基于LabVIEW的電磁波峰焊非接觸液位測量系統*

聶　朋， 麻永林， 邢淑清， 姜　濤， 孫彬彬

(內蒙古科技大學 材料與冶金學院，內蒙古 包頭 014010)

?

基于LabVIEW的電磁波峰焊非接觸液位測量系統*

聶朋， 麻永林， 邢淑清， 姜濤， 孫彬彬

(內蒙古科技大學 材料與冶金學院，內蒙古 包頭 014010)

在電磁波峰焊接過程中，液位波動大小是一個非常重要的參數，如果錫液液位波動大，易造成虛焊等問題，對電磁波峰焊液位波動的實時監控顯得尤為重要。通過使用液位測量模塊、Arduino控制器及計算機組成的非接觸液位測量系統對電磁波峰焊的錫液液位波動進行測量，結合虛擬儀器軟件LabVIEW將液位波動數值和液位波動曲線可以形象地顯示出來，同時對液位波動范圍進行預先設置，當超出液位波動設置的最大值或者低于液位波動設置的最小值就會給出警報并及時反饋，從而提高焊接質量。通過實驗測量與驗證，實驗測量的液位波動程度與預期值相符合，且很平穩。

液位波動檢測； Arduino控制器； LabVIEW； 上位機

0　引　言

液位波動大小對工業生產影響很大，因此，對液位測量[1,2]也顯得尤為重要。例如:在進行脫硫時，脫硫塔液位高就容易產生吸收塔溢流、降低脫硫效率、設備耗能增加等問題。同樣水位的波動對生產鍋爐的影響也很大，所以，在生產過程中液位波動的檢測方法也越來越多。傳統的液位檢測方法主要以人工進行直接測量并讀取數值，易產生誤差，同時對于一些環境比較惡劣的場所還不能進行人工測量，美國國家儀器的軟件產品LabVIEW在工業生產中得到越來越廣泛的應用，可以通過軟件來實現硬件的功能，也可以通過與硬件相結合實現物理世界與虛擬世界的通信，實現實時測量與控制[3]，與傳統測量相比有很大的優勢。

本文使用液位測量模塊、Arduino控制器及計算機組成的非接觸液位測量系統對電磁波峰焊接過程中的錫液液位波動進行測量，可以實現液位波動的實時監控，從而提高焊接質量。

1　液位測量系統整體組成

本電磁波峰焊錫液的非接觸液位測量系統中，Arduino控制器通過預先編寫的程序控制液位測距模塊進行液位的測量，然后Arduino通過USB串口與計算機進行串口通信[4]，通過上位機LabVIEW軟件發送液位波動采集命令，Arduino執行上位機的命令進行相應數據采集，然后通過串口發給上位機軟件LabVIEW。對相關數據進行處理，可以將液位波動數據以曲線形式實時顯示出來，液位測量系統框圖如圖1所示。

圖1　液位測量系統框圖Fig 1　Block diagram of liqurd level measurement system

2　測距系統硬件結構設計

硬件電路主要包括液位測量模塊、數據采集及數據處理等電路。液位測量主要通過液位測量模塊與Arduino[5]控制器來完成，將液位測距模塊固定于電磁波峰焊錫液上方的某一位置進行液位測量。通過Arduino程序控制數據的采集，然后通過上位機對采集的數據進行處理。測距系統的硬件電路結構如圖2所示。

圖2　液位測量控制硬件系統Fig 2　Hardware system of liquid level measurement and control

2.1測距模塊的選擇

本實驗選擇了HC—SR04超聲波測距模塊，該模塊可以提供2～400 cm的非接觸距離測量，測距距離可以達到3 mm，模塊包括超聲波發射器、超聲波接收器及控制電路等組成。圖3為超聲波發射電路圖。VCC供+5 V電源，GND為地線，Trig為觸發控制信號輸入，Echo為回響信號輸出。由圖3中超聲波發射電路與圖4脈沖時序圖可知，控制器Arduino只需要提供一個10 μs以上的脈沖觸發信號，該模塊內部將發射8個40 kHz的周期電平并進行檢測回波。

圖3　觸發電路Fig 3　Trigger circuit

圖4　時序圖Fig 4　Timing chart

使用時將HC—SR04超聲波測距模塊上的Trig,Echo 分別接上Arduino對應IO 端口；檢查上述接線是否有誤，確認接線正確后，將VCC,GND 分別接上DC+5 V,GND。

2.2控制器Arduino

Arduino主要通過程序進行溫度數據的采集，本設計選用的是Arduino Mega 2560型號， Arduino Mega是一塊以ATmega 2560為核心的微控制器開發板，本身具有54組數字I/O input/output端(其中14組可做PWM輸出)，16組模擬比輸入端，4組UART(hardware serial ports)，使用16 MHz晶振。由于具有bootloader，因此,能夠通過USB直接下載程序而不需經過其他外部燒寫器。供電部份可選擇由USB直接提供電源，或者使用AC-to-DC adapter及電池作為外部供電。

3　測液位系統軟件設計

軟件部分主要包括兩部分，一部分是通過Arduino進行液位數據變化采集的程序編寫，另一部分是編寫上位機LabVIEW的程序，它包括LabVIEW[6]前面板與程序框圖的編寫。然后將Arduino與LabVIEW通過串口進行通信。

3.1Arduino液位采集程序框圖

數據采集框圖如圖5。

圖5　數據采集框圖Fig 5　Block diagram of data collection

通過Arduino控制器控制超聲波模塊進行工作，首先Arduino數字端口給Trig引腳一個觸發信號，觸發其測距功能。模塊被觸發后就自動發射超聲波脈沖并自動檢測是否有信號返回。如果有信號，Echo就輸出高電平，從而可以計算超聲波往返需要的時間，最后根據公式(1)計算出距離

s=vt/2

(1)

式中s為要測的距離；v為聲速；t為超聲波往返時間。

3.2LabVIEW程序設計

LabVIEW前面板分別配置數值控件[7,8]、波形控件及布爾控件，其中數值控件用來顯示具體的液位數值，同時也可以在輸入數值控件里設置液位變化的最大值與最小值，波形控件用來顯示液位變化曲線的，布爾控件主要用來當液位變化超過預設值時就進行警告提醒。通過采用While循環可以實現液位數據的連續采集，并利用定時器控制數據采集的時間間隔。

4　系統調試與實驗

在系統進行測量前，首先對系統進行調試，以確保其精確度，表1、表2、表3為在不同高度測量的不同液位高度。

表1　52 cm處測量數據

表1為探頭在52 cm高度進行測量的不同液位高度的數據，在液位1初始高度為10.60 cm時，理論測量高度應為41.40 cm。而實際測量的平均值為40.87 cm，根據誤差公式進行計算，誤差為1.28 %；然后改變液位進行測量，即當液位2初始高度為12.40 cm時，理論測量高度39.60 cm。而實際測量液位的平均高度為39.38 cm，根據誤差公式進行計算，誤差為0.5 %。

表2　72 cm處測量數據

表2為探頭在72 cm高度進行測量的不同液位高度的數據，在液位1初始高度為9.6 cm時，理論測量高度應為62.40 cm。而實際測量的平均值為62.07 cm，根據誤差公式進行計算，誤差為0.53 %；然后改變液位進行測量，即當液位2初始高度為10.6 cm時，理論測量高度61.40 cm。而實際測量液位的平均高度為61.12 cm，根據誤差公式進行計算，誤差為0.46 %。

表3　98 cm處測量數據

表3為探頭在98 cm高度進行測量的不同液位高度的數據，在液位1初始高度為5.40 cm時，理論測量高度應為92.60 cm。而實際測量的平均值為92.61 cm，根據誤差公式進行計算，誤差為0.01 %；然后改變液位進行測量，即當液位2初始高度為6.30 cm時，理論測量高度91.70 cm。而實際測量液位的平均高度為91.19 cm，根據誤差公式進行計算，誤差為0.56 %。

通過表1、表2、表3數據分析，測量值最大誤差為1.28 %，最小為0.01 %。準確度比較高，符合要求。通過實驗數據與LabVIEW的圖像顯示可以發現，錫液的液面波動不大，比較平穩。

5　結束語

通過LabVIEW軟件平臺，可以方便高效地對數據進行處理，通過虛擬儀器與測量硬件的相互結合，可以大大減少開發時間，LabVIEW在圖形設計方面具有很大的優勢，可以很好地進行人機界面的交互，在工業生產中與傳統的液位測量相比，顯現出更強的智能化。通過本設計可以準確安全地進行液位變化的測量，同時也可以應用到一些危險的環境中進行液位的測量。

[1]秦永烈.物位測量儀表[M].北京:機械工業出版社，1978:106-126.

[2]謝建昌，王克華.測量儀表及自動化[M].北京:石油工業出版社，1996:60-67.

[3]牛鑫，劉自范， 房澤平.基于LabVIEW的液位測量無線傳感器網絡系統[J].化工自動化及儀表，2012(7):907-909.

[4]呂向鋒,高洪林,馬亮,等.基于LabVIEW串口通信的研究[J].國外電子測量技術,2009,28(12):27-30,50-51.

[5]鄭昊，鐘志峰，郭昊，等.基于Arduino/Android的藍牙通信系統設計[J].物聯網技術，2012(5):10-11.

[6]蔡共宣.LabVIEW的編程思想研究[J].裝備制造技術，2009(9):56-58.

[7]譚延軍,聶友偉.基于LabVIEW平臺的虛擬儀器編程[J].微處理機，2013(6):77-78.

[8]韓劍，莫德清，李長俊.基于LabVIEW與容柵傳感器的液位測控系統[J].計算機測量與控制，2015，23(2):394-396.

Non-contact electromagnetic wave peak welding liquid level measurement system based on LabVIEW*

NIE Peng， MA Yong-lin， XING Shu-qing， JIANG Tao， SUN Bin-bin

(School of Materials and Metallurgy，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou 014010，China)

In process of electromagnetic wave peak welding,liquid level fluctuation size is a very important parameter and if fluctuations of tin fluid level is relatively large,then the product will likely cause welding problems,therefore,fluctuations in the level of electromagnetic wave real-time monitoring is very important.By using non-contact level measurement system，which components of level measurement modules,Arduino controller and the computer，to measure the tin fluid level fluctuation of electromagnetic wave.Liquid level fluctuation value and level fluctuation curve image will be displayed by LabVIEW virtual instrument software.When the level exceeds the maximum fluctuation or below the minimum level set by fluctuations settings,which the fluctuation ranges of the pre-set level,an alarm will be given and timely feedback to improve the quality of welding.Volatility level experimental measurements consistent with the expected value by measurement and verification,very smooth.

liquid level fluctuation detection; Arduino controller; LabVIEW;upper PC

2015—10—22

內蒙古科技大學產學研合作培育基金資助項目(PY—201004)

TP 216

A

1000—9787(2016)08—0108—03

聶朋(1988-)，男，安徽阜陽人，碩士研究生，主要研究方向為電磁波峰焊溫度與液位波動檢測。

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)08—0108—03