基于STM32的光控护目镜检测设备的开发

江汉大学物理与信息工程学院 刘 立 张 强 段金杰 徐 戬



基于STM32的光控护目镜检测设备的开发

江汉大学物理与信息工程学院 刘 立 张 强 段金杰 徐 戬

【摘要】本项目主要是针对目前焊接防护设备中的光控护目镜检测设备的开发。主要技术方案是以STM32F103单片机为控制核心，采用嵌入式系统实现对光控护目镜进行色号检测，响应时间检测。该设备具有可靠性，便携性的特点，为光控护目镜行业的发展提供了合格的检测技术支持。

【关键词】光控护目镜；色号检测；响应时间检测

1 引言

光控护目镜是一种代替焊接面罩的防护设备,它的工作原理是通过感应焊接光，在1ms以内的时间，将液晶片由透明变为不透明。这样实现自动变光，保护焊接工人的眼镜。我国是自动变光头盔的生产大国，每年出口产值10亿以上，但并不是生产强国。可是目前国内还不能生产功能完善的光控护目镜检测设备，随着国家标准的制定，但却无相关检测设备，矛盾越来越突出。目前，相关企业的检测设备全部为进口，价格在30万元以上，严重的制约了相关企业的发展。光控护目镜在国外有严格的CE和ANSI标准，必须通过这个标准，才能进入。我们国家也制定了相关的检测标准，但一直没有可靠的国产检测仪器。现在我们的研究主要就是打破国外的技术垄断，开发出自己的检测仪。

总的说来，相关全功能的检测仪在国内是个研究的空白。市场上有2家企业开发了相关的产品，但是精度都达不到0.1色号，不能满足要求。国外的相关研究发表论文比较少，主要集中在标准的制定方面。本文提出了利用双路检测法，可以测量相应时间和色号。

2 系统实现方案

本系统由STM32F103为控制核心，主要采用的技术方法是分步实施，将检测仪分为三个部分，第一个部分是色号检测，另外是响应时间检测和通用仪器部分。其中色号变化和响应时间是两个重要的反应护目镜性能的参数。

2.1 色号检测

为了提高工人劳保条件，保护普通电焊工的眼睛，光控护目镜是一种不可或缺的防护设备，因为光控护目镜可以在进行焊接作业时自动实现镜片的瞬时转变，将液晶片的透明度降低，从而有效的保护劳动者的眼睛，提高工作效率，保证焊接质量。当焊接弧光发出的光强一定时，由护目镜射出的光强取决于护目镜本身的光透射比，光透射比一般以τ表示。它的定义是从物体透出的光强与入射到物体的光强之比。即。

所以光透射比反映了入射到护目镜上的光强经护目镜后的透过程度。

我们用色号来描述它的变光程度。关于色号，其定义可用下式表示：

其中N为护目镜的光透射比[1]。从上式可以看出，光透射比越大，色号值越小；光透射比越小，色号值反而越大。

本设计在色号检测过程中，需要模拟电焊过程，将变化巨大的光强照射在护目镜上，由硅光电池将光信号转化为电信号，由小信号检测电路放大，再由高精度AD采集电压输出至主控制器处理分析得到相应的色号。

2.2 响应时间检测

响应时间是指护目镜明态时，从其光检测器接收弧光信号到护目镜变为暗态所需的时间间隔。响应时间关系到焊工引弧时受到强可见光瞬间照射的时间，也关系到焊工在焊接过程中能否清楚地进行观察，能否彻底消除盲目引弧。

为了提高响应时间，本设计采用高速AD实现响应时间检测。同色号检测一样，先将硅光电池转换得到的小信号放大，再由高速AD芯片采集电压值送至主控制器，通过测量采集得到的电压值变化的速率来计算护目镜的响应时间。

2.3 通用仪器

通用仪器部分采用标准化设计方案。

3 光控护目镜测试仪的硬件部分设计

3.1 控制电路设计

本设计采用STMicroelectronics 公司的STM32F103作为微控制处理器。

STM32F103是32bit基于ARM核心的微控制器，多达112个快速IO口，2个接口(支持SMBus/PMBUs)，5个USART接口，3个SPI接口[3]。足以满足与AD芯片、串口屏幕等模块电路的控制与通信。

3.2 AD采样电路设计

本设计采用ADS1255作为高精度AD采样电路，ADS1255 是TI公司推出的微功耗、高精度、24bitΔ-Σ型模数转换器，24位无数据丢失，所有数据速度和PGA设置，具有± 0.0010%的低非线性度。高速AD采样电路使用ADS805芯片，ADS805是精度为12bit的模数转换芯片，具有68dB的高信噪比和300mW的低功耗功能，采样频率高达20MHz，足以满足本设计的采样要求。高精度、高速AD采样电路通过模拟开关TS5A3159实现切换。

图1　模拟开关电路

3.3 小信号放大电路设计

由于需要检测的信号为微弱光电信号，所以我们选择用跨阻型放大器[4]。本设计采用TI公司的OPA129运算放大器，OPA129具有±30fA的超低偏置电流、低噪声、能支持反馈高增益下带宽应用等特点[5]。

图2　小信号放大电路

3.4 显示方案

液晶显示采用K600+触摸液晶屏通过USART方式与主控制器通信，K600+通过绘图工具设计底图界面，使用DGUS系统软件进行开发，指令简单，通过串口调试，从而简化主控制器代码编写，提高编程效率。

4 软件控制流程设计

控制流程图：

5 结语

本文设计制作了一种光控护目镜检测仪，由STM32F103为控制核心，通过光电探测器对透过光控护目镜的光线进行转换接收并放大，由高精度、高速AD电路采集经光电转换后的电压，再送入单片机内处理得出光控护目镜的色号和响应时间。经实际测试实验，本系统性能稳定，检测精度高，完全符合对光控护目镜性能参数检测的要求。

参考文献

[1]晁创.基于STC12C5A60S2的电焊护目镜黑度值测试仪的研制[D].华中科技大学,2011.

[2]唐一鸣.变光焊接护目镜特性测试仪的研发[D].上海交通大学,2008.

[3]王永虹,徐炜,郝立平.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008.

[4]敖育红,胡少六,郑兆青.光通信系统中前置跨阻放大器的研究和设计[J].微电子技术,2003,06:31-33.

[5]德州仪器.OPA129数据手册[Z].美国德州:德州仪器, 2007.