以單片機(jī)PIC16LF873A為核心實(shí)現(xiàn)便攜式磁記憶檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)

工程中常采用無(wú)損檢測(cè)（Nondestructive Testing簡(jiǎn)寫(xiě)為NDT）的方法檢測(cè)設(shè)備與構(gòu)件的缺陷，傳統(tǒng)的NDT方法有超聲、渦流、磁粉、著色等。但這些方法只能檢測(cè)已經(jīng)發(fā)展成形的缺陷，對(duì)于因應(yīng)力集中而引發(fā)的疲勞斷裂的早期診斷問(wèn)題則無(wú)能為力。另一方面，傳統(tǒng)的NDT方法具有設(shè)備體積大、勞動(dòng)強(qiáng)度大、操作復(fù)雜、對(duì)人員素質(zhì)要求高等缺點(diǎn)，且每一種方法都有各自的局限性。為了及時(shí)準(zhǔn)確的對(duì)早期損傷特別是尚未成形的隱性不連續(xù)性變化進(jìn)行評(píng)價(jià)，就必須開(kāi)發(fā)出新的無(wú)損檢測(cè)方法。

1997年在美國(guó)舊金山舉行的第50屆國(guó)際焊接學(xué)術(shù)會(huì)議上，俄羅斯科學(xué)家提出被譽(yù)為21世紀(jì)的NDT新技術(shù)--金屬磁記憶（MMM）技術(shù)［3］.MMM檢測(cè)技術(shù)可以準(zhǔn)確探測(cè)出被測(cè)對(duì)象上以應(yīng)力集中區(qū)為特征的危險(xiǎn)部件和部位，是迄今為止對(duì)金屬部件進(jìn)行早期診斷唯一行之有效的NDT方法。與現(xiàn)有的漏磁檢測(cè)方法相比，磁記憶方法利用構(gòu)件或設(shè)備在地磁場(chǎng)中的自磁化現(xiàn)象而不需要專(zhuān)門(mén)的磁化設(shè)備，不須對(duì)被檢工件的表面進(jìn)行清理或其他預(yù)處理，提離效應(yīng)的影響很小，設(shè)備輕便、操作快速便捷、靈敏度高，重復(fù)性與可靠性好， 可快速確定應(yīng)力集中區(qū)域，適用于大面積的普查。本文采用PIC單片機(jī)，設(shè)計(jì)了高性?xún)r(jià)比的便攜式磁記憶檢測(cè)儀，具有低成本、低功耗和快速檢測(cè)等特點(diǎn)，可以滿足各種場(chǎng)合，特別是難以到達(dá)部位的應(yīng)力集中區(qū)檢測(cè)。

PIC單片機(jī)（Peripheral Interface Controller）是一種用來(lái)開(kāi)發(fā)的去控制外圍設(shè)備的集成電路（IC）。一種具有分散作用（多任務(wù)）功能的CPU.與人類(lèi)相比，大腦就是CPU，PIC 共享的部分相當(dāng)于人的神經(jīng)系統(tǒng)。PIC單片機(jī)有計(jì)算功能和記憶內(nèi)存像CPU并由軟件控制允行。然而，處理能力-存儲(chǔ)器容量卻很有限，這取決于PIC的類(lèi)型。但是它們的最高操作頻率大約都在20MHz左右，存儲(chǔ)器容量用做寫(xiě)程序的大約1K-4K字節(jié)。時(shí)鐘頻率與掃描程序的時(shí)間和執(zhí)行程序指令的時(shí)間有關(guān)系。但不能僅以時(shí)鐘頻率來(lái)判斷程序處理能力，它還隨處理裝置的體系結(jié)構(gòu)改變（1*）。如果是同樣的體系結(jié)構(gòu)，時(shí)鐘頻率較高的處理能力會(huì)較強(qiáng)。

磁記憶檢測(cè)

鐵磁性工件在受到應(yīng)力作用時(shí)，在應(yīng)力集中處會(huì)有漏磁場(chǎng)的切向分量出現(xiàn)最大值、同時(shí)法向分量改變符號(hào)且過(guò)零值點(diǎn)的現(xiàn)象。金屬磁記憶無(wú)損檢測(cè)技術(shù)正是根據(jù)這一現(xiàn)象探測(cè)出受力金屬部件上應(yīng)力集中部位。為從理論上解釋這一現(xiàn)象，本論文所做的主要工作和結(jié)論概括如下： 1.總結(jié)與磁記憶檢測(cè)技術(shù)相關(guān)的鐵磁學(xué)、金屬力學(xué)和電磁學(xué)的基本理論。磁記憶無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是專(zhuān)門(mén)針對(duì)受力鐵磁性材料實(shí)施早期診斷的新型無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，其檢測(cè)的范疇還是屬于電磁方法檢測(cè)，因此有關(guān)鐵磁學(xué)的基本理論、金屬的力學(xué)特性以及電磁特性等是研究磁記憶無(wú)損檢測(cè)的理論基礎(chǔ)，本論文針對(duì)有關(guān)這方面的一些基本知識(shí)作了簡(jiǎn)要的總結(jié)。 2.地磁場(chǎng)中受力鐵磁性材料有效場(chǎng)表達(dá)式的推導(dǎo)。本論文以材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)中常用的鐵磁性桿件作為研究對(duì)象，將其放置于地磁場(chǎng)中，受到應(yīng)力的作用。基于鐵磁性的唯像理論，根據(jù)分子場(chǎng)理論，利用有效場(chǎng)的概念，得到了地磁場(chǎng)中受應(yīng)力作用的鐵磁桿件的有效場(chǎng)表達(dá)式。 3.分子場(chǎng)參數(shù)表達(dá)式的推導(dǎo)。通過(guò)分析所研究試樣的能量組成，寫(xiě)出了試樣總能量表達(dá)式；根據(jù)能量最小原理，利用應(yīng)力、應(yīng)變之間的關(guān)系和磁致伸縮系數(shù)、磁應(yīng)變之間的關(guān)系，得到了分子場(chǎng)參數(shù)表達(dá)式。 4.磁記憶檢測(cè)機(jī)理的理論解釋。根據(jù)所得到的地磁場(chǎng)中受力鐵磁性材料有效場(chǎng)表達(dá)式，通過(guò)分析討論，解釋了受拉力作用的正磁致伸縮鐵磁材料和受壓力作用的負(fù)磁致伸縮材料在應(yīng)力集中處漏磁場(chǎng)切向分量出現(xiàn)最大值、同時(shí)法向分量為零值的現(xiàn)象。 5.仿真計(jì)算。為直觀地顯示上面的分析結(jié)果，利用Matlab計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編寫(xiě)程序進(jìn)行了仿真計(jì)算，作出了分布曲線圖。

磁記憶檢測(cè)儀的硬件設(shè)計(jì)

便攜式磁記憶檢測(cè)儀主要由傳感器、單片機(jī)、運(yùn)算放大器、LCD顯示器和相應(yīng)軟件組成（見(jiàn)圖1）。

便攜式磁記憶檢測(cè)儀以單片機(jī)PIC16LF873A為核心，用HMC1052兩軸磁阻傳感器檢測(cè)法向分量Hp（y）的X分量和Y分量，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大后，送單片機(jī)PIC16LF873A的A/D轉(zhuǎn)換通道，獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算得到Hp（y）值，送LCD顯示。為檢測(cè)方便，設(shè)置了兩個(gè)檢測(cè)通道，作為應(yīng)力集中線Hp（y）符號(hào)比較的依據(jù)。置位/復(fù)位電路對(duì)磁阻傳感器施加置位/復(fù)位電流，避免地球磁場(chǎng)對(duì)測(cè)量結(jié)果影響。

單片機(jī)采用PIC16LF873A，它有4KB FLASH 存儲(chǔ)器，192字節(jié)RAM、128字節(jié)EEPROM、10位A/D轉(zhuǎn)換器等，幾乎不需要外圍擴(kuò)展電路就可以直接使用。RA口設(shè)置成A/D轉(zhuǎn)換功能，用于處理雙通道磁阻傳感器信號(hào)。RB口的中斷功能用于鍵盤(pán)處理，設(shè)有校驗(yàn)、置位/復(fù)位、通道1、通道2和ON/OFF5個(gè)功能鍵。RC口中的六個(gè)引腳，用于LCD顯示器控制。采用兩個(gè)SMS0801B兩線制串行LCD顯示器，電源由單片機(jī)RC口的一個(gè)引腳供電，這樣便于對(duì)LCD顯示器控制，降低系統(tǒng)功耗。顯示器可以顯示每個(gè)通道的磁場(chǎng)強(qiáng)度（單位是Gs）、鍵盤(pán)信息、電池電壓低和超量程等信息。EEPROM用于保存修正值。

磁阻傳感器HMC1052

磁阻傳感器HMC1052是利用磁原理，測(cè)量工件表面散射磁場(chǎng)法向分量Hp（y）沿坐標(biāo)X-Y分量，通過(guò)數(shù)值計(jì)算、誤差校正，得到Hp（y）值。HMC1052是一個(gè)雙軸線性磁傳感器，每個(gè)傳感器有一個(gè)由磁阻薄膜合金組成的惠斯通橋。當(dāng)橋路加上供電電壓，傳感器將磁場(chǎng)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電壓輸出。其輸出電壓以電源電壓的一半為基準(zhǔn)。磁場(chǎng)范圍是±6Gs，靈敏度是1.0mV/V/Gs。HMC1052包含兩個(gè)敏感元件，其敏感軸X和Y互相垂直。HMC1052采用10引腳小型表貼封裝，尺寸只有3mm×3mm×1mm。

磁阻傳感器外圍電路

磁阻傳感器在制造過(guò)程中，選定沿著薄膜長(zhǎng)度方向?yàn)檩S，當(dāng)玻膜合金薄膜受到強(qiáng)磁場(chǎng)干擾時(shí)（大于20Gs）薄膜磁化極性會(huì)受到破壞，對(duì)這個(gè)磁場(chǎng)需要對(duì)傳感器施加一個(gè)瞬態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)來(lái)恢復(fù)或保持傳感器特性，這個(gè)過(guò)程需要一個(gè)置位或復(fù)位脈沖。圖2中S/R+和S/R-就是用于置位的元件，其標(biāo)準(zhǔn)阻值是4Ω。

圖2中Q1、C2、C3、R11、R12構(gòu)成簡(jiǎn)單的置位電路，可以為HMC1052提供大電流脈沖。用單片機(jī)完成電路的控制。當(dāng)SET/RESET輸出低電平時(shí)，Q1截止，C2充電到VCC，C3放電到0V。當(dāng)SET/RESET輸出由低到的高電平時(shí)，R12和C3使Q1導(dǎo)通，由C2、Q1和HMC1052的S/R+（6引腳）S/R-（8引腳）間電阻構(gòu)成回路，形成大約0.5A的置位脈沖，脈沖寬度約2μs。SET/RESET輸出由高到低的時(shí)候，由R11限流形成復(fù)位脈沖。為節(jié)省電池能量，置位/復(fù)位電路每十分鐘工作一次。電路以一種倒轉(zhuǎn)的方式改變傳感器輸出極性，即驅(qū)動(dòng)置位脈沖讀數(shù)一次，在驅(qū)動(dòng)復(fù)位脈沖讀數(shù)一次，兩次讀數(shù)相減可以消除因溫度漂移和電路參數(shù)等共模信號(hào)造成的影響，從而得出一個(gè)與絕對(duì)磁場(chǎng)成正比例的輸出。

Q2和R13是數(shù)據(jù)采集通道的電源控制電路，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，雙通道的控制分別進(jìn)行，輪流檢測(cè)。

工件應(yīng)力集中區(qū)的磁場(chǎng)法向分量Hp的變化，將引起傳感器輸出電壓的變化。HMC1052的4、10引腳輸出磁場(chǎng)Hy坐標(biāo)（X-Y）中測(cè)量方向（Y軸）的電壓變化。2、7引腳輸出磁場(chǎng)Hy坐標(biāo)（X-Y）中左右方向（X軸）的電壓變化。便攜式磁記憶檢測(cè)儀測(cè)量的Hp磁場(chǎng)范圍為±5Gs。HMC1052的靈敏度是1.0mV/V/Gs。當(dāng)傳感器的電源電壓為3V時(shí)，任何電橋上最大的輸出電壓是：±5（Gs）×1.0（mV/V/Gs）×3（V）=±15mV。

本電路采用MCP6042低電壓、低功耗雙運(yùn)算放大期。要使電壓對(duì)應(yīng)單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器模擬輸入端0到3V的電壓范圍，需要放大200倍。電阻R2、R3、R7和R9用于設(shè)置放大倍數(shù)。輸入電阻應(yīng)是橋路電阻的4-10倍。選擇1KHz帶寬，則電容C1為150P，防止EMI/RFI干擾。經(jīng)放大的模擬電壓送單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器，其中Y-OUT表示磁場(chǎng)的測(cè)量方向Y分量，X-OUT表示磁場(chǎng)的X分量。

便攜式磁記憶檢測(cè)儀在電源電壓和功耗上要求苛刻，為了降低功耗，采用以下措施：

·所有集成電路都選擇低工作電壓和低功耗芯片。

·盡量減少使用外圍元器件，PIC16LF873A外圍功能強(qiáng)大，比其他系列單片機(jī)使用的元件少。

·低工作電壓、低振蕩時(shí)鐘（采用4MHz）。

·采用低功耗LCD顯示器，電源由單片機(jī)提供，需要顯示時(shí)才供電。

·信號(hào)通道單獨(dú)供電，需要測(cè)量時(shí)再供電。

·采用單片機(jī)“睡眠”功能，不測(cè)量時(shí)處于睡眠狀態(tài)。所有輸入引腳保證有確定電平，輸出引腳以不向外圍電路提供電流為準(zhǔn)則。

·關(guān)閉RB口中斷“弱上拉電阻”，有按鍵時(shí)高電平中斷。

實(shí)驗(yàn)證明，采用以上設(shè)計(jì)方式，電池電壓為3.6V時(shí)，便攜式磁記憶檢測(cè)儀的靜態(tài)功耗小于85μA。

磁記憶檢測(cè)儀的軟件設(shè)計(jì)

軟件是便攜式磁記憶檢測(cè)儀另一個(gè)核心部分，主要完成系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、鍵盤(pán)處理和校驗(yàn)等功能。

·主程序：完成系統(tǒng)的初始化工作，進(jìn)行各傳感器的置位和復(fù)位，然后進(jìn)入睡眠狀態(tài)。

·通道按鍵中斷服務(wù)子程序：向檢測(cè)數(shù)據(jù)通道供電，采集Y數(shù)據(jù)和X數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)，法向分量Hp與X、Y數(shù)據(jù)的關(guān)系是：Hp=√X2+Y2。Hy的符號(hào)與測(cè)量基準(zhǔn)方向Y的符號(hào)相同。對(duì)PIC16LF873A單片機(jī)，10位A/D轉(zhuǎn)換器0Gs對(duì)應(yīng)1.5V電壓和數(shù)字量為512，+5Gs對(duì)應(yīng)

3V電壓和數(shù)字量為1023，-5Gs對(duì)應(yīng)0V電壓和數(shù)字量為0。每個(gè)數(shù)字對(duì)應(yīng)電壓2.9mV和9.765mGs。Hy值的符號(hào)與Y分量符號(hào)相同。數(shù)字量≥512的數(shù)據(jù)，進(jìn)行以下運(yùn)算：實(shí)際數(shù)據(jù)=（Y數(shù)據(jù)-512）×0.009765Gs-修正值。數(shù)字量≤512的數(shù)據(jù)，進(jìn)行以下運(yùn)算：實(shí)際數(shù)據(jù)=-（511-Y數(shù)據(jù)）×0.009765Gs-修正值。LCD顯示器可以顯示8位數(shù)字，最高顯示位為Hp符號(hào)，有效數(shù)字是7位?？梢赃B續(xù)測(cè)量，直到再一次按鍵，返回主程序。

·校驗(yàn)按鍵中斷服務(wù)子程序：將傳感器置于磁屏蔽中，各通道測(cè)量出0Gs值，將測(cè)量結(jié)果作為修正值存入EEPROM中。

實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)方式：便攜式磁記憶檢測(cè)儀與俄羅斯TSCM-2FM應(yīng)力集中檢測(cè)儀同時(shí)對(duì)工件相同點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)，便攜式磁記憶檢測(cè)儀的檢測(cè)結(jié)果如表1。

應(yīng)力集中線的位置與俄羅斯TSCM-2FM應(yīng)力集中檢測(cè)儀檢測(cè)的結(jié)果相同。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，便攜式磁記憶檢測(cè)儀可以實(shí)時(shí)顯示被測(cè)工件的磁場(chǎng)Hp值的大小和符號(hào)，雙通道配合使用，磁感應(yīng)強(qiáng)度為零的連接線為應(yīng)力集中線。

結(jié)語(yǔ)

基于PIC16LF873A單片機(jī)的便攜式磁記憶檢測(cè)儀，具有成本低、功耗低、精度高、體積小和使用方便等特點(diǎn)，對(duì)操作人員無(wú)專(zhuān)業(yè)計(jì)數(shù)要求。特別適用于在工件結(jié)構(gòu)復(fù)雜窄小的環(huán)境使用。便攜式磁記憶檢測(cè)儀是一款性能價(jià)格比很高的磁記憶檢測(cè)儀器，在石油、化工、冶金、機(jī)械、鐵路、建筑、橋梁和航空等部門(mén)的無(wú)損檢測(cè)中具有十分廣闊的前景。