、系统设计、接口电路设计、焊接或插接与调试、控制与系统程序设计、精度分析以及撰写报告等工作。三、 设计题目车轴（车轮）磁粉探伤系统设计四、设计内容1、选用合适元件设计漏磁测量系统2、设计信号处理电路，与微机接口电路3、绘制电路原理图，进行实验室调试五、设计进度或计划1、准备及查阅资料 一天2、方案设计及论证（总体方案、硬件及软件方案） 二天3、 硬件电路设计、画图（PROTEL）及实验室调试 四天4、软件设计、编程及调试 三天5、系统联调及结果分析 二天6、整理报告及准备答辩 二天六、设计说明书包括的主要内容1、目录2、设计任务书3、设计题目4、序言可包括系统工作原理的介绍等。5、 方案设计及论证：可先进行总体方案设计与论证；再分模块进行方案设计与论证；各模块设计中应包括适当的精度分析及选型等。6、 实验或系统调试可包括实验调试工具仪器、实验结果及适当的分析等。7、 心得体会8、 主要参考文献另：撰写格式应符合一定的要求，请参照华东交通大学本科生毕业论文撰写规范进行。可参看撰写要求。七、考核方法考核根据学生平时学习态度（含出勤率）20%、设计完成情况（样机）50%、图纸及说明书质量（含答辩）30%等确定。八、装定要求装入统一的资料袋中，报告装定好，顺序：封面，目录，设计任务书，正文，参考文献，附录等。一、 序言机车车辆的车轴（车轮）承受着很大的动态应力，随着新型机车的功率参数和现代列车行车速度的普遍提高，车轴（车轮）承受的应力也越来越大。因此，对车轴（车轮）的可靠性和检验的要求也相应提高。磁粉探伤的原理：将待测物体置于强磁场中或通以大电流使之磁化，若物体表面或表面附近有缺陷（裂纹、折叠、夹杂物等）存在，由于它们是非铁磁性的，对磁力线通过的阻力很大，磁力线在这些缺陷附近会产生漏磁。当将导磁性良好的磁粉（通常为磁性氧化铁粉）施加在物体上时，缺陷附近的漏磁场就会吸住磁粉，堆集形成可见的磁粉迹痕，从而把缺陷显示出来。磁粉探伤的优点是：对钢铁材料或工件表面裂纹等缺陷的检验非常有效;设备和操作均较简单;检验速度快，便于在现场对大型设备和工件进行探伤；检验费用也较低。缺点是：仅适用于铁磁性材料；仅能显出缺陷的长度和形状，而难以确定其深度；对剩磁有影响的一些工件，经磁粉探伤后还需要退磁和清洗。在工业中，磁粉探伤可用来作最后的成品检验，以保证工件在经过各道加工工序（如焊接、金属热处理、磨削）后，在表面上不产生有害的缺陷。它也能用于半成品和原材料如棒材、钢坯、锻件、铸件等的检验，以发现原来就存在的表面缺陷。铁道、航空等运输部门、冶炼、化工、动力和各种机械制造厂等，在设备定期检修时对重要的钢制零部件也常采用磁粉探伤，以发现使用中所产生的疲劳裂纹等缺陷，防止设备在继续使用中发生灾害性事故。二、 方案设计2.1设计方案的选择一般来说，磁粉探伤主要是根据磁粉痕迹来判断工件的缺陷情况，用肉眼来判别，或者采用CCD摄像的方法，进行图像处理等手段来判别。显然，对于车轴（车轮）的探伤，仅由肉眼来判别是不够的，也是不现实的；而CCD摄像法也是不大可能的，一是时间较短，难度大，二是实验室条件有限。综合各方面考虑，我们的设计采用霍尔传感器检测漏磁场的强度变化，产生对应霍尔电动势（即电压）的变化，通过对电信号进行一系列处理，分析得出结论。2.2磁粉探伤的设计原理在本设计中，由于被检测对象是车轴（车轮），其本身不具有磁性，因此，我们先要对其进行磁化处理，然后在用霍尔传感器进行漏磁场检测，对传感器输出的电信号进行放大处理，A/D转换，最后由LCD显示。该设计的系统方框图如图1所示，设计的电路见附录一。放大电路霍尔传感器磁化装置车轴（车轮）LCD显示51单片机A/D转换电路图1 磁粉探伤系统方框图2.3电路设计（硬件）2.3.1 磁化方法磁化法有周向、纵向、复合三种磁化方法。由于周向、纵向磁化都存在各自的局限性，我们采用复合磁化方法。在本设计中，周向磁化采用直接通电法，纵向磁化采用线圈法，如图2、图3所示。周向磁化电流的选择：采用交一直流全轴复合磁化法或直接通电法时，周向磁化电流按下列公式计算： （1）式中I电流强度（A）； H磁场强度（A/m），H取2.551033.18103 D车轴最大直径（mm）。纵向磁化电流的选择：纵向磁化电流依据纵向磁场与周向磁场相匹配的原则进行选择，可按如下方法进行确定：纵向磁化采用分散式线圈法时，磁化电流（有效值）为： （2）式中I电流强度（A）； N线圈匝数图2 周向磁化图3 纵向磁化 2.3.2 检测模块SS49E线性霍尔电路由电压调整器，霍尔电压发生器，线性放大器和射极跟随器组成，其输入是磁感应强度，输出是和输入量成正比的电压。静态输出电压（B=0GS）是电源电压的一半。S磁极出现在霍尔传感器标记面时，将驱动输出高于零电平；N磁极将驱动输出低于零电平；瞬时和比例输出电压电平决定与器件最敏感面的磁通密度；提高电源电压可增加灵敏度。其各参数如表1所示。 产品特点：体积小、精确度高、灵敏度高、线性好、温度稳定性好、可靠性高。将多个SS49E排列在车轴（车轮）表面，进行多方位信息采集。 表1 SS49E参数规格供电电压消耗电流输出电压高斯灵敏度（在 -400 至 +400 高斯测量范围内）SS49E4 10VDC4mA （典型值）1.75 2.25V5V,250.60-1.25mV/guass2.3.3 放大模块采用LM324来实现，通过调节相应电阻的大小来改变放大倍数。根据传感器输出的电压大小，我们将其放大两倍显示，具体的电路设计如图4所示。图4 LM324放大电路图2.3.4 A/D模块该部分采用的是ADC0832芯片，简单方便，容易实现。主要技术指标：（1） 8位分辨率，逐次逼近型。（2） 5V电源供电时，基准电压为5V，输入模拟电压范围为05V。（3） 输入和输出电平与TTL和CMOS兼容。（4） 有两个可供选择的模拟输入通道。（5） 在250KHz时钟频率时，转换时间为32s。（6） 一般功耗仅为15mW。2.3.5 显示模块在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点：（1）显示质量高由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。（2）数字式接口液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。（3）体积小、重量轻液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。（4）功耗低相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。因此，我们选用LCD1602字符型液晶显示器作为我们的显示器件。1602字符型液晶显示模块是专门用于显示字母、数字、符号等的点阵型液晶显示模块,可显示2行，每行16个字符。分4位和8位数据传输方式。1602字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的两条线是背光电源线，VCC（15脚）和地线GND（16脚），其控制原理与14脚的LCD完全一样。其管脚图如图4所示，管脚功能如表2所示。 表2 LCD1602管脚功能显示容量16*2个字符芯片工作电压4.55.5V工作电流2.0mA(5.0V)模块最佳工作电压5.0V字符尺寸2.95*4.35(WXH)mm图5 LCD1602管脚图2.4软件设计根据LCD1602的读、写操作时序（如图6、7所示）等特性，编写流程图，包括主程序、液晶模块和电压显示三部分流程图，分别如图8、9、10所示，具体的程序如附录三所示。1602LCD的一般初始化（复位）过程：延时15mS写指令38H（不检测忙信号）延时5mS写指令38H（不检测忙信号）以后每次写指令、读/写数据操作均需要检测忙信号写指令38H：显示模式设置写指令08H：显示关闭写指令01H：显示清屏写指令06H：显示光标移动设置写指令0CH：显示开及光标设置当RS=0,R/W=1时,为可读状态。当E=1时才允许读写，当各条件都满足时，开始读取数据。当RS=0,R/W=0时,为可写状态。当E=1时才允许读写，当各条件都满足时，开始写入数据。图6 读操作时序图7 写操作时序主程序：首先设置存储值，对LCD进行初始化，然后调用显示函数，获取A/D转换值，在进行计算，得到整数、小数部分的值，如此循环。液晶模块：先定义各引脚，延时一定时间，给其一定反映时间，再判断液晶模块是否忙碌，忙就再延时若干毫秒，否则调用写函数。指定好字符显示的地址，将数据写入液晶模块。图9液晶模块流程图图8 主程序流程图开始开始设置存储值调用液晶初始化函数等待5毫秒调用电压显示函数进行A/D转换计算小数部分计算整数部分定义引脚延时1毫秒调用函数延时若干毫秒调用写函数指定字符显示的实际地址液晶模块显示延时250毫秒返回液晶模块忙碌状态？对LCD的显示模块进行初始化设置将数据写入液晶模块返回YN电压显示：先设置参数，写入显示地址，判断是否写到结束标志，不是的话就继续写，写完后再将字符写入LCD，然后调用各显示函数，将模拟信号转换成数字信号。开始设置参数写显示地址将字符写入LCD调用显示电压小数点的函数写到结束标志显示电压的整数部分调用函数显示电压的单位将模拟信号转换成数字信号返回YN显示电压的小数部分图10电压显示流程图三、 仿真及实验调试由于实验室条件有限，不可能给我们提供车轴（车轮）让我们进行检测，因此在实验调试这一模块中，我们都是用电压模拟信号，通过滑动变阻器来改变电压的大小，以模拟信号的变化。3.1电路仿真利用Protuse进行仿真，将所写的程序进行Keil软件处理，转换成.hex文件，并加入到89S51单片机中。开始放大模块用的是OP07，但是不管怎么调整还是不理想，不能显示正确的放大电压，后来改为AD620还是不行。经过多番修改，最终用来LM324，运行仿真成功。具体仿真结果如附录二所示。此外，还发现在仿真用总线进行连接，其误差会增大，而且随着放大倍数的增加，误差也会增大。3.2 试验调试3.2.1放大模块这一部分的调试，关键在于要一点接地。LM324本身需要供电才能工作，其供电和输入的设备不是同一仪器，因此需要有一个公共的参考点，即把各个地接在一起。还有就是，输入、输出的电压的大小都是对地而言的，那么在这也有个地，必须接在一起，统一标准。3.2.2 A/D模块及显示模块首先将程序烧入单片机中，然后根据电路图连接好电路，供电，发现LCD不显示，用万用表检查单片机各个引脚的输出电压，都是高电平，分析，发现程序没跑。于是重新烧程序，这还是需要运气的，因为那个烧程序的总是接触不良，有时单片机的引脚又出问题，检测不到。程序烧好后，重新接入，可还是不亮，觉得很是奇怪。我们用的整个电路板开始有同学用了是好的，所以这一块应该不会有问题，LCD是好的，板上的接线也是没问题的。我们用的是+5V的电压输入供电，输入信号电压用滑动变阻器分压处理，找来找去还是没发现问题，折腾了一上午，后来在同学的建议下，我们采用USB接口供电，奇迹发生了，LCD亮了，而且正确的显示了电压大小。后来重新接的时候，问题又出现了，只能显示0V，怎么都改不动，用万用表测单片机引脚电压，有些高电平，有些低电平，没办法只能重新烧了一遍程序，可结果是只显示5V。慢慢找才发现原来滑动变阻器的接法出了点问题，加上一根导线后好了。测得输入端的电压为1.99V，LCD显示的为2.03V，误差不是很大，这个实物算是成功了。看来这个接线什么的都要好小心，看似不起眼的往往就会被忽视。四、 心得体会三周的课程设计即将结束，感慨万分啊！回想上学期的传感器课程设计，真是幸福多了。那时选的题目较容易，只是有简单的一点电路图，没用到单片机，设计的内容也不多。不过难的也又难的好处，可以学到更多的东西。首先，人需要一定的压力，才会有动力。刚开始老师明明说了选题的大致分类，可是还没等到我选的时候，那些所谓的易题早已被选完了，当时心里好火。可是没办法啊，只能迎难而上了。开始的那一周里，每天都是上午待实验室，下午早早的就去参加招聘会了，晚上回来要么就是写作业，要么就是去上课，天天忙个不停，一边担心找不到工作，一边又急着担心课设的事。查了很多资料还是没有确定好方案，后来在老师的压力下，我们终于将方案定下来了，虽然不知道其可行性，但至少定了。每天早上都要开例会，使得每天要早起，其实大家并不是起不来，而是如果没人管，没压力，就没那动力起来，就像要是不做课设，我们平时哪里会去看书，动手学东西。其次，学会了更多的查资料方法，懂得了更多。以前的我，只知道百度，Google等几种普遍的搜资料方法，重来都不会利用图书馆的资源，通过这次课设对这方面加强了了解。由于要用到单片机，LCD等元件，发现自己掌握的知识几近为零啊。于是看书，找资料，对单片机有了而更深的印象。开始的我对Protuse一无所知，从来没用过，只听同学说是很好用的仿真软件，通过这次课设，我已经能较熟练的使用了，挺高兴的。本来C语言的知识早忘得一干二净，这次课设我们把知识重新拾取，加深印象的同时也锻炼了我自学的能力。在这过程中我发现，男生的接受能力、动手能力真的好强，他们的脑子很好用，平时学习成绩一般的同学，在做课设时都能很快的运用所学知识。然后，要敢于放弃，尝试新方法。最初我们选用的显示元件是四显示数码管LED，A/D转换用的是ADC0804，原理图、程序、仿真等各个环节都OK了，可是，在我们接好电路图以后，经过两天多的时间奋斗，还是没能把它调试出来。在这过程中，老师都有来帮忙，尽管如此还是没能找到真正的问题所在，在那纠结了老半天，最终我们决定，如果晚上还调不出来，就放弃。第二天，我们毅然的放弃了原有方案，改用ADC0832芯片转换，LCD显示。结果我们成功了，让我觉得有时为了达到目的，应该果断的放弃，做更好的选择。最后，要加强交流，多向同学学习，寻求帮助。经过这么长时间的接触，一起找工作，一起课设，跟许多同学变得更熟悉了，增进了同学之间的友谊。在整个过程中，其实好多东西都不会，看到有类似的就会相互学习，相互借鉴，少走了不少弯路。比如，好多人都要用到A/D转换和数码管显示，于是都会相互问一下用什么芯片比较好，程序如何设计，以及如何判断数码管是共阳极还是共阴极，如何检查是好是坏等，直接由同学传授比自己看资料学习效率高多了。眼看到验收成果的时候了，有悲有喜啊。悲的是时间紧，担心能不能过，喜的是这艰难的日子就要到头了。正如老师说的：“因果报应！”平时不怎么努力，到现在急也没用。总之，通过这次课设，对单片机等有一定的了解，学到了很多东西，明白书本上的知识看着是容易，可要真正运用时，方知难啊，学到的只是一些皮毛。同时，也让我明白，无论做什么事，都要主动点，当日事当日毕。还有就是要细心，耐心，有毅力，更要有信心！这段时间里，大家都辛苦了。在这里要特别感谢曹青松、李鹏两位老师的指导！还有就是感谢在这过程中帮过我们的同学！谢谢你们了！五、 参考文献1 李国华，张永忠.机械故障诊断M.化学工业出版社.20042孙传友，孙晓斌.测控系统原理与应用（第2版）M.北京航空航天出版社.20103 王雪梅.无损检测技术及其在轨道交通中的应用M.西南交通大学出版社.20104 和卫星，李长杰，王少华.电子电路CAD实用技术M.中国科学技术大学出版社.2010.8-575 谭浩强.C程序设计教程M.清华大学出版社.2008六、 附录附录一 总电路图附录二 电路仿真图附录三 实物图附录四 程序代码#include /包含单片机寄存器的头文件#include /包含_nop_()函数定义的头文件sbit CS=P34; /定义引脚sbit CLK=P10; sbit DIO=P11; unsigned char code digit10=0123456789; /定义字符数组显示数字unsigned char code Str=Volt=; /说明显示的是电压/*以下是对液晶模块的操作程序*/sbit RS=P20; /寄存器选择位，将RS位定义为P2.0引脚sbit RW=P21; /读写选择位，将RW位定义为P2.1引脚sbit E=P22; /使能信号位，将E位定义为P2.2引脚sbit BF=P07; /忙碌标志位，将BF位定义为P0.7引脚/*函数功能：延时1ms(3j+2)*i=(333+2)10=1010(微秒)，可以认为是1毫秒*/void delay1ms() unsigned char i,j; for(i=0;i10;i+) for(j=0;j33;j+) ; /*函数功能：延时若干毫秒入口参数：n*/ void delaynms(unsigned char n) unsigned char i;for(i=0;in;i+) delay1ms(); /*函数功能：判断液晶模块的忙碌状态返回值：result。result=1，忙碌;result=0，不忙*/bit BusyTest(void) bit result;RS=0; /根据规定，RS为低电平，RW为高电平时，可以读状态 RW=1; E=1; /E=1，才允许读写 _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); /空操作四个机器周期，给硬件反应时间 result=BF; /将忙碌标志电平赋给result E=0; return result; /*函数功能：将模式设置指令或显示地址写入液晶模块入口参数：dictate*/void WriteInstruction (unsigned char dictate) while(BusyTest()=1); /如果忙就等待 RS=0; /根据规定，RS和R/W同时为低电平时，可以写入指令 RW=0; E=0; _nop_(); _nop_(); P0=dictate; /将数据送入P0口，即写入指令或地址 _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); E=1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); E=0; /当E由高电平跳变成低电平时，液晶模块开始执行命令 /*函数功能：指定字符显示的实际地址入口参数：x*/ void WriteAddress(unsigned char x) WriteInstruction(x|0x80); /显示位置的确定方法规定为80H+地址码x /*函数功能：将数据(字符的标准ASCII码)写入液晶模块入口参数：y(为字符常量)*/ void WriteData(unsigned char y) while(BusyTest()=1); RS=1; /RS为高电平，RW为低电平时，可以写入数据 RW=0; E=0; P0=y; /将数据送入P0口，即将数据写入液晶模块 _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); E=1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); E=0; /当E由高电平跳变成低电平时，液晶模块开始执行命令 /*函数功能：对LCD的显示模式进行初始化设置*/void LcdInitiate(void) delaynms(15); /延时15ms，首次写指令时应给LCD一段较长的反应时间 WriteInstruction(0x38); /显示模式设置：162显示，57点阵，8位数据接口delaynms(5); /延时5ms，给硬件一点反应时间 WriteInstruction(0x38);delaynms(5); WriteInstruction(0x38); /连续三次，确保初始化成功delaynms(5); WriteInstruction(0x0c); /显示模式设置：显示开，无光标，光标不闪烁delaynms(5); WriteInstruction(0x06); /显示模式设置：光标右移，字符不移delaynms(5); WriteInstruction(0x01); /清屏幕指令，将以前的显示内容清除delaynms(5); /*以下是电压显示的说明*/*函数功能：显示电压符号*/ void display_volt(void) unsigned char i; WriteAddress(0x03); /写显示地址，将在第2行第1列开始显示 i = 0; /从第一个字符开始显示 while(Stri != 0) /只要没有写到结束标志，就继续写 WriteData(Stri); /将字符常量写入LCD i+; /指向下一个字符/*函数功能：显示电压的小数点*/ void display_dot(void) WriteAddress(0x09); /写显示地址，将在第1行第10列开始显示 WriteData(.); /将小数点的字符常量写入LCD/*函数功能：显示电压的单位(V)*/ void display_V(void) WriteAddress(0x0c); /写显示地址，将在第2行第13列开始显示 WriteData(V); /将字符常量写入LCD/*函数功能：显示电压的整数部分入口参数：x*/ void display1(unsigned char x)WriteAddress(0x08); /写显示地址,将在第2行第7列开始显示WriteData(digitx); /将百位数字的字符常量写入LCD /*函数功能：显示电压的小数数部分入口参数：x*/ void display2(unsigned char x) unsi