基于XRF检测环节的XYZ轴电动平台的控制应用

徐木强,李福生,王清亚,江晓宇

(1.东华理工大学机械与电子工程学院，江西 南昌 330013；2.东华理工大学核应用技术研究所，江西 南昌 330013)

0 引言

传统的便携式X射线荧光(X-ray fluorescence,XRF)光谱仪测试样品都需要进行人工测试:将待测物品置于分析仪器的测试端口，由人工操作控制仪器开关进行测试。测试过程中，需要人工更换测试样品、填写样品名称，在仪器检测过程中需要随时注意是否检测完成。遇到大量检测时，需要检测人员时刻关注和频繁的操作，耗时较长。因此，为了解决人工耗时、提升检测效率[1]，配合现有的便携式X射线光谱分析仪，设计了基于STM32控制的自动检测平台。该平台可配合仪器进行大量样品的不间断检测。使用该平台所得仪器检测结果的稳定性与人工测试水平相当。在多次重复性测试稳定方面，相比较于人工测试，使用该平台的测试稳定性明显高于人工测试。在使用过程中，系统运行稳定、故障率低，节省了巨大的人力耗时，取得了预期的设计成果[2-3]。

1 系统结构及硬件设计

1.1 系统结构

该平台由供电模块、外形支架(SUS304)、样品放置盘模块、XYZ轴的步进电机和驱动模块、放置仪器部位以及控制板模块组成[4]。操作人员使用该自动检测平台时，首先要设计仪器进入对应的自动定标模式，将仪器的检测开关以及检测时间设置为所需要的值。然后，工作人员通过设置的时间以及所要测试的样品总数，计算该总数占了样品盘的几行、一行有多少个，以及最后一行的个数，从而确定XY轴的最终移动位置。再加上每个样品所需要测试的时间以及Z轴上升下降的时间，即可确定步进电机在一个样品位置所待的对应时间。将这些数据通过手机蓝牙发送到单片机的蓝牙接收端上。主控芯片接收到指令，进而控制单片机各I/O口的输入/输出。单片机进入正常工作状态后，LCD显示屏显示测试进程，系统进入运行状态[5]。系统结构如图1所示。

图1 系统结构图

1.2 硬件模块及功能介绍

平台的外围主要由外部支架组装而成。平台外观示意图如图2所示。

图2 平台外观示意图

图2中：步进电机也是可拆卸式，增加了整个系统的便携性；样品盘用来放置检测的样品，要求每个样品的横向和纵向距离相同，便于步进电机的准确定位；样品盘的下方有一块海绵填料进行缓冲，防止因Z轴电机运动造成仪器探测端与样品表面过于挤压。为了安全考虑，XRF光谱仪的测试口安装有物料感应传感器，只有检测到有物料时才会进行测试。

系统硬件电路设计主要包括开关电源、24 V转5 V和3.3 V的MP1593芯片和MP2459芯片供电电路、按键电路、控制输出电路、位置检测电路、指示灯模块电路、蓝牙模块、LCD显示屏模块。系统硬件电路如图3所示。

图3 系统硬件电路

供电模块包括开关电源以及控制板上的电源转换芯片电路。整个平台由直流供电，供电电压为24 V、5 V和3.3 V。首先，通过开关电源将220 V的交流电转换成24 V的直流电，24 V的直流电给电机驱动器以及控制板的输入电源供电。控制板将24 V的直流电经过MP1593芯片的降压电路，使输出的电压变为直流5 V，再经过MP2459芯片电路使输出的电压变为3.3 V，对主控芯片、外围电路、LED灯、蓝牙等供电。所使用的MP1593芯片允许输入电压为4.75～28 V，可满足24 V的电压输入，且芯片的输出电流能达到3 A，工作效率高。该模块为整个控制平台提供所需要的电源[6]。

控制面板包括控制板电源开关、开始按键、暂停按键、复位按键、停止按键以及单片机复位按键。在平台工作中出现异常情况或者需要中止操作时，可以让测试人员随时介入，进行修改[7]。

显示模块包括两个部分。一部分是LCD屏幕显示。显示屏上可看到检测的总进程、当前行数、该行已测个数以及已完成检测数量，方便操作人员安排时间，以及查看实时进度。另一部分是控制板的输出和位置检测反馈电路的LED灯显示，可以根据LED灯的状态，判断单片机给出信号的顺序和接收信号的时间。例如：位置检测反馈灯常亮不灭，说明限位开关出现故障，处于一直关闭的状态。此时，整个控制系统就会报错。通过这些LED指示灯，检测人员可以更快地发现和解决问题。

蓝牙模块采用了HC-6型号的蓝牙2.0串口模块。该模块可以很好地实现与手机蓝牙的连接。其搭载印制电路板天线，可满足控制系统的性能要求，在10 m内能进行通信。操作人员只需通过手机端控制装置，使操作变得更加简便。整个操作过程只需要三步即可完成向系统供电、手机连上控制板的蓝牙、发送对应的指令。平台可进行自动检测[8]。

2 程序设计

2.1 整体程序设计

该程序的设计目的就是配合硬件达到预期的运行，以及联合便携式X荧光光谱分析仪进行自动、高效的检测。程序设计是在仪器现有功能的基础上进行仪器设置，使仪器进入自动检测保存结果的模式。工作流程如图4所示。

图4 工作流程图

仪器的检测端口和样品未接触时，仪器上的LED灯显示绿色且闪烁。当仪器检测口与样品接触时，LED绿灯常亮，3 s后仪器开始测试。当仪器进行测试时，仪器外部LED红灯闪烁。当仪器检测完成时，LED灯从红灯闪烁变为绿灯常亮。完成一次样品检测后，当Z轴移动进入下一次样品检测时，仪器与样品未接触，仪器继续绿灯闪烁，直至样品与仪器再次接触开始检测，红灯闪烁，依次循环。

2.2 运行过程算法思路

仪器在电机X、Y轴的配合下，以S形进行定位。每当定位到已设定好的样品位置时，再由Z轴进行上下调节，使样品与仪器充分接触。仪器的物料感应器检测到有样品位于测试端口下方则开始进行测试。等待测试时间达到预设值时，Z轴电机会由单片机控制回到初始位置，则一次样品检测完成，继而进行循环步骤。当X轴末端的位置检测限位开关闭合时，说明第一行样品数已经检测完毕。主控芯片会控制Y轴电机运动到下一行。X轴的电机开始以设定的规律进行反转，从而进行第二行的样品测试。当第二行的样品全部测完以后，X轴开始端的位置检测的限位开关闭合，单片机检测端收到信号，控制Y轴电机继续运动一个单位。每次电机的Z轴运动后，单片机会进行计数，与预设值进行对比。如果达到预设值，系统停止运行，检测完成；反之，则继续运行[9-10]。运行轨迹控制流程如图5所示。

图5 运行轨迹控制流程图

3 稳定性测试结果对比

3.1 试验仪器及样品

测试使用的仪器型号为自主研发的泰克松德TS-XH4000手持X射线光谱成分分析仪。本次试验使用该仪器对土壤GBW07401(GSS-1)标样进行稳定性测试。土壤样品GBW07401采自黑龙江西林铅锌矿区的暗棕壤。该标准样品一共有8个。

3.2 试验结果

根据统计结果，稳定性对比表如表1所示。本次研究土壤样品中的5种元素5次稳定性测试结果显示，本文设计的自动检测系统平台测试结果的稳定性与人工检测的稳定性相当，甚至更优。除了检测时间相等外，样品检测间隔时间上约是后者的三分之一，进而缩短总的测试时间。时间对比如表2所示。根据记录，样品数量越大，由于人工检测的间隔时间的不确定因素更多，可节省的时间越多。因此，配套使用本平台可以使检测效率大大提升。

表1 稳定性对比表

表2 时间对比表

4 结论

本文所设计的自动进样检测系统平台，可实现和X射线荧光光谱仪联合使用，达到自动化进样检测的目的，同时具有较强稳定性。该平台具备检测进程显示、异常情况中止选择模式、LED故障显示模式，可实现手机互联远程控制功能，具有操作简单、易上手等优点。该软件算法可以大幅度减少电机的运行。所设计的平台系统在自动进样检测与人工检测的稳定性上结果相当，但在除了检测时间相等外，样品检测间隔时间上约是后者的三分之一，缩短了总的测试时间。目前，该平台已经使用一年以上，运行期间故障率低，稳定性强。该平台还可以与近红外光谱仪等设备联用，适用范围广，具有较高的应用推广价值。