基于Arduino的焊接熱循環測試系統

王澤平 房雲峰 姜寶龍 白振宇

摘要：應用MATLAB環境下PC機與Arduino實時串行通訊及數據處理的方法，完成焊接熱循環測試系統的搭建。針對K型熱電偶提取焊接溫度場數據，基于MATLAB進行實時的曲線繪制和焊接熱循環分析，簡化了焊接熱循環實驗流程，便于進一步完善實驗步驟。

關鍵詞：焊接;熱循環;測試系統

0? 引言

HAZ熱循環的測定分為焊接熱模擬法和就地實測法。目前實驗室多采用焊接熱模擬法。焊接熱模擬法是將試件放在熱模擬裝置中經歷與焊接相同的熱過程，其設備比較昂貴。在焊接熱循環的地實測法上，多采用紅外測溫法和熱電偶法。紅外測溫技術是一項較為新型的測溫技術，但在對焊接溫度場進行測試時，焊接區附近的焊接飛濺、煙塵、保護氣體等會直接影響到其監測。本文設計新型焊接熱循環測試系統，通過Arduino及計算機實時地對溫度數據進行分析處理，繪制熱循環曲線，分析計算焊接熱循環的主要參數。新版本的MATLAB開發了相應的Arduino模塊，相對于單片機來說，在進行與實時通訊時更具有便捷性。本文應用了一種MATLAB環境下，PC機與Arduino實時串行通信數據處理方法，簡化測試系統開發流程，提高了項目開發效率。

1? 測試裝置設計

1.1 總體

測溫裝置以Arduino為主控單元，同時控制6路測溫模塊測溫，并采集焊接時的電流和電壓和各路測溫模塊的數字信號。Arduino將數據傳送到上位機，上位機基于MATLAB完成繪制測試溫度曲線、焊接電壓電流值曲線的工作， 并以Excel格式存儲測量值。同時設置繼電器隔離模塊，可以耐受GMAW焊時焊接電流及電壓對系統的干擾。系統構成如圖1所示。

1.2 測溫模塊

測溫模塊是焊接熱循環測試系統的核心，使用合理的測溫元件及信號調理電路是數據采集有效性的根本。

實驗設備中常用的溫度傳感器有光學溫度傳感器，數字式溫度傳感器、熱電偶、熱電阻等[1]。焊接區附近的焊接飛濺、弧光等直接影響光學溫度傳感器的測量精度，同時焊接溫度場溫度最高可達1300℃。為滿足焊接熱循環的測定，選擇K型熱電偶作為測溫元件。

針對K型熱電偶，本文選用美國MAXIM公司生產的MAX6675芯片作為數模轉換器。芯片內置冷端補償范圍為-20～+80℃，適應室溫波動的測試環境。同時芯片具備簡單的SPI串行接口，通過三根線實現與Arduino的通訊。因其具備熱電偶斷線檢測功能，和較強的抗干擾性，使得熱電偶測溫線路變得簡單，方便了焊接熱循環區傳感器的線路布置。

MAX6675作為從設備，采用SPI串行外設總線與Arduino接口，其工作時序，其中如圖2所示，CS為片選信號，SO為串行數里輸出，SCK為串行時鐘輸入[2]。Arduino的ATmega系列處理器內建SPI接口，位于數字10～13腳。

在MAX6675的CS引腳從1變為0時，芯片停止信號轉換，并通過SO引腳發送轉換后的數據。每個時鐘周期發送出一位數據。高位先發送，需要16個時鐘周期發送完整的數據。15是冗余位，14-3是溫度值，D2檢測熱電偶是否斷開位。將片選端連接到Arduino的2～7的I/O口上，便于在程序中進行數據的循環采樣，將一個循環中六個傳感器采集的溫度信號歸為一組，按組與上位機進行數據傳輸，每組數據作為中斷信號，如設置回調函數觸發事件，當緩沖區中達到設定字節的數據時，觸發中斷。

1.3 與PC端的通訊模塊

采用MATLAB作為上位機，與Arduino進行實時通訊[3-4]。MATLAB與Arduino的通訊方式有四種，其中實現數據回傳的有Simulink串口通信或者儀器控制工具箱，為了保證系統的實時性更高，本文選用儀器控制工具箱，采用基于事件驅動中斷通信機制，與上位機進行數據傳送。使用serial函數創建串口對象，定義通信模式，并在對象屬性上獲得串口的狀態。

查詢和中斷為讀取串口數據的兩種方式[5]。查詢方式，大量的數據下位機分批分時傳輸給PC機，需要不停查詢串行口的緩沖區，時刻保持著有數據就讀取的狀態，不能對數據進行實時處理。為了保證測試系統的實時性，以中斷方式對串口進行控制，實現實時處理下位機傳送的數據，采用MATLAB的事件和回調函數機制完成。

裝置工作時，MATLAB通過調用儀器控制工具箱中serial函數，創建串口對象，得到Arduino文件句柄，操作文件實現對PC機串行口讀寫[6]。PC機可以通過MATLAB向串行口發送特殊指令，Arduino對此反應，將采樣數據通過串行口回傳。MATLAB通過中斷，實時接收Arduino發送的數據，并完成對數據分析處理、文件存儲及圖形顯示。

1.4 MATLAB實時顯示數據

常用的MATLAB二維畫圖函數為plot，但其一般為靜態的。實時的數據顯示需要動態同步顯示。本文采用drawnow，刷新屏幕的，搭配plot完成數據曲線的實時顯示。

2? 結論

本文設計的焊接熱循環測試裝置由Arduino采集MAX6675的輸出信號，并將數據送入上位機，有MATLAB中進行數據處理和實時顯示。

由MATLAB本身在工程計算方面的強大，便與對測試系統的進一步完善和開發。利用多路熱循環測試系統，在焊接過程中實時測試各測點的溫度，并分析繪制熱循環曲線計算其主要參數，為后續分析焊接參數對應力變形、焊接冷卻相變過程、接頭組織、分析HAZ組織與性能提供數據支持。

參考文獻：

[1]李宇.焊接熱循環數據采集系統中的硬件設計[J].科技創新與應用，2017（28）：96-97.

[2]周志煒.基于MAX6675的測溫裝置[C].中國電工技術學會電工產品可靠性研究會.第五屆電工產品可靠性與電接觸國際會議論文集.中國電工技術學會電工產品可靠性研究會：中國電工技術學會，2014：363-367.

[3]向先波，徐國華，張琴.Matlab環境下PC機與單片機的串行通信及數據處理[J].單片機與嵌入式系統應用，2004（12）：27-31.

[4]張中然，焦波，孫志勇，丁明娜.一般光照條件下鋁塑泡罩藥品包裝檢測系統[J].哈爾濱理工大學學報，2017，22（05）：65-69，75.