毕业设计-基于PIC单片机的电阻焊机的控制系统设计.doc

本科毕业设计说明书基于pic单片机的电阻焊机的控制系统设计the system of resistance welder controller based on pic 学院（部）： 电气与信息工程学院 专业班级： 电气工程及其自动化 学生姓名： 林幸福 指导教师： 杨岸副教授 2012 年 5 月 12 日安徽理工大学毕业论文基于pic单片机的电阻焊机的控制系统设计摘 要本文主要设计一个基于单片机芯片pic16f1947的电阻焊机控制系统。根据设定的焊接热量，单片机进行数据采集，运算处理，再控制晶闸管（scr）的导通角，来实现焊机焊接时的焊接温度的控制。本系统由过零信号电路，面板显示设置电路，脚踏触发电路，脉冲控制电路，气阀控制电路及单片机系统电路构成。关键词： 电阻焊机，晶闸管（scr），pic16f1947单片机 the system of resistance welder controller based on picabstractthis thesis to design a single chip pic16f1947-base resistance welding machinecontrol system.according to the srtting of the welding heat,the microcontroller for data acquisition,computing processing,to control the conduction angle of the thyristor (scr)to achieve the temperature of the welder when welding.the system consists of dataacquisition circuit,a zero-signal circuit panel display setting circuit,foot to the startingcircuit,the pulse control circuit,the valve control circuit and microcontroller system circuit.keywords：resistance welding machine, thyristor(scr), pic16f1947microcontroller49目 录摘要（中文）iabstractii1 绪论11.1 电阻焊的介绍11.1.1 电阻焊定义11.1.2 电阻焊优点11.1.3 电阻焊缺点11.2 电阻焊基本原理:21.2.1 焊接热的产生及影响产热的因素21.2.2 电阻r及影响r的因素21.2.3 焊接电流的影响31.2.4 焊接时间的影响41.2.5 电极压力的影响41.2.6 电极形状及材料性能的影响41.2.7 工件表面状况的影响41.2.8 热平衡、散热及温度分布51.2.9 系统研究的方向62 系统硬件设计82.1 系统硬件框图和接线图82.1.1 系统控制对象82.1.2 系统方框图82.1.3 系统控制器与系统控制对象的接线图92.2 晶闸管介绍92.2.1 概述92.2.2 晶闸管的结构与工作原理102.2.3 晶闸管的基本特性112.2.3.1 静态特性112.2.3.2 动态特性132.3 核心板142.3.1 单片机最小系统142.3.2 可控硅驱动电源电路152.3.3 单片机电源电路162.3.4 气阀脚踏电源回路172.3.5 电压过零检测回路182.3.6 脚踏开关回路202.3.7 气阀驱动回路212.3.8 可控硅控制回路222.3.9 报警电路242.4 面板242.4.1 矩阵键盘242.4.2 串转并接口252.4.3 面板总图263 系统软件介绍283.1 开发环境的介绍283.2 总流程图的介绍293.3 定时器0的介绍303.4 定时器1的介绍313.5 定时器2的介绍323.6 电平变化中断的介绍33结论35参考文献36附录37致谢441 绪论1.1 电阻焊的介绍1.1.1 电阻焊定义电阻焊是将被焊工件压紧于两电极之间，并通以电流，利用电流流经工件接触面及邻近区域产生的电阻热将其加热到熔化或塑性状态，使之形成金属结合的一种方法。电阻焊方法主要有四种，即点焊、缝焊、凸焊、对焊。点焊时，工件只在有限的接触面上，即所谓“点”上被焊接起来，并形成扁球形的熔核。点焊又可分为单点焊和多点焊。多点焊时,使用两对以上的电极，在同一工序内形成多个熔核。凸焊是点焊的一种变型。在一个工件上有预制的凸点。凸焊时，一次可在接头处形成一个或多个熔核。1.1.2 电阻焊优点（1）熔核形成时，始终被塑性环包围，熔化金属与空气隔绝，冶金过程简单。（2）加热时间短、热量集中。故热影响区小，变形与应力也小，通常在焊后不必安排校正和热处理工序。（3）不需要焊丝、焊条等填充金属，以及氧、乙炔、氦等焊接材料，焊接成本低。（4）操作简单，易于实现机械化和自动化，改善了劳动条件。（5）生产率高，且无噪声及有害气体，在大批量生产中，可以和其他制造工序一起编到组装线上。但闪光对焊因有火花喷溅，需要隔离。1.1.3 电阻焊缺点（1）目前还缺乏可靠的无损检测方法，焊接质量只能靠工艺试样和工件的破坏性试验来检查，以及靠各种监控技术来保证。（2）点、缝焊的搭接接头不仅增加了构件的重量，且因在两板之间的熔核周围形成夹角，致使接头的抗拉强度和疲劳强度均降低。（3）设备功率大，机械化、自动化程度较高，使设备成本较高，维修较困难，并且常用的大功率单相交流焊机不利于电网的工常运行。随着航空航天、电子、汽车、家用电器等工业的发展，电阻焊越来越受到社会的重视，同时，对电阻焊的质量也提出了更高的要求。可喜的是，我国微电子技术的发展和大功率可控硅、整流器的开发，给电阻焊技术的提高提供了条件。目前我国已生产了性能优良的次级整流焊机由集成元件和微型计算机制造的控制箱已用于新焊机的配套和老焊机的改造。恒流、动态电阻，热膨胀等先进的闭环监控技术已开始在生产中推广应用。这一切都将有利于提高电阻焊质量，并扩大其应用领域。1.2 电阻焊基本原理1.2.1 焊接热的产生及影响产热的因素点焊时产生的热量由下式决定：q =i2rt（j） （1-1）式中 q产生的热量（j）i焊接电流（a）r电极间电阻（）t焊接时间（s）1.2.2 电阻r及影响r的因素式（1-1）中的电极间电阻包括工件本身电阻rw两工件间接触电阻rc。电极与工件间接触电阻rew。r2rw+rc+2rew （1-2）当工件和电极已定时，工件的电阻取决于它的电阻率。由此，电阻率是被焊材料的重要性能指标。电阻率高的金属其导热性差（如不锈钢），电阻率低的金属其导热性好（如铝合金）。因此，点焊不锈钢时产热快而散热慢，点焊铝合金时产热慢而散热快。点焊时，前者可以用较小电流（几千安培），后者就必须用很大电流（几万安培）。电阻率不仅取决于金属种类，还与金属的热处理状态和加工方式有关。通常金属中含合金元素越多，电阻率就越高。淬火状态又比退火状态的高。例如退火状态的ly12 铝合金电阻率为4.3cm，淬火时效的则高达7.3cm。金属经冷作加工后，其电阻率也增高。各种金属的电阻率还与温度有关，随着温度的升高电阻率增高，并且金属熔化时的电阻率比熔化前高12倍。随着温度升高，除电阻率增高使工件电阻增高外。同时金属的压溃强度降低，使工件与工件、工件与电极间的接触面增大，因而引起工件电阻减小。点焊低碳钢时。在两种矛盾着的因素影响下，加热开始时工件电阻逐渐增高。熔核形成时又逐渐降低。这一现象，给当前已开始应用于生产的动态电阻监控提供了依据。电极压力变化将改变工件与工件、工件与电极间的接触面积，从而也将影响电流线的分布。随着电极压力的增大，电流线的分布将较分散，因而工件电阻将减小。熔核开始形成时，由于熔化区的电阻增大，将迫使更大部分电流从其周围的压接区（塑性焊接环）流过。使该区再陆续熔化，熔核不断扩展，但熔核直径受电极端面直径的制约，一般不超过电极端面直径的20%，熔核过分扩展，将使塑性焊接环因失压而难以形成，而导致熔化金属的溅出（飞溅）。式（1-2）中的接触电阻rc由两方面原因形成：（1）工件和电极表面有高电阻系数的氧化物或脏物层，使电流受到较大阻碍。过厚的氧化物和脏物层甚至会使电流不能导通。（2）在表面十分洁净的条件下，由于表面的微观不平度，使工件只能在粗糙表面的局部形成接触点。在接触点处形成电流线的收拢，由于电流通道的缩小而增加了接触处的电阻。电极压力增大时，粗糙表面的凸点将被压溃。凸点的接触面增大，数量增多，表面上的氧化膜也更易被挤破。温度升高时，金属的压溃强度降低（低碳钢600时，铝合金350时，压溃强度趋于0），即使电极压力不变，也会有凸点接触面增大、数量增多的结果。可见，接触电阻将随电极压力的增大和温度的升高而显著减小。因此，当表面清理十分洁净时，接触电阻仅在通电开始极短的时间内存在，随后就会迅速减小以至消失。接触电阻尽管存在的时间极短，但在以很短的加热时间点焊铝合金薄件时，对熔核的形成和焊点强度的稳定性仍有非常显著的影响。rew与rc相比，由于铜合金的电阻率和硬度一般比工件低，因此rew比rc更小，对熔核形成的影响也更小。1.2.3 焊接电流的影响从公式（1-1）可见，电流对产热的影响比电阻和时间两者都大。因之，在点焊过程中，它是一个必须严格控制的参数。引起电流变化的主要原因是电网电压波动和交流焊机次级回路阻抗变化。阻抗变化是因回路的几何形状变化或因在次级回路中引入了不同量的磁性金属。对于直流焊机，次级回路阻抗变化，对电流无明显影响。图1-1 焊接电流iw对焊点抗剪强度f的影响除焊接电流总量外，电流密度也对加热有显著影响。通过已焊成焊点的分流，以及增大电极接触面积或凸焊时的凸点尺寸，都会降低电流密度和焊接热，从而使接头强度显著下降。随着电流的增大，熔核尺寸和接头的抗剪强度将增大（如图1-1）。图中曲线的陡峭段ab，相当于未熔化焊接，倾斜段bc，相当于熔化焊接。接近c点处，抗剪强度增加缓慢，说明电流的变化对抗剪强度影响小。因此，点焊时应选用接近c点的电流。越过c点后，由于飞溅或工件表面压痕过深，抗剪强度会明显降低。最近几年已逐渐应用于生产的恒流闭环监控技术，能有效地克服网压波动和次级回路阻抗变化的影响，分流影响也能以计算机自动调整相邻各点的焊接电流来解决，使焊点强度的稳定性有较可靠的保证。1.2.4 焊接时间的影响为了保证熔核尺寸和焊点强度，焊接时间与焊接电流在一定范围内可以互为补充。为了获得一定强度的焊点，可以采用大电流和短时间（强条件，又称强规范），也可以采用小电流和长时间（弱条件，又称弱规范）。选用强条件还是弱条件，则取决于金属的性能、厚度和所用焊机的功率。但对于不同性能和厚度的金属所需的电流和时间，都仍有一个上、下限，超过此限，将无法形成合格的熔核。1.2.5 电极压力的影响电极压力对两电极间总电阻r有显著影响，随着电极压力的增大，r显著减小。此时焊接电流虽略有增大，但不能影响因r减小而引起的产热的减少。因此，焊点强度总是随着电极压力的增大而降低。在增大电极压力的同时，增大焊接电流或延长焊接时间，以弥补电阻减小的影响，可以保持焊点强度不变。采用这种焊接条件有利于提高焊点强度的稳定性。电极压力过小，将引起飞溅，也会使焊点强度降低。1.2.6 电极形状及材料性能的影响由于电极的接触面积决定着电流密度，电极材料的电阻率和导热性关系着热量的产生和散失，因而电极的形状和材料对熔核的形成有显著的影响。随着电极端头的变形和磨损，接触面积将增大，焊点强度将降低。1.2.7 工件表面状况的影响工件表面上的氧化物、污垢、油和其他杂质增大了接触电阻。过厚的氧化物层甚至会使电流不能通过。局部的导通，由于电流密度过大，则会产生飞溅和表面烧损。氧化物层的不均匀性还会影响各个焊点加热的不一致，引起焊接质量的波动。因此，彻底清理工件表面是保证获得优质接头的必要条件。1.2.8 热平衡、散热及温度分布点焊时，产生的热量q只有较小部分用于形成熔核，较大部分将因向邻近物质的传导和辐射面损失掉。其热平衡方程式如下：q = q1 + q2式中 q1形成熔核的热量；q2损失的热量。有效热量q1 取决于金属的热物理性质及熔化金属量，而与所用的焊接条件无关。q11030%q，电阻率低、导热性好的金属（铝、铜合金等）取低限；电阻率高、导热性差的金属（不锈钢、高温合金等）取高限。损失的热量q2 主要包括通过电极传导的热量（3050%q）和通过工件传导的热量（20%q）。辐射到大气中的热量只约占5%，可以忽略不计。通过电极传导的热量是主要的散热损失，它与电极的材料、形状、冷却条件，以及所采用的焊接条件有关。例如采用硬条件的热损失，就要比采用软条件小得多。由于损失的热量随焊接时间的延长和金属温度的升高而增加，因此，当焊接电流不足时，只延长焊按时间，会在某一时刻达到热量的产生与散失相平衡，继续延长焊接时间，将无助于熔核的增大。这说明了用小功率焊机不能焊接厚钢板和铝合金的原因。在不同厚度工件的点焊中，还可以通过控制电极的散热（改变电极的材料或接触面积，采用附加垫片等），以改善熔核的偏移、增加薄件一侧的焊透率。焊接区的温度分布是产热与散热的综合结果。最高温度总是处于焊接区中心，超过被焊金属熔点tm的部分形成熔化核心。核内温度可能超过tm（焊钢时超出200300），但在电磁力的强烈搅动下，进一步升高是困难的。由于电极的强烈散热，温度从核界到工件外表面降低得很快。外表面上的温度通常不超过（0.40.6）tm。温度在径向内也随着离开核界的距离而比较迅速地降低。被焊金属的导热性越好、所用条件越软，这种降低就越平缓，温度梯度也越小。缝焊时，由于熔核不断形成，对已焊部位起到后热作用，未焊部位起到预热作用，故缝焊时的温度分布要比点焊时平坦，又因已焊部位有分流加热，以及由于滚盘离开后散热条件变坏的影响，因此，沿度分布沿工件前进方向前后不对称，刚从滚盘下离开的金属温度较高。焊接速度越大，则散热条件越坏，预热作用越小，因之温度分布不对称的现象越明显。采用硬条件或步进缝焊能够改善这种现象，使温度分布更接近点焊。温度分布曲线越平坦，则接头的热影响区越大，工件表面越容易过热，电极越容易磨损，因此，在焊机功率允许的条件下，宜采用硬条件焊接。1.2.9 系统研究的方向大多数的电阻焊是在数十个周波的极短的时间内完成的，而且因为是发生在金属接触内部的现象，很难在焊接中边观察边控制电流以及其他影响焊接的诸因素，因此，实际焊按时都是通过对下图的诸因素进行事前研究、把握、实验、观察来决定最适用的组合条件。焊接电流、加压力、通电时间被称为电阻焊接的三大要素。图1-2 焊接影响因素（1）焊接电流由于电阻产生的热量与通过的电流的平方成正比，因此焊接电流是产生热量的最重要的因素。焊接电流的重要性还不单纯指焊接电流的大小，电流密度的高低也是很重要的。图1-3 焊接电流影响（2）加压力加压力是热量产生的重要因素。加压力是施加给焊接处的机械力量，通过加压力使接触电阻减少，使电阻值均匀，可防止焊接时的局部加热，使焊接效果均匀。图1-4 加压力影响（3）通电时间通电时间也是产生热量的重要因素。通电产生的热量通过传导来释放，即使总的热量一定，由于通电时间的不同，焊接处的最高温度就不同，焊接结果也不一样。（4）电流波形发热与加压在时间上的最佳组合对电阻焊是非常重要的，为此焊接过程中各瞬间的温度分布必须适当。根据被焊物材质及尺寸，使在一定时间内流过一定的电流，对于接触部的发热，若加压迟缓，将引起局部加热，恶化焊接效果。另外，若电流急剧停止，焊接部骤冷会产生裂痕和材质脆化。因此，应在主电流通过的之前或之后，通以小电流，或在上升和下降电流中加入脉冲。（5）材料的表面状态接触电阻是与接触部的发热直接相关的因素，在加压力一定时，接触电阻决定于焊接物表面的状态，即材质决定后，接触电阻取决于金属表面的细小凹凸与氧化膜。细小凹凸有利于得到接触电阻期望的发热范围，但由于气化膜的存在，使电阻增大，会导致局部加热，所以还是应当清除掉。2 系统硬件设计2.1 系统硬件框图和接线图2.1.1 系统控制对象图2-1 系统控制电路本论文主要研究的控制对象如上图所示，220v标准的交流电经过晶闸管的控制到焊接变压器的原端，再由焊接变压器的二次端连接电阻焊机的两个焊接头。通过本文所述的控制系统对晶闸管的导通脚进行控制，并且对预定的焊接热量，气阀施加的压力，脚踏的启动信号进行处理。如果出现错误，还有相关的报警电路进行适时的报警提示。上图中，r和c的作用为抑制换向过电压，起到保护可控硅的作用。电阻rv是压敏电阻，为了有效地吸收可控硅两端的过电压。在焊接变压器的原边并联的电阻rp是大功率的电阻，用以改善焊接变压器空载时的功率因数。2.1.2 系统方框图图2-2 系统方框图本系统的电源来自标准的交流电源，经过变压处理得到相关的低压。低压电源共三路，一路供单片机系统，一路供脚踏气阀驱动，一路供可控硅触发驱动。三个输入信号，分别是：按键信号，用于设定参数的；脚踏信号，用于启动焊接的；过零检测信号，用于实现导通脚的基准点。四个输出信号，分别是：显示，用于显示具体焊接参数和设定参数；气阀，用于实现焊接物件的焊接压力；报警，用于提示错误或误操作；晶闸管触发信号，用于驱动晶闸管。2.1.3 系统控制器与系统控制对象的接线图图2-3 控制系统与焊机接线图本图表述了电阻焊机的控制器与外部的线路的连接方式。380v的电源为控制器提供了电压过零信号，采样电压和电流，气动阀的控制电压，脚踏开关的电源和控制器电源。经过控制器的运算和处理，将计算后得到的晶闸管控制脉冲pwm，经过脉冲电路输出晶闸管的控制端k1，g1，k2，g2。2.2 晶闸管介绍2.2.1 概述晶闸管（thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（silicon controlled rectifierscr）。1956年美国贝尔实验室（bell lab）发明了晶闸管；1957年美国通用电气公司（ge）开发出第一只晶闸管产品；1958年商业化,开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代；20世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代；能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位。晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型普通晶闸管。广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件。外形有螺栓型和平板型两种封装：引出阳极(anode)a、阴极(kathode)k和门极(gate)（控制端）g三个联接端。对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器(radiator)紧密联接且安装方便；平板型封装的晶闸管可由两个散热器(radiator)将其夹在中间。图2-4 晶闸管示意图2.2.2 晶闸管的结构与工作原理晶闸管可用如图2-5所示的等效电路来表示。ic1 = 1ia + icbo1 （2-1）ic2 = 2ik + icbo2 （2-2）ik = ia + ig （2-3）ia = ic1 + ic2 （2-4）式中1和2分别是晶体管v1和v2的共基极电流增益；icbo1和icbo2分别是v1和v2的共基极漏电流。由以上式（2-1）（2-4）可得ia = （2-5）图2-5 晶闸管原理图晶闸管的特性是：在低发射极电流下是很小的，而当发射极电流建立起来之后，迅速增大。阻断状态：ig=0，很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和；开通（门极触发）：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致趋近于1的话，流过晶闸管的电流ia（阳极电流）将趋近于无穷大，实现饱和导通。ia实际由外电路决定。其他几种可能导通的情况：1）阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应；2）阳极电压上升率du/dt 过高；3）结温较高；4）光直接照射硅片，即光触发，光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中之外，其它都因不易控制而难以应用于实践，称为光控晶闸管（light triggered thyristorltt）。只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的控制手段。2.2.3 晶闸管的基本特性2.2.3.1 静态特性承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通；承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通；晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用；要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。晶闸管的阳极伏安特性是指晶闸管阳极电流和阳极电压之间的关系曲线，如图2-6所示。其中：第i象限的是正向特性；第iii象限的是反向特性。图2-6 晶闸管阳极伏安曲线图ig=0时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压超过临界极限即正向转折电压ubo，则漏电流急剧增大，器件开通。这种开通叫“硬开通”，一般不允许硬开通；随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低；导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿；晶闸管本身的压降很小，在1v左右；导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值ih以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。ih称为维持电流。晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极管的反向特性；阴极是晶闸管主电路与控制电路的公共端；晶闸管的门极触发电流从门极流入晶闸管，从阴极流出，门极触发电流也往往是通过触发电路在门极和阴极之间施加触发电压而产生的。晶闸管的门极和阴极之间是pn结j3，其伏安特性称为门极伏安特性，如图2-7所示。图中abcgfed所围成的区域为可靠触发区；图中阴影部分为不触发区；图中abcjih所围成的区域为不可靠触发区。为保证可靠、安全的触发，触发电路所提供的触发电压、电流和功率应限制在可靠触发区。图2-7 晶闸管门极伏安图2.2.3.2 动态特性晶闸管的动态特性主要是指晶闸管的开通与关断过程，动态特性如图2-8所示。图2-8 晶闸管动态特性图开通过程:开通时间tgt包括延迟时间t d与上升时间t r，即tgt=td +tr （2-6）延迟时间td：门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的10%的时间。上升时间tr：阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间。普通晶闸管延迟时间为0.51.5ms，上升时间为0.53ms。关断过程:关断时间tq ：包括反向阻断恢复时间trr 与正向阻断恢复时间tgr，即tq=trr +tgr （2-7）普通晶闸管的关断时间约几百微秒。反向阻断恢复时间trr：正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间。正向阻断恢复时间tgr：晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间。注:1）在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通。2）实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力，电路才能可靠工作。2.3 核心板2.3.1 单片机最小系统图2-9 控制芯片microchip公司的pic系列单片机产品，其突出的特点是体积小，功耗低，精简指令集，抗干扰性能好，可靠性高，有较强的模拟接口，代码保密性好，大部分芯片有其兼容的flash程序存储器芯片。pic16f1947是其公司的一款高性能的8位单片机。它是带lcd驱动器、采用nanowatt xlp技术的64引脚8位cmos闪存单片机。i/o口多，驱动能力强，具有集成的lcd控制器模块、电容触摸传感模块、10位14通道的ad转换模块、多达5个不同位数的定时/计数器模块、比较/捕捉/pwm模块、spi/iic/串口通行模块、sr锁存器模块等模块。本论文主要用到pic16f1947单片机中的定时器模块，外部电平变化中断模块、pwm模块、spi通信模块、eeprom模块等。图2-10 最小系统2.3.2 可控硅驱动电源电路图2-11 可控硅驱动电源电路本系统为了晶闸管可靠的导通与关断，可控硅触发信号要求一定要稳定。上图即为触发信号的电源。交流220v经过电压器变换为交流24v，交流24v再经过整流桥db1后成半波。半波经过电容c8、c9的滤波成较为平稳的直流24v，即图上的2575点为直流24v，这一电源也为后面的单片机系统提供电源。此时得到的较为平稳的直流24v电中，还是含有着波动和谐波，为了提高系统的稳定可靠性，再通过三端集成稳压器7824来进一步的平稳和去谐波处理。经过三端集成稳压器处理后，将会得到稳定的，低谐波污染的直流24v电压。电路中发光二极管d1和限流电阻r2回路是该电源指示作用。三端集成稳压器7824有着稳定性高和内部电路有完善的保护措施，又具有使用方便、可靠、价格低廉等优点，现在得到广泛的应用。本电路的三端集成稳压器7824电路中，两个104电容c9和c10用来实现频率补偿，防止稳压器产生的高频自激振荡和抑制电路引入的高频干扰，在具体的电路设计中，要尽可能的将这两个电容靠近三端集成稳压器。c11是电解电容，以减少稳压器电源输出端由输入电源引入的低频干扰。d3是保护二极管，当稳压器的输入端短路时，给输出电容c11一个放电通路，防止电容c11两端电压作用于稳压器上造成稳压器内部电路的损坏。2.3.3 单片机电源电路图2-12 单片机电源电路本系统的主控芯片pic16f1947工作电压为1.8v-5.5v直流电，因此需要独立出一路5v直流电源。将控硅驱动电源电路中的直流24v电源（即电路图中2575点）作为稳压器lm2575的输入，再经过储能电感l3和滤波电容c13后将得到直流5v电源。图中d4是续流二极管，其选择应满足正向额定电流必须大于负载电流，耐压值必须大于输人电压。储能电感l3的容量按 l = v0(1 - vo/vi)/(2fi0min)来计算。其中vi为lm2576输入电压，iomin为开关稳定器输出电流的最小值，f为开关管工作频率，vo为输出电压。本系统中，v0为5v, vi为24v，稳压器的开关管工作频率查手册为52khz，利用上述公式粗略计算约为330uh。出输出端滤波电容c13的计算，按 c = v0(1 - vo/vi)/(8f2lvo)公式计算。其中vo为开关稳定器输出电压纹波分量。同理粗略计算取470uf的电解电容。图2-13 lm2576hvt-5.0的管脚定义图本系统中所用的稳压器lm2576hvt-5.0是宽电压输入，固定直流5v电压输出的开关型降压稳压器。上图是lm2575hvt-5.0集成稳压器的引脚排列。其引脚功能如下：vin：未稳压电压输入端；output：开关电压输出，接电感及快恢复二极管；ground：公共端；feedback：反馈输入端；on/off：控制输入端，接公共端时，稳压电路工作；接高电平时，稳压电路停止。稳压器lm2575系列开关稳压集成电路是美国国家半导体公司生产的1a集成稳压电路，它内部集成了一个固定的振荡器，只须极少外围器件便可构成一种高效的稳压电路，可大大减小散热片的体积，而在大多数情况下不需散热片；内部有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等；芯片可提供外部控制引脚。是传统三端式稳压集成电路的理想替代产品。该系列分为lm1575、lm2575及lm2575hv三个系列，其中lm1575为军品级产品，lm2575为标准电压产品，lm2575hv为高电压输入产品。每一种产品系列均提供3.3v、5v、12v、15v及可调（adj）等多个电压档次产品。除军品级产品外，其余两个系列均提供to-200直脚、to-220弯脚、塑封dip-16脚、表面安装dip-24脚、表面安装t-263-5脚等多种封装形式，并分别用后缀t、flow lb3、n、m、s表示。对于5v输出的lm2575产品，不同的封装形式，其完整表示分别为lm2575t-5.0、lm2575t-5.0 flow lb03、lm2575n-5.0、lm2575m-5.0、lm2575s-5.0。lm2575内含52khz振荡器、基准电路、热关断电路、电流限制电路、放大器、比较器及内部稳压等电路。将稳压输出的电压接到反馈输入端的目的是同内部电压基准比较，若电压偏低，则用放大器来控制内部振荡器以提高输出占空比，从而提高输出电压。2.3.4 气阀脚踏电源回路图2-14 气阀脚踏电源回路用来给焊机的两个焊接头施加压力的气阀和用来启动焊机工作的脚踏的工作电压都是直流24v电源，为了提高可控硅的可靠性，此24v直流电源没有用可控硅驱动电源电路中的24v直流电。而是独立的设计了气阀脚踏电源回路。此电源回路大致和可控硅驱动电源回路，单片机电源回路相差不多，是两者的结合。220v标准交流电经变压器变压至交流24v，再经过整流桥db2成半波，然后通过滤波电容c22、c65滤波，最后用稳压器lm2576构成的输出可调型电路进行稳压。电路中发光二极管d2和限流电阻r8回路是该电源指示作用。本电源回路中的稳压器lm2576和单片机电源回路中lm2575作用大致相仿，用法也一样，唯一的不同是，lm2576的输出是可调的，而lm2575的输出是稳定的。输出电压的调节可通过调节可调电阻rw1来达到。2.3.5 电压过零检测回路本系统中对可控硅的控制周期是标准交流电周期的一半，而且导通角的计算是以标准交流电的过零点为基点的，所以要有电压过零检测回路。该电路的工作原理是将标准交流电经过变压器变压成交流12v（频率、相位和标准交流电的频率、相位都是相同的），再经过整流桥db3后整流成半波（频率比标准交流电增加一倍，相位和标准交流电相同），通过限压限流电阻r133后直接接到三极管bd235的基极。当半波电压大于三极管vbe的导通条件（约0.7v）时，三极管的集电极和发射极将连通，此时三极管的集电极将输出低电平；反之，三极管的集电极和发射极将阻断，此时三极管的集电极将输出高点电平。所以通过该电路，可以将标准交流电的电压过零转换成脉冲信号，过零时，产生一个高电平的脉冲。将此脉冲作为单片机的外部电平变化中断，实现了模拟上的过零到数字上的脉冲中断，方便单片机的处理。图2-15 电压过零检测回路图2-16 过零信号仿真图2.3.6 脚踏开关回路图2-17 脚踏开关回路本系统中脚踏信号担任了启动焊接的作用。foot1管脚接脚踏开关再接地线。infoot1管脚接单片机。tlp521是可控制的光电藕合器件。图2-18 光电耦合器光耦合器（optical coupler，英文缩写为oc）亦称光电隔离器或光电耦合器，简称光耦。它是以光为媒介来传输电信号的器件，通常把发光器（红外线发光二极管led）与受光器（光敏半导体管）封装在同一管壳内。当输入端加电信号时发光器发出光线，受光器接受光线之后就产生光电流，从输出端流出，从而实现了“电光电”转换。普通光耦合器只能传输数字（开关）信号，不适合传输模拟信号。近年来问世的线性光耦合器能够传输连续变化的模拟电压或模拟电流信号，使其应用领域大为拓宽。光耦合器的主要优点是单向传输信号，输入端与输出端完全实现了电气隔离，抗干扰能力强，使用寿命长，传输效率高。它广泛用于电平转换、信号隔离、级间隔离 、开关电路、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器(ssr)、仪器仪表、通信设备及微机接口中。在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。脚踏开关回路的工作原理是：当有脚踏信号时，foot1管脚将连接地线，此时脚踏电源通过限流限压电阻后流经光耦的输入端，再流回脚踏电源的地线。光耦的输入有效，使得光耦的输出端两管脚导通。光耦的输出端电路将连接地线，单片机的infoot1管脚将输入低电平；当无脚踏信号时，foot1管脚将悬空，此时光耦的输入端无效，光耦的输出端将两管脚不导通。光耦的输出端电路将连接高电平，单片机的infoot1管脚将输入高电平。2.3.7 气阀驱动回路图2-19 气阀驱动回路气阀驱动回路同样用光端耦合器进行电平隔离。单片机out1管脚作为输出管脚，jexian1管脚作为气阀控制管脚。气阀的工作电压是直流24v，pic16f1947单片机的输出电压为直流5v，所以不能直接驱动气阀。通过光耦的隔离控制就可实现不同电平间的控制。气阀驱动的工作原理和脚踏一样。当单片机发出对焊机的两个焊接头施加压力的有效信号时，out1管脚输出高电平（直流5v），此时三极管q2的基极和发射极间的电压vbe大于导通条件，这时集电极和发射极连通，光电耦合器u4的输入回路导通，使得光电耦合器输入有效。则光电耦合器的输出端两管脚连通，jexian1管脚连接到直流24v电源上，气阀工作；当单片机不发出对焊机的两个焊接头施加压力的有效信号时，out1管脚输出低电平，此时三极管q2的基极和发射极间的电压vbe小于导通条件，这时集电极和发射极断开，光电耦合器u4的输入回路不导通，光电耦合器输入无效。则光电耦合器的输出端两管脚断开，jexian1管脚连接到地上，气阀停止工作。2.3.8 可控硅控制回路图2-20 可控硅控制回路如上图所示，kkg管脚接单片机的pwm生成管脚，k1、g1、k2、g2四个管脚接晶闸管的控制端，t1是脉冲变压器，当kkg管脚的电平由低变高时，q1的c极和e极连通，24v电源由脉冲变压器t1的一次端流经r39，q1至地，脉冲变压器充电，二次端g1输出高电平，g2输出低电平。同理，当kkg管脚的电平由高变低时，二次端g1输出低电平，g2输出高电平。下图展示的是在不同导通角下的电压波形图。（a） 全导通（b） 部分导通（c） 部分导通（d） 部分导通图2-21 晶闸管在不同导通角时的电压图2.3.9 报警电路图2-22 报警电路报警器件是一个蜂鸣器，当接单片机管脚的buzzer管脚输出有效高电平时就使得三极管的导通条件成立，蜂鸣器接通电源，蜂鸣器就“滴滴”的响起。该报警电路可以提示用户操作出错。2.4 面板2.4.1 矩阵键盘图2-23 矩阵按键矩阵按键的接线图如图上图所示，其工作原理为行扫描原理。首先确定输入输出线，输入线接上拉电阻连接电源（+5v），默认下读回的数据为1。本设计中将aj1、aj2、aj3作为输出线，将aj4、aj5、aj6、aj7作为输入线。程序上实现扫描的方法是先送0给输出线，即将aj1、aj2、aj3三个管脚输出低电平，再读输入线的电平，如果无按键按下则读回的输入端电平全为1,如果有按键按下，则读回的输入端电平不全为1。有按键按下时再进行进一步的扫描来确定具体哪个按键按下，输出端aj1、aj2、aj3输出电平（0，1，1），读输入端来检测按键s1、s4、s7、s10四个按键，如读回的输入端aj4、aj5、aj6、aj7电平为（0,1,1,1），则按键s1按下。同样的方法可以检测各个按键。无按键按下时，就不执行进一步的扫描，从而达到扫描效率。2.4.2 串转并接口图2-24 74hc164管脚图图2-25 74hc164内部示意图74hc164是8位边沿触发式移位寄存器，串行输入数据，然后并行输出数据，串行口转化为并行口，用以节约数据传输时的io口，数据通过两个输入端（dsa管脚或dsb管脚）之一串行输入；任一输入端可以用作高电平使能端，控制另一输入端的数据输入。两个输入端或者连接在一起，或者把不用的输入端接高电平，在本面板接口上的接法是将两个输入端接到一起，进行数据传输。时钟（cp管脚）每次由低变高时，数据右移一位，输入到q0，q0是两个数据输入端（sda管脚和sdb管脚）的逻辑与，它将上升时钟之前保持一个建立时间的长度。主复位(mr管脚)输入端上的一个低电平将使其它所有输入端都无效，同时非同步地清楚寄存器，强制所有的输出为低电平。2.4.3 面板总图图2-26 面板原理图面板是人机交换的接口。通过面板，可以查看焊接的状态，可以设定焊机焊接时的热量、焊接时间、气阀的动作时间、焊接次数、焊接间隔时间等参数。由于焊接状态的指示是用发光二极管来实现的，这就需要考虑电流的驱动能力。所以每8组发光二极管都用一个三极管来驱动电流。焊接的参数是用数码管来显示的。本论文的数码管电路采用共阴极的接法。图2-27面板示意图3 系统软件介绍3.1 开发环境的介绍图3-1 开发环境截图本系统的软件开发是在mplab ide v8.76环境下进行的。mplab ide集成开发环境是综合的编辑器、项目管理器和设计平台，适用于使用microchip的picmicro系列单片机进行嵌入式设计的应用开发。mplab ide是适用于picmicro系列单片机和dspictm数字信号控制器，基于windows操作系统的集成开发环境。mplab ide提供以下功能： 使用内置编辑器创建和编辑源代码。 汇编、编译和链接源代码。 通过使用内置模拟器观察程序流程调试可执行逻辑；或者使用mplab ice 2000和mplab ice 4000仿真器或mplab icd 2在线调试器实时调试可执行逻辑。 用模拟器或仿真器测量时间。 在观察窗口中查看变量。 使用mplab icd 2、picstart plus或promate ii器件编程器烧写固件。 使用mplab ide丰富的在线帮助快速找出问题的答案。 mplab ide系统要求： 运行mplab ide所需的最低系统配置： pc兼容的奔腾（pentium）级系统 操作系统：microsoft windows 98 se, windows 2000 sp2, windows nt sp6,windows me 或windows xp。 64 mb 内存（推荐128mb）。 45 mb 硬盘空间。 internet explorer 5.0 或更高版本。3.2 总流程图的介绍图3-2 总流程图单片机各资源的初始化中有：端口的初始化，端口初始化要将端口的数据方向、模拟数字选择配置好；串口的初始化，串口初始化要将发送模式、波特率的设置配置好；电平变化中断的初始化，电平变化中断初始化要将电平变化中断允许位、电平变化触发沿选择配置好；各定时器的初始化，要将定时器的中断允许、定时器的初值、定时器的分频系数配置好；pwm波生成的初始化，要将pwm定义管脚、pwm周期、pwm模式、pwm占空比、pwm触发条件配置好；面板显示初始化，要将串转并芯片74hc164的初始化配置好。详细的程序介绍见附录。本系统流程图中，主要分为两种工作模式，一种是焊接状态、一种是设定或待机状态。当满足10ms标志变量system.init0为1的条件时，进入焊接状态。焊接状态下是不能进行参数设定的，此时数码管显示的也不是具体的参数值，而是焊接的次数；当不满足上述的条件时，进入设定或待机状态。设定或待机状态下是不进行焊接流程的，此时如果是待机状态下，数码管显示的是焊接次数，如果是设定状态下，数码管显示的是具体的参数，可以通过相应的按键对具体的参数进行更改。3.3 定时器0的介绍图3-3 定时器0中断子程序pic16f1947的定时器0是8位定时器，其作用是在固定是时间间隔点调用显示函数，来对数码管进行刷屏。由于数码管的显示采用了动态扫描的方式，而人的眼睛有视觉残留效果，所以要想数码管正常显示就要求一定的时间间隔内调用显示函数。定时器0的定时时长计算按照手册和具体的配置计算如下：配置的分频系数为16分频，基准频率为fosc/4，fosc为外部晶振12m，定时器0的初值是245，定时时长t = 16245 / (fosc/4) = 1306us。3.4 定时器1的介绍图3-4 定时器1中断子函数pic16f1947的定时器1是16位定时器，其作用是决定pwm生成的起始时间，pwm就是晶闸管触发信号。每次的过零信号都会开启定时器1，定时器1的定时时长timeint就是设定的焊接热量经过计算得到，定时器1定时溢出时进入中断子程序，中断子程序首先判断此时是否为焊接状态，如果是焊接状态，就触发pwm生成器，晶闸管工作，焊机开始焊接。如果是设定或者待机状态关闭pwm生成器，晶闸管关断，焊机停止焊接。定时器1由于配置