焊线机焊接压力控制系统设计

第 I 页 摘 要 在焊接的过程中，焊接压力的大小和焊接的时间，直接影响着焊接质量。本次设计主要对焊接压力控制系统进行研究和设计，并对控制的方法和原理进行讨论，最后进行调试实验来验证设计的正确性和可行性。 焊接压力控制系统的设计主要分为硬件的设计和软件的设计。 硬件的设计包括 ： 电源模块 、 单片机控制模块 、 换模块 、 通信模块 、 电磁铁驱动模块 、 压力检测模块 。 软件的设计主要包括单片机软件设计和 用程序设计 。 其中单片机软件设计主要是 法的实现和与外设的交互 ； 用程序设计主要是显示焊接压力和串口的收发。 在本设计中 ， 焊接压力控制系统采用了闭环控制 ， 具有精度高 、响应速度快、抗干扰能力强的特点。其中单片机使用 制算法充当控制系统的调节器， 换模块作为执行器，焊接压力作为被控对象，压力检测作为反馈环节。控制的具体过程为，首先单片机获取焊接压力值的大小，之后通过与给定值行进做差运算后得到压力的误差值，经过 算后得到控制量，单片机将控制量通过 换然后控制电磁铁，最后单片机再次读取焊接压力值，这样就构成了一个反馈控制系统。 单片机与 之间通过串口进行通信 。 为了保证通信的可靠性 ， 本设计采用了数据帧以及 验机制 ，即发送方将数据帧进行 验后，然后将校验值加入到数据帧中一块发送，接收方接收到数据帧以后，用同样的方式对数据帧进行 后再与接收到的 验值进行比较，当且仅当接收方计算出的 验值与发送方发送过来的 验值一致时，才能认为接收到的数据就是发送方发送的数据。 关键词 ： 焊接压力；闭环控制；单片机； 法；串口通讯 第 n of of is of by of DA CU is to ID is to to or In a as ID as a DA as is as of to to ID to CU it a CU is In to of a RC to RC RC if if RC is is 目录 目 录 1 引言 . 1 2 系统硬件设计 . 1 字压力控制系统硬件方案 .字压力控制系统模块设计 . 电源模块 . 单片机控制模块 . . 电脑通信模块 . 电磁铁驱动模块 . 压力检测模块 .章小结 . 系统软件设计 . 10 片机系统的软件设计 . 11 接压力控制 . 11 . 压力值的获取 . . 焊接时间控制 . 液晶显示 . 串口通讯 .用程序设计 . 19 口数据的收发 . 20 接压力等信息的显示 . 20 界面的设计 . 21 章小结 . 22 4 系统样机调试 . 23 A 转换模块调试 .动模块调试 .力检测模块调试 .制效果调试 . 结论 . 29 谢 辞 . 30 参考文献 . 31 附录一 焊接压力控制系统电路原理图 . 32 目录 附录二 焊接压力控制系统 . 33 附录三 焊接压力控制系统主要 C 语言原程序 . 34 附录四 元件清单 . 51 第 1 页 共 50 页 1 引言 现如今的的电子产品电路板上的元器件越来越多，元器件与元器件之间的间距也越来越小。没有一个性能优良的焊线机，就无法适应当今电子世间的快速发展。在焊线机焊线动作的过程中，焊机压力的大小和时间长短，直接决定了焊接质量的好坏。本次设计的目的就是稳定焊接压力的大小和控制施加压力的时间，对保证焊接质量有着重要的意义。 本设计的目标是设计出一个数字式的焊接压力和时间控制系统，确保焊线机在焊接的过程中有稳定的压力和精确的时间控制，并且能够对焊接压力进行显示和记录。 电源输入为 10， 50焊接的压力和施加 压力的时间可调 ，并且焊接的压力和施加压力的时间误差范围不超过 10。 2 系统 硬件 设计 字 压力控制系统硬件方案 硬件部分本设计采用了分模块设计的方法，根据系统的需求设计出相应的模块，这样既方便了设计，也便于后期的调试以及日后的升级改进工作。本设计按照主要功能分可以设计为以下几个模块：电源模块、单片机控制模块、 数模转换 模块、电脑通信模块、电磁铁驱动模块、压力检测模块。综合以上模块，可得出系统框图如图 2 图 2字压力控制系统系统框图 设计的主要思路为：电磁铁的压力值通过压力检测模块就能转化为表征压力大小数模转换模块 单片机控制模块 电磁铁驱动模块 电脑通信模块 压力 检测模块 电磁铁 F 电源模块 第 2 页 共 50 页 的电压信号，然后这个电压信号再通过模数转换芯片就转化了成了单片机能够处理的数字信号，单片机就拿这个数字信号与设定的数值进行比较，得到偏差信号。该偏差信号经过调节器做 算后，通过数模转换器将调节压力信号由数字信号转换成模拟信号。由于螺线管线圈中的电流与电磁铁磁力成正比，通过电磁铁驱动电路将电压信号转换成电流信号，通过调节螺线管中的电流的大小，进而控制 电磁铁磁力大小，达到稳定电磁铁磁力大小的目的。 单片机与电脑之间能通过电脑通信模块进行相互通信 ， 单片机能够将获取到的压力大小和系统的相关设定信息上传到电脑 ， 而电脑也可以发送相应的设定信息到单片机 。 为了确保通信的可靠性 ， 软件部分还需对通信过程中传输的数据帧进行 即发送方将数据帧进行 后将校验值加入到数据帧中一块发送，接收方接收到数据帧以后，用同样的方式对数据帧进行 验，然后再与接收到的 且仅当接收方计算出的 能认为接收到的数据就是发送方发送的数据。 字 压力控制系统 模块 设计 源模块 电源模块的主要功能为 ： 为系统提供安全可靠的电源 ，输出 有直流 52V。 本设计中电源要求输入为 10%，频率为 50出则需要一个直流 5力传感器、数模转换模块供电，以及需要一个直流 12虑到市场上双输出变压器比较容易获得，可而外加入一个 考虑到如上需求，电源模块总体思路可定为降压、整流、滤波、稳压这 4个步骤，总体思路如图 2 图 2源模块总体思路图 各 个 步骤的作用如下 ： 降压：将电网提供的 220 整流 ：由于二极管具有单向导电性，所以正负变化的交流电压经过二极管以后将变为单向脉动电压。 滤波 ：减小脉动电压的波动，使得输出电压波动没那么起伏。 稳压 ：利用电路的调整作用使输出电压稳定。 第 3 页 共 50 页 (一 ) 稳压电路 ， 采用 的是 用于各种电源稳压电路，输出稳定性好、使用方便、输出过流、过热自动保护。其输入电压的范围是 出电压范围是 典型值是 12V，最大输出电流为 似 ， 只是它输出电压为 要注意的是 ， 在设计时需要着重考虑 。 (二 ) 整流以及滤波电路 ， 采用的是电容滤波的单相不可控整流电路 。 该电路结构简单，而且易于实现，经常用于单相交流输入的场合。常用于计算机、电饭锅等家电产品中，期整流部分就是如图 2 u 1 u 2i 2C 当空载的时候，输出电压最大， = 22 。 当负载大时 ， 输出电压最小 ， = 2 。 当 (35 2) 的时候 , 2 。 (三 ) 整流电路的参数计算。 滤波电容的电容值的确定： 选用的电磁铁一般的工作电流在 200右就能得到满意的电磁吸力 ， 加上单片机系统的工作电流 ， 可以认为 250由此可得单相不可控桥式整流电路中的负载 0欧计算。由此可得滤波电容的电容值 C = = 0 = 1000了防止自激振荡，在稳压器输入端一般要再接一个 为了消除高频噪声，输出端也需要接一个 1 为了防止因负载电流的变化而导致输出电压变化过大，所以输出端需要并上一个电容来存储和释放电荷。一般 10070可以了。 第 4 页 共 50 页 电源变压器变比的确定： 由于 2 ，由于 所以计算 得到 2 = / = 12 所以选用的变压器变比为 220:12。 (四 ) 5 本设计采用 一款 压斩波芯片 ，把之前获得的 12V 电源降压到5V， 该芯片输入电压范围为 开关频率为 性稳定，且效率高，外围电路也相对简单。 (五 ) 电源部分总体设计。 电源部分总体设计如图 2示 ，变压器采用的是 220V 输出双 12V 输出，输出分别接到电压插座 在插座 负 125源工作后 3个 图 2源部分总体设计原理图 片机控制模块 单片机控制模块的主要功能为 ： 实现 制算法 、 实现液晶显示 、 实现与电脑通信 、 实现按键的输入 。 本设计采用的是 一款 8 位的 微型控制器 ，该控制器使用的是经典的 核 ，但与传统的 51 单片机相比， 512 字节的 8有内部 能，多出一个定时器 直接通过串口下载程序。完成能够胜任本次设计的需求。 引脚 图如图 2 第 5 页 共 50 页 图 2(一 ) 单片机控制器的引脚分配。 单片机的引脚分配需要考虑到硬件的摆放情况和硬件所需要的功能，来进行合理的分配，引脚分配如表 2 表 2单片机引脚分配情况 引脚 用途 引脚 用途 602液晶屏数据线 602液晶屏 10 按键 “左” 输入 602液晶屏 E 键“上”输入 602液晶屏 12 按键“下”输入 口接收 键 “右”输入 口发送 22(二 ) 液晶显示。 1602液晶屏使用简单，价格便宜，一次能显示 32个字符、数字、符号等，自带字库，通信协议简单。 1602显示屏如图2 第 6 页 共 50 页 图 2602 显示屏 (三 ) 按键输入。 按键使用的是独立按键 ，相对于矩阵键盘来说，独立键盘占用 会多一些，但是编程上会相对简单。 本设计设计了 4 个按键， 分别为 “ 上 ”、“下”、“左”、“右”键。按下“左”或者“右”键的时候，液晶屏上的光标会在可以设置的参数下面左右移动。按下“上”或者“下”键的时候，可以对参数进行加减操作。当同时按下“左”和“右”键的时候，则执行调节任务。 数模转换顾名思义就是把数字量转变成模拟量，本设计采用了 位转换芯片， 脚图如图 2 位转换芯片，具有模数和数模转换功能，其特性如下： 单独供电。 6V。 低待机电流。 通过 输出。 通过 3个硬件地址引脚寻址。 采样率由 线速率决定。 有 4路可配置单端或差分的模拟输入。 自动增量频道选择。 模拟电压范围从 d 内置跟踪保持电路。 8。 通过 1路模拟输出实现 图 2与单片机之间通信的接口为 线接口 ， 只需要 使用 单片机 2 个 即可，也不需要而外的外围器件就能正常工作，使用方便。本设计中只用到了 第 7 页 共 50 页 模转换功能 ， 其中 的极限输出电流为 正负 20 脑通信模块 单片机与电脑之间的通信是通过串口。由于单片机系统电平为 平，逻辑 0为 0V 逻辑 1为大于等于 而电脑串口是 逻辑 0为 +3V+15V， 逻辑 1为 电平是不匹配的不能之间通信，需要做电平转换。 电平转换有许多种方法 ， 直接使用 一款电平转换芯片 ， 或者用分立件搭建 。 两种方法无本质差别 ， 本设计采用分立件搭建电平转换电路 。电平转换电路如图 2 图 2平转换电路图 当 送数据时 ， 若发送逻辑 0，则 压为 0V， 这时三极管 9012 导通，会得到一个略微小于 5V 的电压，在 也就认为接收到了逻辑 0。若 ，这 压为 5V，这时三极管 9012是截止的，因为 3V二极管 通 ， 电容 电 ， 上负下正 ，电容的作用会保持一段时间，而电位与电容 上极板电位是等同的，所以 压也会在 为 接收到了逻辑 1。 当 送数据时 ， 若发送逻辑 1，则 压为 三极管 9013显然是截止的， 单片机这端就认为接收到了逻辑 1。若 ，折 V 15V， 此时三极管 9013导通， V，在单片机这端就认为接收到了逻辑 1。 磁铁驱动模块 本设计采用的电磁铁为乐清轩睿宁电器有限公司生产的 电吸盘，型号为用过程中工作的电流范围为 0300以选用 一 第 8 页 共 50 页 款三极管来驱动 ，该三极管最大集电极电流为 3A，集电极 0V，放大倍 数大约为 300，驱动原理图如图 2 图 2磁铁驱动原理 图 图中并联在电磁铁两端的二极管 ， 起到保护作用 。因为电磁铁为典型的感性负载，当突然断电的时候 会产生一个较大的反电势 ，这个时候该 二极管就会导通 ， 从而保护了电路 。 假定流过集电极的最大电流为 300极管 电流放大倍数为 300，三极管基极 模转换器输出的最大电压为 5V，则此时基极电流为 1所需要的最小基极电阻为 = 5 1 = 所需的最大基极电流为 = 300300 = 1 力检测模块 压力传感器采用的是市面上常见的称重传感器，如图 2示。其测量原理是在弹性敏感元件上粘贴电阻应变片，应力的变化就转化成了压力的变化，从而变成电阻值变化，然后再通过差动电桥将电阻的变化转变为电压的变化。 图 2重压力传感器 第 9 页 共 50 页 该传感器将电阻应变片分别安放到了直流电桥相邻的两个桥臂，从而构成了差动直流电桥，如图 2示 。给 1和 3之间施加 5后读取 2 与 4之间的电压差，然后与传感器上的重量进行相应的换算后，就能获 得获取到传感器上的压力值的大小了。 图 2重压力传感器的 差动直流电桥（半桥式） 为了采集压力传感器输出的电压差 ，本设计采用了 一款模数转换芯片 。其引脚定义及描述如图 2 图 24 位 A/其他的 A/片相比， 内时钟振荡器，有着强抗干扰性、高集成度、快速响应等优点。而且价格便宜，因此制作高精度电子秤的成本也相应得到降低。无需对 行编程 ，与单片机通信只需要用到时钟和数据这两个管脚。有 两个输入通道可供选择 ，输入信号进入通道以后会进过一个内部的低噪声增益可编程放大器，进而放大输入信号提高灵敏度。内部可编程放大器的增益为 128 或者 64，当增益为 64时，最大差分输入信号的幅度为 40当增益为 128时，则为 20道 增益固定为 32。 。 需外接器件就能使用内部的时钟振荡器。 开机初始化过程比较简单归功于 其有上电自动复位功能。 第 10 页 共 50 页 应用方案如图 2示 。 图 2章小结 本章描述了本次毕业设计硬件设计部分，采用了模块化设计，这里说的模块化设计，即将产品的一些要素放到一起，于是就构成了一个新的“组合”，这个“组合”可以看做一个整体，也可以与其他要素进行组合，增加新的功能构成新的“组合”，于是就能产生多种不同的产品。不仅方便了设计，而且极大方便了后期的调试工作。 3 系统 软件设计 焊接压力控制系统的软件设计总体分为两个方面 ，分别 是单片机系统的软件设计和 在单片机系统软件方面 ，要求单片机能够控制焊接压力的大小和时间，以及能够与电脑的应用程序进行交互；在 求应用程序能直观地反应出焊接压力的变化，以及能够设置单片机的一些控制参数。 本次设计 选 用的单片机为 供选择的编程语言有 C 语言和汇编语言。汇编语言，也被称为“机器语言的助记符”，有着效率高、代码执行速度快等优点，但如果工程量比较大，又掺有复杂运算、浮点运算、非线性方程等，汇编语言恐怕很难胜任开发任务 了。然而相对于汇编语言来说， 发效率高、便于移植等优点，因此能胜任工程大的编程任务。所以本次设计采用 成软件发开任务。集成开发环境为 用程序开发 使用的编程语言为 C+， 以及使用 Qt 完成 据官方描述， 其设计 理念 就是 通过 个应用程序框架 使得 使开发人员能够轻易地和快速地完成开发任务 。 行 ， 支持 第 11 页 共 50 页 S X。 跨不同嵌入式操作系统和桌面去部署我们的应用程序，我们无须重新编写源代码，只需进行一次应用程序开发。 片机系统的软件设计 焊接压力控制系统的 单片机 软件部分主要需要实现的功能如下 ： 焊接压力的控制。其中包括 力的获取、 焊接时间的控制。其中包括定时器的灵活运用； 液晶显示 。其中包括界面的设计和说明以及处理按键的输入； 串口通讯 。其中包括通过串口上传数据和接收数据； 单片机系统软件框图如图 3 主程序串口通讯焊接压力控制焊接时间控制液晶显示图 3片机系统软件框图 接压力控制 焊接压力控制的最终目的是 “稳、准、快”。 “稳”指的是压力控制系统要具有稳定性，控制系统的稳定性是控制系统中最重要的问题，无所谓稳定性就无所谓控制系统，控制系统在使用的过程中难免会收到干扰，撤除干扰后系统还能恢复原来的平衡状态，就称系统具有稳定性。 “准”指的是压力控制系统要具有准确性，即压力的最终稳态值应该与期望值一致，若无法做到与期望值一致，则应该让稳态误差尽量的小。 “快”指的是压力控制系统要具有快速性，即应该尽快的把压力的大小调节到期望的数值上，而且最大 震荡幅度也要符合要求。 为了达到上述目的 ，正确 地选用控制器 和选择使用开环还是闭环控制方式，成为了一个关键性的问题。 控制系统中的控制器，采用的基本控制规律不外乎比例、微分、积分等，或者是这三者的一些组合，如比例积分控制（ 比例微分积分控制（ 制等，以此来对被控对象进行有效的控制，现在这种条件技术已经相对成熟，应用范围广泛。 本次设计采用单片机实现 节运算，来实现对焊机压力的控制。所谓 第 12 页 共 50 页 调节运算是指根据目标值与输入值之间的偏差，对这个偏差进行比例、积分、微分运算，运算出来的结果用来控制执行器。焊机压力控制框图如图 3控制的具体过程为，首先获取压力值的大小，之后通过与给定值行进做差运算后得到压力的误差值，经过 算后得到控制量，单片机将控制量通过 换然后控制电磁铁，构成了一个反馈控制系统。 换P I D 运算压力给定值+ 机压力控制框图 不同于开环控制系统，反馈控制系统是根据偏差来实施控制的，不管是什么原因使被控量与期望 值产生误差，为了使被控量与期望值保持一致，调节器必定会执行一个相应的动作去消除或者减小这个误差。可以说，反馈控制系统能够抵制任何扰动对被控量的干扰，提高了系统的抗干扰能力，而且还具有较高的控制精度。 所以主程序应体现闭环控制的特点 ，主程序流程图如图 3 开始初始化定时器初始化串口初始化液晶获取当前压力值P 算 输出控制信号更新液晶屏上传界面数据接收串口消息图 3程序流程图 第 13 页 共 50 页 先计算出目标值与当前的压力的差值称之为误差 ；将这个误差与误差和进行加法运算 ， 此时应该注意的是 误差和的数据范围，若超出误差和的数据范围，应当采取措施避免数据溢出导致计算出错；令前一次的误差（ 2）等于上一次的误差（ 1），令上一次的误差等于当前误差，然后计算出微分误差（ 根据比例调节系数（ 当前误差可以计算出比例控制的控制量，根据积分调节系数（ 误差和可以计算出积分控制的控制量，根据微分调节系数（ 微分误差可以计算出微分控制的控制量，最后把这三相的数据相加就能获得 制的控制量。 开始计算得到误差的值e r r o D 误差和 + = e r r o r e v E r r o r = la s t E r r o 力值的获取 欲获取压力的大小 ，则 需要读取 款 A/于压力传感器一般是线性的，所以可以使用多组转换结果和实际物体的重量，来计算出A/ 例：假设砝码 1 的质量为 砝码 2 的质量为 将砝码 1和砝码 2分别放置到压力传感器上，获取得到的 A及当传感器上没有物体时，此时获得的 A当一个物体放置到压力 传感器 上时 ， A求该物体的质量 解：如图 3，假设斜率为 K，使用逐差法得 第 14 页 共 50 页 图 3换结果与质量关系图 K = ( 1010+2121 ) 2 所以被测物体的质量 (v3 在程序设计的时候应该注意的是转换结果是一个 24 位的有符号数，所以需要使用一个 4 字节即 32 位的长整型去存储。为了保留转换结果的符号，方便单片机进行计算，可以先使用一个无符号长整型去保存转换结果，然后将结果左移 8位后赋予一个有符号的长整型，然后将这个有符号的除以 256即可。 单片机与 换芯片 间的通信是通过 线协议 。本次设计只使用了 A 转换功能 ， 所以只用到 线协议中发送部分 。 单片机 （主机） 给 机） 发送字节的一般步骤为 ：单片机 产生 发送 器件地址字节；校验应答；发送 验应答；发送需要转换的数值；主机产生停止 号，并释放总线。 器件地址字节的高 4位（第 4固定为 1001B；其最低位（第 0 位）如果是1的话表示读操作，如果是 0的话表示写操作；第 3器件地址位 由原理图可知 地址为 000B。地址字节如图 3示。所以可以得出使用 能需要发送的地址字节为 10010000B（ 0 图 3节 控制字节的第 7 位和第 3 位固定为 0；其第 6 位如果为 1 表示启用模拟量输出，如果为 0 则禁止模拟量输出；其第 5表示模拟量输入方式的选择 ， 00 表示 4 通道单独输入， 01表示 3通道差分输入， 10表示 2个单独输入和 1个差分输入， 11表质量 转换结果 v0 v1 v2 g1 第 15 页 共 50 页 示 2 个差分输入；第 2 位表示自动递增，如果为 1 则自动递增 A/D 通道号 ； 第 1D 输入的通道号 。 如图 3示 。所以可以得出使用 能需要发送的控制字节命令可以为 01000000B（ 0 图 3由硬件原理图可知参考电压 V，模拟地 V， 所以可以得出输出电压 = 5256 27=接时间控制 焊接的时间控制使用的是 52 单片机的定时器 2，该定时器可配置为 3 种工作模式，即 16位自动重装载定时器模式、 16位捕获模式、串口接收或者发送的波特率发生器。定时器 2的控制寄存器 表 3定时器 2的控制寄存器 7 5 3 1 。在定时器 2 溢出的时候会被硬件置 1。特别的当定时器 2 用 第 16 页 共 50 页 作波特率发生器时，该位不会置 1。在溢出时，必须软件将 。 外部捕获标志位。当使用捕获模式时，外部信号输入引脚（ 一个下降沿，则会将 ，并进入中断服务程序。 当 时，定时器 2的溢出脉冲就做为串行口的接收时钟。 当 时，定时器 2的溢出脉冲就作为串行口的发送时钟。 的启动位。当 时，定时器 2开始工作。 C/数 /定时器模式选择位。 捕获 /重装选择位。当 1 时，选择定时器 2 为捕获模式。当时，定时器 2为自动重装载模式。 应当注意的是 存器的地址为 0要检查 个头文件中是否添加了 如果没有定义的话 ， 可以 在 2 0