电焊机电压电流参数在线式采集系统设计

2018-11-29庞立

船电技术 2018年11期

庞立

电焊机电压电流参数在线式采集系统设计

庞立

（海洋石油工程（青岛）有限公司，山东青岛 266520）

本文针对电焊机主机上电压电流参数在进行焊接过程中不易观测和存储的问题，以STM32F103 ARM为核心控制器设计了一种在线式电焊机电压电流参数的采集系统，可以实时的采集记录电压和电流值，并通过蓝牙无线传输将数据显示在LCD上。实验结果证实本设计可以对电焊机的电压电流参数进行准确、实时、便携的采集记录。

电压电流在线式采集

0 引言

焊接工艺评定试验是船舶与海洋工程焊接工艺规程文件编制中非常重要的部分，为了保证焊接质量，需要做焊接评定试验。焊接评定试验时需要采集焊接过程中电压、电流等焊接参数，作为焊接工艺规程制作的评定依据。电焊机主机带有指针式的电流电压表，现场工作环境中，通常主机离焊接件较远，电焊工人进行电焊操作时，焊接工程师观测主机的电流电压表非常不便利。目前的测量方式为人工使用钳形万用表单次测量单个参数，整个试验过程效率较低，花费的时间及人力较多。本文设计的电焊机电压电流参数在线式采集系统可以在线同时采集电焊机的电压和电流值，数字式显示，并具有存储功能便于后期的技术校验及数据对比，大大缩短了测量的时间，提高了工作效率。

1 系统组成

本系统由采集模块和显示模块两部分组成。采集模块主要完成电焊机电压和电流信号的采集，处理功能。显示模块主要完成电压和电流信号的显示、存储功能。采集模块和显示模块均使用STM32F103 ARM作为其核心控制器[1]。采集模块包括控制器、电压传感器、电流传感器、蓝牙及外围处理电路。显示模块包括控制器、LCD显示器，蓝牙、内存卡及外围处理电路。两个模块通过蓝牙进行数据的无线传输。如图1所示。

采集模块的电流采集选择LEM公司的LT1005-S闭环霍尔电流传感器，电压采集选择LEM公司的LV28-P闭环霍尔电压传感器，如表1所示[2,3]。

图1 系统结构框图

表1 传感器参数数据表

LEM公司的这两款传感器具有精度高、线性度好、低温漂、抗外界干扰能力强、反应速度快等优点，满足本设计的要求。电流传感器和电压传感器输出的微小电流信号经过电流/电压转换、放大、滤波后转成0~3 V的电压信号输入到ARM的A/D接口，进行数据的处理。处理后的数据通过蓝牙或者RS485传输到显示模块中。

2 硬件电路设计

2.1 ARM控制器

本设计采用STM32F103 ARM作为采样模块和显示模块的核心控制器，其最小系统图如图2所示。ARM工作频率可高达72 MHz，SRAM高达20 K字节；2.0~3.6 V供电和I/O引脚；2个12位模数转换器，转换时间1 µs，转换电压范围0~3.6 V；多达7个定时器和9个通信接口；串行单线调试SWD和JTAG接口，便于在线仿真和程序下载。上述的ARM性能可以满足本设计的要求，本设计中所使用到的I/O口及功能如表2所示。

2.2 霍尔电压传感器

LV28-P是应用霍尔原理的闭环电流传感器，测量范围为0～±14 mA，最大测量电压700 V，转换率是2500: 1000。直流电压采样及调理电路如图3所示。LV28-P原边配置原边电阻1，为保证传感器的高线性度及测量精度，设计原边被测电流取原边额定电流的0.85倍。若被测直流电压是500 V，则原边电阻值1计算为：

1=500/(0.85×10)=58.83 kΩ

图2 STM32F103C8T6最小系统图

表2 ARM I/O口及功能表

LV28-P输出的信号经过TLV2374调理电路的放大、滤波后转成0~3 V的电压信号输入到ARM的A/D接口，进行数据的处理。

2.3 霍尔电流传感器

LT1005-S是基于霍尔效应的闭环电流传感器，其传感器电路与被测电路是隔离的，对被测电路的影响可以忽略不计。可以测量直流、交流及脉动电流。当原边导体的电流发生变化时，霍尔电流也发生变化，霍尔电压即随之发生变化，将此电压变化通过放大器放大输出，输出的电压大小反应了被测电流的大小。如图4所示。

图4 直流电流采样及调理电路

2.4 电源模块设计

电源系统是一切电子设备的重要部分，负责给各电子芯片提供稳定的直流电压，电源系统的稳定性和可靠性对于整个系统的精度具有重要影响。电池为系统提供主电源，为满足长时间工作要求，采用可充电聚合物裡电池，容量为2000 mAh以上，锂电池电压输出24 V。通过DC/DC模块A2415S将电压由24 V转为±15 V，给放大器TLV2374供电，再由稳压电源芯片LT3970-3.3将直流电压降为3.3 V为系统各器件提供供电。

3 软件设计

软件设计包括采集模块软件和显示模块软件两部分。采集模块将LEM霍尔传感器采集的副边的电压电流值进行A/D处理，并将其值反算为真实的原边的电压电流值，并将值通过数据协议经蓝牙接口发送到显示模块。采集模块的软件程序包括A/D转换子程序、实时时钟子程序和蓝牙通讯子程序，其软件流程图如图5所示。设计数据采集间隔为1秒。显示模块将蓝牙接收到的数据显示在LCD上，并将数据保存在SD卡上，便于技术统计。显示模块的程序包括LCD显示子程序、SD卡存取子程序、实时时钟子程序和蓝牙通讯子程序，其软件流程图如图6所示。