一种基于ZigBee技术的脉冲涡流无损检测系统的制作方法

本发明涉及一种基于zigbee技术的脉冲涡流无损检测系统，属于无损检测与评估技术领域。

背景技术：

工作车间流水线上每天生产大量零部件，其中混杂着一些不合格产品。目前主要的检测方式是将这些刚生产的零部件集中起来，拿到检测部门检测，这样的检测方式耗时耗力，效率低。随着计算机技术、微电子技术和信息管理技术的快速发展，自动化检测技术逐步由集中走向分散化、网络化、智能化和集成化。

工业生产过程中无线传感网络系统是重要组成部分，不仅能够实现远程监控，还能够确保生产过程中设备的安全性，是现代工业发展的重要标志，体现了工业发展与互联网的紧密联系。目前有人提出使用gprs无线传输方式远程获得车间内生产零部件的缺陷和损伤数据，虽然克服了有线通讯的复杂连线问题，但是gprs按流量收费，终端规模大，长期使用成本必然较高。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种基于zigbee技术的脉冲涡流无损检测系统，目的是解决现有检测技术中存在的问题。利用涡流检测技术，可以通过试件内部磁场的变化分析出试件的缺陷和损伤情况；利用特殊形状的阵列式探测器可以进行多点采集的特点，当试件经过阵列式探测器时可以采集到整个试件内部缺陷和损伤情况；利用无线传输技术，能够及时地将采集到的数据传到上位机存储分析显示，并简化了车间到上位机之间的复杂连线，节省了成本。这种检测方式不仅提高了检测效率、节约了成本，还提高了管理效率，给试件的检测带来了极大的便利。其结构紧凑，能够对试件进行无线低功耗在线检测；扩展方便、适用范围广、安全可靠同时还节省人力，并且一旦设备连接成功，其操作方便因而使用性强，推广性强。

本发明采用的技术方案：一种基于zigbee技术的脉冲涡流无损检测系统，包括阵列式探测器、信号调理电路6、功率放大器7、控制器1、路由节点2、协调节点3和上位机4，所述的阵列式探测器为若干个探头5围成的半圆柱体，外形呈隧道状，架在流水线上不随流水线的移动而移动，所述的探头5包括漆包线、锰锌铁氧体磁芯、霍尔磁传感器电路，漆包线绕在锰锌铁氧体磁芯上形成激励线圈，霍尔磁传感器电路的电路板紧贴锰锌铁氧体磁芯底部且平行于水平面放置，所述的控制器1包括第一stm32f407控制芯片，路由节点2包括第一zigbee芯片cc2430，协调节点3包括第二stm32f407控制芯片1111、第二zigbee芯片cc24301010；

所述的探头5用于检测通过其下方的被测试件，其输入端与功率放大器7的输出端连接，输出端与信号调理电路6的输入端连接，信号调理电路6的输出端与控制器1的输入端连接，控制器1的输出端分别与功率放大器7的输入端、路由节点2中的第一zigbee芯片cc2430连接，控制器1通过第一stm32f407控制芯片内部自带的通用定时器产生pwm波，pwm波经过功率放大器7放大驱动激励线圈，第一zigbee芯片cc2430通过无线射频天线与协调节点3中的第二zigbee芯片cc243010无线通信，第二zigbee芯片cc243010与第二stm32f407控制芯片11连接，第二stm32f407控制芯片11与上位机4连接。

所述的直径为0.3mm的漆包线绕在锰锌铁氧体磁芯上，形成内径5mm，外径25mm，高20mm的激励线圈，霍尔传感器电路采用贴片式线性霍尔元件hal49e。

所述的信号调理电路包括：滤波、放大电路和输出端口，其中滤波电路采用二阶rc有源低通滤波器，r14和c3构成一阶低通滤波电路，r15和c4构成二阶低通滤波电路，滤波后的电路进入ua741cd放大电路中，两个一阶低通滤波电路和ua741cd运算放大器串联，ua741cd运算放大器的输出端口与控制器1连接，放大电路由三运放差分放大电路构成，两个opa335芯片构成差分放大部分，再串联一个ua741cd放大电路，探头5的两个输出端分别连接在两个opa335放大器的正负端进行差分放大。

所述的协调节点3中第二stm32f407控制芯片11、第二zigbee芯片cc243010通过usart串口通讯。

所述的第一stm32f407控制芯片的串口引脚tx和rx分别与第一zigbee芯片cc2430的串口引脚rx和tx连接，第二stm32f407控制芯片11的串口引脚tx和rx分别与第二stm32f407控制芯片11的串口引脚rx和tx连接。

所述的控制器1还包括晶振、复位电路9，usb电路，备用电池，jtag电路，flash存储器电路和电源管理电路8，usb电路用来向芯片内下载程序，usb电路采用ch340g芯片，usb电路与第一stm32f407控制芯片通过usart1进行数据传输，ch340g芯片的tx和rx引脚分别与第一stm32f407控制芯片的u1_tx和u1_rx引脚连接，第一stm32f407控制芯片的u1_tx和u1_rx引脚分别连接在第一stm32f407控制芯片的普通输入输出口pa10和pa11上，即：第一stm32f407控制芯片的普通输入输出口pa10和pa11通过软件初始化可端口复用为串口1的收发引脚也就是u1_tx和u1_rx，电源管理电路8包括5v直流电压输入电路和5v转3.3v电路，5v直流电压输入电路采用mp2359芯片，5v转3.3v电路采用ams1117芯片，flash存储器电路采用w25q128芯片，w25q128芯片与第一stm32f407控制芯片通过spi串口方式通讯，w25q128芯片的clk引脚、si引脚和so引脚分别连接在第一stm32f407控制芯片的spi1_sck、spi1_mosi和spi1_miso引脚上，jtag电路用于程序的在线调试，第一stm32f407控制芯片自带jtag端口。

所述的功率放大器7采用lm386模块，最大增益达到200，lm386模块的-input引脚接地，+input引脚接收来自第一stm32f407控制芯片pe13引脚连接，用来接收第一stm32f407控制器产生的脉冲宽度调制波形,vout引脚输出放大后的脉冲宽度调制波形经过退耦和滤波后连接探头5上的激励线圈。

本发明的工作原理是：控制器1通过第一stm32f407控制芯片内部自带的通用定时器产生脉冲宽度调制波形也就是pwm波，pwm波经过功率放大器7放大驱动激励线圈；霍尔传感器采集到次生磁场和原生磁场的合成磁场并转化为电信号，如果试件有缺陷或损伤则合成磁场中包含试件的缺陷或损伤信息；这种合成磁场转化的电信号经过第一stm32f407控制芯片内部自带的12位a/d转换器转换成数字信号后，由路由节点2将数字信号通过无线传感方式传输到协调节点3，再由协调节点3通过usart串口通讯方式将信号传输到上位机4；路由节点2与协调节点3之间通过zigbee网络通讯。

本发明的有益效果：生产车间内采用zigbee无线网络通信，省去布线的麻烦，易于升级维护；可以及时有效地远程获取生产车间内流水线上试件的缺陷与损伤情况；不仅节约了成本、避免了有线设备的损坏几率，还提高了管理效率，给生产试件的检测带来了极大的便利，节省了人力成本；体积小，操作方便，推广性较好，具有一定的应用价值。

附图说明

图1为本发明的实施整体布局示意图；

图2为本发明的系统结构图；

图3为本发明控制器1的电路图；

图4为本发明系统电源电源管理电路8图；

图5为本发明功率放大器7的电路图；

图6为本发明霍尔磁传感器的电路图；

图7为本发明信号调理模块6的电路图；

图8为本发明zigbee芯片cc2430的电路图；

图9为本发明zigbee芯片cc2430与stm32f407控制芯片的通讯示意图。

图中各标号为：1-控制器、2-路由节点、3-协调节点、4-上位机、5-探头、6-信号调理电路、7-功率放大器、8-电源管理电路、9-复位电路9、10-第二zigbee芯片cc2430，11-第二stm32f407控制芯片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步的说明。

实施例1：如图1-9所示，一种基于zigbee技术的脉冲涡流无损检测系统，包括阵列式探测器、信号调理电路6、功率放大器7、控制器1、路由节点2、协调节点3和上位机4，所述的阵列式探测器为若干个探头5围成的半圆柱体，外形呈隧道状，架在流水线上不随流水线的移动而移动，所述的探头5包括漆包线、锰锌铁氧体磁芯、霍尔磁传感器电路，漆包线绕在锰锌铁氧体磁芯上形成激励线圈，霍尔磁传感器电路的电路板紧贴锰锌铁氧体磁芯底部且平行于水平面放置，所述的控制器1包括第一stm32f407控制芯片，路由节点2包括第一zigbee芯片cc2430，协调节点3包括第二stm32f407控制芯片11、第二zigbee芯片cc243010；

所述的探头5用于检测通过其下方的被测试件，其输入端与功率放大器7的输出端连接，输出端与信号调理电路6的输入端连接，信号调理电路6的输出端与控制器1的输入端连接，控制器1的输出端分别与功率放大器7的输入端、路由节点2中的第一zigbee芯片cc2430连接，控制器1通过第一stm32f407控制芯片内部自带的通用定时器产生pwm波，pwm波经过功率放大器7放大驱动激励线圈，第一zigbee芯片cc2430通过无线射频天线与协调节点3中的第二zigbee芯片cc243010无线通信，第二zigbee芯片cc243010与第二stm32f407控制芯片11连接，第二stm32f407控制芯片11与上位机4连接。本发明中第一zigbee芯片与第二zigbee芯片cc243010的结构相同，第一stm32f407控制芯片与第二stm32f407控制芯片11的结构相同。

根据实际情况在车间流水线上放置若干个探头5，构成阵列式探测器。阵列式探测器呈现半圆柱形，外形似隧道一样架在流水线上，阵列式探测器是固定的，不随流水线的移动而移动。当试件从探测器下方经过时，就可以很方便的探测整个试件内部的缺陷和损伤情况。因为stm32f407内部有3个12位的模数转换控制器，每个模数转换控制器都有16个通道，每个通道对应一个输入输出端口，所以就可以很方便的将每个探头5的输出端连接在信号调理电路6上，再将信号调理电路6的各输出端分别连在第一stm32f407控制芯片的各模数转换通道上。

进一步地，所述的直径为0.3mm的漆包线绕在锰锌铁氧体磁芯上，形成内径5mm，外径25mm，高20mm的激励线圈，霍尔传感器电路采用贴片式线性霍尔元件hal49e。具体制作方法是将线径为0.3mm的漆包线绕制在锰锌铁氧体上形成内径为5mm、外径为25mm、高为20mm的圆柱形激励线圈绕，线性贴片线性霍尔磁传感器电路水平放置在铁氧体下方。线性贴片霍尔传感器电路输入端加入旁路电容和去耦电容以降低电源噪声，在输出端安放一个小电阻以反馈和减少噪声；根据霍尔元件的输出特性，在霍尔元件周围安装一个滑动变阻器，调节滑动变阻器使探头在初始时刻的输出电压为零。

进一步地，所述的信号调理电路包括：滤波、放大电路和输出端口，其中滤波电路采用二阶rc有源低通滤波器，r14和c3构成一阶低通滤波电路，r15和c4构成二阶低通滤波电路，滤波后的电路进入ua741cd放大电路中，两个一阶低通滤波电路和ua741cd运算放大器串联，ua741cd运算放大器的输出端口与控制器1连接，滤波器中ua741cd放大电路具有输入阻抗高，输出阻抗低的特点，使电路在滤波的同时还可以将有用信号频率进行放大；滤波器电路中还设计了反馈网络，其作用是输出电压能够通过反馈元件对放大电路进行自动调整，从而牵制了输出电压的变化，最后达到输出稳定平衡，该滤波器的的优点是：体积小、重量轻、不需要磁屏蔽，其作用就是将信号进行滤波、放大、远传，与传感器配合使用，能够提高系统的适应度和环境可靠性；放大电路由三运放差分放大电路构成，两个opa335芯片构成差分放大部分，再串联一个ua741cd放大电路，探头5的两个输出端分别连接在两个opa335放大器的正负端进行差分放大，利用差分放大电路的对称性和负反馈作用，有效地稳定静态工作点。

所述的协调节点3中第二stm32f407控制芯片11、第二zigbee芯片cc243010通过usart串口通讯,路由节点2与协调节点3之间通过射频天线进行无线通讯，协调节点3的第二stm32f407控制芯片11接收到由路由节点2发来的信号，然后将信号传输入协调节点3的第二stm32f407控制芯片11的存储器内，再由第二stm32f407控制芯片11发送至上位机。

所述的第一stm32f407控制芯片的串口引脚tx和rx分别与第一zigbee芯片cc2430的串口引脚rx和tx连接，第二stm32f407控制芯片11的串口引脚tx和rx分别与第二stm32f407控制芯片11的串口引脚rx和tx连接。

如图3所示：所述的控制器1还包括晶振、复位电路9，usb电路，备用电池，jtag电路，flash存储器电路和电源管理电路8，usb电路用来向芯片内下载程序，usb电路采用ch340g芯片，usb电路与第一stm32f407控制芯片通过usart1进行数据传输，ch340g芯片的tx和rx引脚分别与第一stm32f407控制芯片的u1_tx和u1_rx引脚连接，第一stm32f407控制芯片的u1_tx和u1_rx引脚分别连接在第一stm32f407控制芯片的普通输入输出口pa10和pa11上，即:第一stm32f407控制芯片的普通输入输出口pa10和pa11通过软件初始化可端口复用为串口1的收发引脚也就是u1_tx和u1_rx，电源管理电路8包括5v直流电压输入电路和5v转3.3v电路，5v直流电压输入电路采用mp2359芯片，5v转3.3v电路采用ams1117芯片，电源与地之间接入并联的12个104电容,flash存储器电路采用w25q128芯片，w25q128芯片与第一stm32f407控制芯片通过spi串口方式通讯，w25q128芯片的clk引脚、si引脚和so引脚分别连接在第一stm32f407控制芯片的spi1_sck、spi1_mosi和spi1_miso引脚上，jtag电路用于程序的在线调试，第一stm32f407控制芯片自带jtag端口。

进一步地，如图5所示，所述的功率放大器7采用lm386模块，最大增益达到200，lm386模块的-input引脚接地，+input引脚接收来自第一stm32f407控制芯片产生的脉冲宽度调制波形，输出端口vout引脚连接滤波电容c33和退耦电容c34，滤波电容c33用于滤除输出信号的交流成分，然后连接激励线圈，退耦电容c34用于补偿滤波电容的高频缺陷，使输出信号的线性更好。

如图4所示：所述的电源管理电路8包括5v直流电压输入电路和5v转3.3v电路。5v直流电压输入电路采用mp2359芯片，5v转3.3v电路采用ams1117芯片，电源与地之间接入并联的12个104电容。通过按button键控制电路电源的开关，十分方便。第一stm32f407控制芯片和第二stm32f407控制芯片均连接有电源管理电路8和复位电路9，电源管理电路8为所有的芯片供电。

如图6所示：线性线性霍尔磁传感器电路由贴片式线性霍尔元件hal49e和输出电路构成。线性贴片霍尔传感器电路输入端加入旁路电容和去耦电容以降低电源噪声，在输出端安放一个小电阻以反馈和减少噪声；根据霍尔元件的输出特性，在霍尔元件的输入端安装一个滑动变阻器，调节滑动变阻器使探头在初始时刻的输出电压为零。

如图8所示：cc2430低功耗的cc2430射频模块采用ti公司的cc2430芯片构成，该模块可广泛的应用于近距离无线通讯领域，本模块可使用命令控制，通过串口切换模块的角色，配置串口波特率，修改zigbee网络参数。zigbee模块与stm32f407芯片之间通过usart串口通讯，zigbee模块的p0.2和p0.3引脚是串口usart的rxd和txd引脚，本系统中分别连接在stm32f407芯片的pa9和pa10因脚上，因为这两个引脚是stm32f407芯片usart1串口的tx引脚和rx引脚；zigbee芯片的rf_p和rf_n引脚连接射频天线，通过射频天线实现两个zigbee芯片的无线通讯。

实际工作中，根据工厂车间的实际情况，在车间流水线上放置若干个探头5构成的阵列式探测器，阵列式探测器呈现半圆柱形，外形似隧道一样架在流水线上，以便能使探头完全包裹住试件。阵列式探测器是固定的，不随流水线的移动而移动。当试件从探测器下方经过时，就可以很方便的探测整个试件内部的缺陷和损伤情况。试件在流水线的皮带上运输通过阵列式探测器，阵列式探测器扫过试件以检测到整个试件内部缺陷及损伤情况。因为stm32f407芯片内部除了通用定时器9-14，其余通用定时器都包含四个通道，其中一路通道可通过设置相应寄存器产生脉冲宽度调制信号也就是pwm波形，定时器的各通道都对应一个i/o口，所以可以将输出pwm波形的i/o口与功率放大器的输入端口+input连接，功率放大器的-input引脚接地，pwm波形在功率放大器内进行放大；功率放大器7的vout输出引脚与探头5的激励线圈端连接，使放大后的pwm波驱动激励线圈；放大后的pwm波驱动激励线圈后，在激励线圈周围产生的电磁场由两部分叠加而成：一部分是直接从线圈中耦合出的一次电磁场也叫做原生磁场，另一部分是试件中感应出的涡流场所产生的二次电磁场又称次生磁场。矩阵探头各传感器部分采集次生磁场和原生磁场的合成磁场并转化为电信号；探头输出端与信号调理电路的集成差分放大部分的两端连接，在信号调理电路6内进行放大和两次低通滤波；因为stm32f407芯片内部具有3个12位的adc控制器，每个控制器包含16个通道，每个通道对应一个i/o引脚，所以使各信号调理电路6的输出端口分别与第一stm32f407控制芯片的a/d控制器各通道连接，使放大滤波后的模拟信号从信号调理电路的输出端口传输到第一stm32f407控制芯片，在第一stm32f407控制芯片自带的12位a/d转换器内进行模数转换。转换后的数字信号经过控制器1控制通过路由节点2传输到协调节点3，再由协调节点3将信号传输到上位机4。

开机后协调节点3自动建立zigbee无线自组网，各探头5自动加入网络，完成组网。初次使用，可在协调节点3上通按键选择进入设置界面，根据需求输入阈值、采样频率、发送频率等参数。设置无误后，控制器1产生矩形脉冲信号经过功率放大器7作用于激励线圈，探头周期采集车间试件参数，并通过路由节点2传送至协调节点3，协调节点3综合所有数据后，将试件的缺陷和损伤信息发送至上位机4存储分析显示。当有试件的缺陷和损伤程度达到我们要求的最大值，控制器1会自动发出报警指令。操作员通过上位机软件可远程及时获取车间内设备情况，并可通过按键命令的方式远程控制、监测系统。

zigbee技术是近年来兴起的一种低功耗、低成本且数据可靠性高的双向无线通讯技术，主要用于自动、远程控制领域。根据工厂车间的实际情况，在车间流水线上放置若干个探头，构成阵列式探测器。阵列式探测器呈现半圆柱形，外形似隧道一样架在流水线上，不随流水线的移动而移动。当试件从阵列式探测器下方经过时，就可以很方便的探测整个试件内部的缺陷和损伤情况，很好的解决了当前检测技术中存在的问题。在工厂车间流水线上放置阵列式探测器实现在线监测，并采用zigbee无线传输技术，不仅提高了检测效率、节约了成本、避免了有线设备的损坏几率，还提高了管理效率。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。