王澤平 房雲(yún)峰 姜寶龍 白振宇

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

關鍵詞：焊接;熱循環(huán);測試系統(tǒng)

0? 引言

HAZ熱循環(huán)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(jīng)歷與焊接相同的熱過程，其設備比較昂貴。在焊接熱循環(huán)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(qū)附近的焊接飛濺、煙塵、保護氣體等會直接影響到其監(jiān)測。本文設計新型焊接熱循環(huán)測試系統(tǒng)，通過Arduino及計算機實時地對溫度數(shù)據(jù)進行分析處理，繪制熱循環(huán)曲線，分析計算焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)。新版本的MATLAB開發(fā)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(huán)境下，PC機與Arduino實時串行通信數(shù)據(jù)處理方法，簡化測試系統(tǒng)開發(fā)流程，提高了項目開發(fā)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(shù)字信號。Arduino將數(shù)據(jù)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(tǒng)的干擾。系統(tǒng)構成如圖1所示。

1.2 測溫模塊

測溫模塊是焊接熱循環(huán)測試系統(tǒng)的核心，使用合理的測溫元件及信號調(diào)理電路是數(shù)據(jù)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(shù)字式溫度傳感器、熱電偶、熱電阻等[1]。焊接區(qū)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(huán)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(chǎn)的MAX6675芯片作為數(shù)模轉換器。芯片內(nèi)置冷端補償范圍為-20～+80℃，適應室溫波動的測試環(huán)境。同時芯片具備簡單的SPI串行接口，通過三根線實現(xiàn)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(huán)區(qū)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(shù)里輸出，SCK為串行時鐘輸入[2]。Arduino的ATmega系列處理器內(nèi)建SPI接口，位于數(shù)字10～13腳。

在MAX6675的CS引腳從1變?yōu)?時，芯片停止信號轉換，并通過SO引腳發(fā)送轉換后的數(shù)據(jù)。每個時鐘周期發(fā)送出一位數(shù)據(jù)。高位先發(fā)送，需要16個時鐘周期發(fā)送完整的數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)的循環(huán)采樣，將一個循環(huán)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(shù)據(jù)傳輸，每組數(shù)據(jù)作為中斷信號，如設置回調(diào)函數(shù)觸發(fā)事件，當緩沖區(qū)中達到設定字節(jié)的數(shù)據(jù)時，觸發(fā)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(xiàn)數(shù)據(jù)回傳的有Simulink串口通信或者儀器控制工具箱，為了保證系統(tǒng)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(shù)據(jù)傳送。使用serial函數(shù)創(chuàng)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(tài)。

查詢和中斷為讀取串口數(shù)據(jù)的兩種方式[5]。查詢方式，大量的數(shù)據(jù)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(qū)，時刻保持著有數(shù)據(jù)就讀取的狀態(tài)，不能對數(shù)據(jù)進行實時處理。為了保證測試系統(tǒng)的實時性，以中斷方式對串口進行控制，實現(xiàn)實時處理下位機傳送的數(shù)據(jù)，采用MATLAB的事件和回調(diào)函數(shù)機制完成。

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

1.4 MATLAB實時顯示數(shù)據(jù)

常用的MATLAB二維畫圖函數(shù)為plot，但其一般為靜態(tài)的。實時的數(shù)據(jù)顯示需要動態(tài)同步顯示。本文采用drawnow，刷新屏幕的，搭配plot完成數(shù)據(jù)曲線的實時顯示。

2? 結論

本文設計的焊接熱循環(huán)測試裝置由Arduino采集MAX6675的輸出信號，并將數(shù)據(jù)送入上位機，有MATLAB中進行數(shù)據(jù)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(tǒng)的進一步完善和開發(fā)。利用多路熱循環(huán)測試系統(tǒng)，在焊接過程中實時測試各測點的溫度，并分析繪制熱循環(huán)曲線計算其主要參數(shù)，為后續(xù)分析焊接參數(shù)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(shù)據(jù)支持。

參考文獻：

[1]李宇.焊接熱循環(huán)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的硬件設計[J].科技創(chuàng)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(chǎn)品可靠性研究會.第五屆電工產(chǎn)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(chǎn)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(huán)境下PC機與單片機的串行通信及數(shù)據(jù)處理[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)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(tǒng)[J].哈爾濱理工大學學報，2017，22（05）：65-69，75.