基于復(fù)旦微電子通用MCU FM33LC046U的螺栓壓緊力監(jiān)測裝置

在工程建設(shè)中，因螺栓連接松動造成巨大危害的實例屢見不鮮，因此對螺栓連接健康狀態(tài)的檢測工作變得至關(guān)重要。目前有多種關(guān)于螺栓連接狀態(tài)的檢測方法，如扭矩扳手法、貼片光彈法、聲彈性法、電阻應(yīng)變片法等，這些檢測方法大多基于視覺，需要工作人員現(xiàn)場觀察，十分耗時耗力。

本設(shè)計為一種能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程實時監(jiān)測螺栓連接狀態(tài)的在線監(jiān)測裝置，該裝置的主要原理為主動壓電陶瓷片產(chǎn)生超聲波透過螺栓連接界面時，螺栓連接界面實際接觸面積與正壓力相關(guān)，在一定范圍內(nèi)正壓力越大，實際接觸面積就越大，因此可以通過測量透過的波能量大小來映射出螺栓當(dāng)前的壓緊力，對螺栓連接的狀態(tài)進(jìn)行評價。

方案由中國計量大學(xué)的學(xué)生團(tuán)隊基于復(fù)旦微超低功耗MCU FM33LC046U設(shè)計，該方案獲得了“復(fù)微杯”2020年全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽硬件賽道三等獎。

主控芯片電路

裝置主要分為傳感器和控制電路兩部分，其中，控制電路部分以復(fù)旦微電子FM33LC046U單片機(jī)為核心，由電源模塊、激勵信號發(fā)生模塊、放大模塊等多個功能模塊構(gòu)成。

復(fù)旦微FM33LC046U超低功耗MCU基于ARM Cortex-M0內(nèi)核，最高主頻64MHz，支持256KB FLASH程序存儲器和24KB RAM，集成LCD驅(qū)動、帶溫補的RTC、SAR ADC、OPA、AES，以及UART、I2C、SPI、7816等通用外設(shè)接口。

基于FM33LC046U的螺栓壓緊力監(jiān)測裝置的工作電路原理圖如下：

基于FM33LC046U的螺栓壓緊力監(jiān)測裝置的工作電路原理圖

監(jiān)測工作流程

電路工作過程中，首先由FM33LC046U單片機(jī)控制激勵信號發(fā)生模塊產(chǎn)生一定范圍內(nèi)任意頻率的正弦激勵信號，驅(qū)動上結(jié)構(gòu)鋼件處的壓電陶瓷片進(jìn)行工作，使其產(chǎn)生能夠沿著結(jié)構(gòu)鋼件軸向傳播的超聲縱波。

超聲縱波在經(jīng)過上下結(jié)構(gòu)鋼件的連接處時會發(fā)生信號衰減，并由下結(jié)構(gòu)鋼件處的壓電陶瓷片進(jìn)行接收，下結(jié)構(gòu)鋼件處的壓電陶瓷片再將衰減后的信號交由信號接收模塊進(jìn)行濾波、放大，并取得有效值，最后輸入到FM33LC046U單片機(jī)內(nèi)置AD進(jìn)行信號采樣。

基于FM33LC046U的螺栓壓緊力監(jiān)測裝置的傳感器輸出信號處理模塊工作框圖如下：

基于FM33LC046U的螺栓壓緊力監(jiān)測裝置的傳感器輸出信號處理模塊工作框圖

整個裝置在工作時，會將接收壓電陶瓷片測量到的有關(guān)連接狀態(tài)的電信號在內(nèi)置的電路板上進(jìn)行分析，再將分析后得到的能夠表征螺栓連接狀態(tài)的數(shù)據(jù)以LORA無線傳輸模塊發(fā)送到遠(yuǎn)程接收端，并對于超過閾值的數(shù)據(jù)在接收端處進(jìn)行報警提示。實驗結(jié)果顯示，透過的超聲波能量與螺栓壓緊力之間有較好的相關(guān)性，該裝置能較好的評估出螺栓當(dāng)前的連接狀態(tài)。

基于FM33LC046U的螺栓壓緊力監(jiān)測裝置的壓緊力傳感器總體電路框圖如下：

基于FM33LC046U的螺栓壓緊力監(jiān)測裝置的壓緊力傳感器總體電路框圖

基于FM33LC046U的螺栓壓緊力監(jiān)測裝置的壓緊力傳感器電路實物圖如下：

基于FM33LC046U的螺栓壓緊力監(jiān)測裝置的壓緊力傳感器電路實物圖

創(chuàng)新之處

該方案利用波能量法測螺栓壓緊力，能夠監(jiān)測到很小的壓緊力波動，比應(yīng)變片測量方案更加靈敏，能夠更加及時的察覺到松動跡象。

配合設(shè)計的電路能夠完成遠(yuǎn)程無線實時在線檢測，并且能夠通過收集太陽能來進(jìn)行能量循環(huán)，可以長時間工作。

團(tuán)隊介紹

院校：中國計量大學(xué)

專業(yè)：控制工程

團(tuán)隊成員：彭明眾、高攀、蔣浩

指導(dǎo)教師：賈生堯

FM33LC0xxx系列

作為國產(chǎn)低功耗MCU的實力品牌，復(fù)旦微電子的芯片產(chǎn)品具有良好的穩(wěn)定性和抗干擾性，具備完善的底層驅(qū)動和例程。

其中，超低功耗MCU FM33LC0xxx系列具備豐富的外設(shè)資源和多樣的封裝類型，可應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、智能電子產(chǎn)品、通訊模塊、消防安防、健康醫(yī)療等諸多領(lǐng)域。

FM33LC0xxx系列MCU產(chǎn)品介紹

來源：復(fù)微MCU愛好者天地

審核編輯：湯梓紅