一种采用PIC单片机的摇动频率检测系统

电气与自动化马雪婧，等一种采用PIC单片机的摇动频率检测系统一种采用PIC单片机的摇动频率检测系统马雪婧，朱杰，王直，王加友江苏科技大学A电子信息学院，B材料科学与工程学院，江苏镇江212003摘要提出了一种基于单片机的焊接电弧摇动频率数字化检测方法及系统。通过步进电动机反复正反向转动使焊接电弧作同频率摇动，再借助槽式光电开关将电动机转动速率转换成脉冲电信号，并采用PIC单片机实时测量该低频开关脉冲电信号周期，计算出电弧摇动频率值送数字化显示试验结果表明该系统运行可靠，检测精度高，可方便与数字化焊接设备接口，具有工程实用价值。关键词摇动电弧焊接；PIC单片机；摇动频率中图分类号TP3681TG434文献标识码B文章编号16715276201205017603ADETECTIONSYSTEMOFSWINGFREQUENCYUSINGPICMICROPROCESSORMAXUEJING，ZHUJIE，WANGZHI，WANGJIAYOUASCHOOLOFELECTRONICINFORMATION；BSCHOOLOFMATERIALSCIENCEANDENGINEERING，JIANGSUUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGY，ZHENJIANG212003，CHINAABSTRACTTHISPAPERPRESENTWORKPROPOSESADIGITALDETECTIONAPPROACHANDSYSTEMOFWELDINGARCSWINGFREQUENCYBASEDONASINGLECHIPMICROPROCESSORASTEPPINGMOTORRUNSATREPEATEDLYFORWARDANDREVERSEROTATIONTOSWINGWELDINGARCATTHESAMEFREQUENCYASTHATOFTHEMOTORROTATIONINTHISSYSTEM，APHOTOELECTRICSWITCHISUTILIZEDFORTRANSFORMINGTHEROTATIONRATEOFSTEPPINGMOTORINTOANELECTRICALPULSEDSIGNAL，ANDTHENPICMICROPROCESSORISUSEDTOMEASURETHEPERIODOFTHISLOWFREQUENCYSIGNALINREALTIMEANDTOCALCULATEARCSWINGFREQUENCYFINALLYFORDIGITALDISPLAYTHERESULTSHOWSTHATTHESYSTEMOPERATESSMOOTHLY，ITSDETECTIONPRECISIONISHIGHANDITISEASYTOINTERFACEITWITHDIGITALWELDINGEQUIPMENTS，THUSITISOFGREATVALUETOENGINEERINGKEYWORDSSWINGARCWELDINGPICMICROPROCESSOR；SWINGFREQUENCY电动机作为机械的动力源，在机电一体化控制系统中获得了广泛应用。为了控制机电装置的整体状态，往往需要实时监控电动机的运行频率及转动位置。在常用系统中电动机一般单向旋转此时采用光电开关、接近开关或编码器作为传感器件，再根据传感器输出脉冲电信号的周期或在规定时间内的电脉冲个数L1，就可以方便地计算出电动机的转速。当电动机处于特定的正反双向运动模式时，采用上述传统检测方法或市售通用检测装置，一般难以直接获得电动机的转动频率。针对摇动电弧焊接系统中电动机反复正反转运动控制情形，本研究提出一种基于单片机的焊接电弧摇动频率数字化检测方法及系统。该系统利用槽式光电开关将电动机转动速率转换成脉冲电信号，再通过PIC单片机实时测量该开关脉冲电信号周期，计算出电弧摇动频率并进行数罕化显示。文中介绍了系统构成、检测原理及实现方法，并通过实例说明了该检测系统的有效性。L系统构成原理动系统工作原理如图1所示。该系统主要由空心轴步进电动机、光电传感机构包括光栅盘和光电开关、导电机构微弯型导电杆和导电嘴、控制器等构成。光栅盘和微弯型导电杆通过连接件与电动机轴固连，导电嘴与微弯EL对篓黧羹图焊她弧摇动系统构成原理对接焊接等多种场合。以窄间隙焊接应用为例，电弧摇一一基金项目江苏省科技支撑计划资助项目BE2011148；江苏省“六大人才高峰”计划资助项目；江苏省高校“青蓝工程”资助项目。作者简介马雪婧1992一，女，江苏盐城人，本科，主要研究为测控技术与仪器。通讯作者朱杰1984一，女，江苏南通，硕士，助教，主要研究为焊接自动化控制。176HTTPZZHDCHINAJOURNA1NETCNEMAILZZHDCHAINAJOURNA1NETCN机械制造与自动化电气与自动化马雪婧，等一种采用PIC单片机的摇动频率检测系统型导电杆相接。通过焊炬装配，保证光栅盘上的通光孑L对准光电开关中的光耦时，微弯型导电杆刚好弯向坡口中心的正前方即焊接方向。焊丝由送丝机送出，穿过电动机空心轴、微弯型导电杆后，从导电嘴中一BQL送出。光栅盘和光电开关构成一个光电传感机构，用于检测电弧摇动或电动机转动的频率和位置。控制器按设定的摇动角度、摇动频率、以及电弧在坡口两侧壁处停留时间，控制步进电动机正反转来驱动微弯型导电杆，带动焊丝端部的电弧在窄间隙焊接坡口内绕焊炬中心轴线00作圆弧形如图中双向箭头所示摇动，同时焊炬整体以焊接速度前行，实现摇动电弧焊接。在电弧摇动过程中，步进电动机同时带动光栅盘作相同角度和相同频率的往复转动，使光电开关中的光耦反复通断，从而产生一路脉冲开关电信号至控制器，以便监测摇动频率。2摇动频率检测方法及实现电弧摇动频率是一个重要的摇动工艺参数，其大小和稳定性直接影响焊缝成形品质，因此有必要对其进行实时检测，以便于监控与调节。21检测方法及系统原理在一个摇动周期内，电弧在坡口左右侧壁处将各停留一次数十至数百毫秒，以便形成足够的两侧壁熔深。受该侧壁停留时间和电动机动态品质的限制，实际的电弧摇动频率一般为数赫兹，属于低频范围。因此适宜通过脉冲周期法来测量J。相应地电弧摇动频率检测系统原理如图2所示，主要由槽式光电开关L4、单片机和显示器等构成。光电开关中光耦通断产生的脉冲电信号，经整形预处理后送入单片机。单片机通过对脉冲开关信号周期的精确测量，计算出电弧的实际摇动频率，并在将频率值转换成七段数码后送数显模块进行数字化显示。图2摇动频率检测系统构成框图22单片机选型本设计选用抗干扰能力强的PIC16F1508单片机作为摇动频率检测与显示的控制核心。该款单片机是PERIPHERYINTERFACECHIP，PIC系列单片机中的一种J，内部含有256个字节的数据存储器和4K字节的程序存储器具有18个双向可编程I0EL、3个定时计数器，支持USARTSPI及IC串行通信模式，还具有通电复位和断电锁定复位等功能。23检测电路及算法实现检测电路原理如图3所示。光电开关的输出信号经MACHINEBUILDING日AUTOMATION，JUN2012，41176178电容C，去毛刺后送人单片机的TMR0计数器端口。频率显示器LED1由三位带小数点的数码管构成采用动态显示方式。RC输出的高电平信号，直接驱动共阴极数码管的AG段和小数点DP位；RA。，RA。和RA发出的位选高电平信号，经三极管Q功率放大后，选通相应的数码管发光。通过串行接口RB和RB，可实现与其他数字化焊接设备的扩展连接。图3检测电路原理图当光栅盘上的通光孔对准光电开关中的光耦时光电接收管导通，光电开关输出高电平；反之，光电接收管截止，光电开关输出低电平。在一个摇动周期内通光孑L两次对准光耦使光电开关接通，于是便会产生一路类似图4所示的方波脉冲开关电信号输出。一个摇动周期图4摇动周期检测原理实际上在一些摇动电弧焊接应用场合下如窄间隙横向焊接、平位置角焊缝焊接等，电弧在工件坡EL两侧停留时间往往是不相同的，相应的，图4所示波形中的两个低电平持续时间有可能是不一样的。因此，需要对一个完整的摇动周期所对应的信号长度进行检测，才能正确地反映实际的摇动频率值。即使当电弧在工件坡口两侧停留时间一样时，增大信号的检测长度，也会有助于提高检测精度。相应的检测算法如下以开关信号的下降沿作为启动摇动周期检测的触发信号，当单片机通过RA，端口接收到信号的下降沿时，计数器TMR0开始计数，同时启动内部定时器TMR1开始计时；当信号下降沿出现时，计数器TMR0进行加“1”操作；当信号下降沿出现时，计数器TMR0产生计数溢出，使定时器TMR1停止计时，此时定时器TMR1的计时值即为摇动周期的大小，对其取倒数后即可得到摇动频率值。23检测信号实例分析图5所示为检测波形的一个实例。这里，设定摇动角度为120。电弧在坡口两侧壁停留时间各为40MS，示波器检测的摇动频率值为09727HZ。图中，DIR代表由单片机定时发出的步进电动机正反转控制信号，高电平表示L77电气与自动化马雪婧，等一种采用PIC单片机的摇动频率检测系统正转过程包括电动机正向转动和40MS右侧停留等两个阶段，低电平则表示反转过程包括电动机反向转动和40MS左侧停留等两个阶段；SINGAL代表光电开关的输出信号，高电平表示通光孔对准光耦、光电开关处于导通状态。LLIILSNGAL几LLIF如图5摇动频率检测波形实例FO9727HZ，T40MS可见，在电动机正转和反转过程中，光电开关输出信号各出现了一个整齐的高电平脉冲，相当于在一个摇动周期内出现了两个完整的脉冲。因此，通过检测TT之间的信号时长，就能求得电弧摇动频率的大小。实际上，此时单片机检测得到的摇动频率值为097HZ，其相对检测误差为028。另外，在不同的摇动角度和侧壁停留时间条件下，针对0540HZ的摇动频率范围，还进行了多组类似的分析测试试验，以便在更宽的摇动频率范围内评估其检测精度。试验结果表明，根据摇动频率的单片机检测值和示波器检测值求得的相对检测误差均未超过1满足设计要求。3结论针对步进电动机反复正反向转动使焊接电弧作同频率摇动的情形，构建了一种基于PIC单片机的电弧摇动频率检测系统。该系统采用槽式光电开关将一个摇动周期内光耦的两次通断信号转换成脉冲电信号，单片机通过对其相邻两个电脉冲周期的测量，能精确地计算出电弧摇动频率大小并送数字化显示。试验结果表明在0540HZ的实用摇动频率范围内，相对检测误差未超过1，满足精度设计要求。参考文献1王海，王霞一种汽车超速报警系统的设计J机械制造与自动化，2010，394159160，1752JIAYOUWANG，JIEZHU，PINGFU，ETA1ASWINGARCSYSTEMFORNARROWGAPGMAWELDINGJISIJINTERNATIONAL，2012，5211101143高伟，金勇一种基于TMS320F2812的电机转速测量方法J机床与液压，2011，39694954欧姆龙自动化中国有限公司巨槽型接插件式微型光电传感器EESX4767DBOLHTTPWWWFAOMRNNTOMCNPRODUCTPRODUCTDETAILJSPPRODUCTID6535李学海PIC单片机实用教程提高篇M北京北京航空航天大学出版社2007收稿日期20120702上接第167页OABEFCH21T4其中，CD，0，分别为对应于四条直线A，CD，GH斜率确定的倾角。电池片的位置误差以及转角误差输出结果如图4所示图4位置误差及转角误差输出结果图3结论为了提高太阳能焊接机的焊接精度和焊接速度提出了用机器视觉的方法来在线检测太阳能电池片的位置误差。首先采用最小误差法对图像进行阈值分割。然后用轮178廓提取的方法提取出电池片的轮廓。实验分析中采用HOUGH变换直线检查的方法得到了电池片边缘及三线所在直线，最后计算出电池片的位置误差。该定位方法较传统的机械定位方法而言。提高了焊接机的精度和焊接速度，节省了劳动力成本。参考文献1谷