（电气工程专业论文）钢筋全自动对接焊控制系统的设计与研究.pdf

河海大学工程硕士研究生学位论文 摘要 本文以钢筋对接焊机为研究对象，设计和研究r 一套钢筋对接焊自动控制 系统，并针对目前国内市场上使用的自动对接焊接机存在的弊端加以改进，提出 了一些新的思路和解决方法，以期促进新技术和新理论在对接焊机制造行业的推 广和应用。 系统利用8 0 3 1 单片机对钢筋对接焊的四个过程进行控制。一、二过程控制 引弧和熔化，第三个过程控制项锻时间，第四个过程是保温。对传统的弧焊电源 加以改进，通过变频来缩小弧焊电源的体积，使整个系统使用更加方便。 自动对接焊机有自动和手动两种工作方式，能对国产或进口由1 4 到中3 2 m 的钢筋进行焊接，处于自动方式时，焊接参数可自动给出，焊接的全过程由单片 机控制。对于非标准钢筋，可用手动焊接，设置各种参数。焊接过程中显示屏将 显示当前的焊接电压值和焊接钢筋的直径，并每隔0 5 s 刷新一次，对焊完成后， 将自动切断焊接电源，并声光报警3 秒钟，以提醒操作人员。 在系统的设计和研究过程中对模糊算法进行了分析和研究，并以m a t l a b 为 工具，对控制对象进行仿真分析。最后对系统进行总结，总结系统的优缺点，并 根据技术的发展趋势，提出将来进一步改进的设想。 关键词：单片机钢筋焊接弧焊电源 河海大学上程硕士研究生学位论文 a b s t r a c t 7 r h i sp a p e rm a n l yf o ( 3 u s e so nb u tlw e l d e ro fs t r e e l t h ed e s i g n a n dr e s e a r c ho fas y s t e mo fb u t t , w e l d e ro fs t e e l a c c o r d i n gt o t h e i l n p r o v e m e n to f t h ed i s a d v a n t a g e so fl h eb u t tw e jd e ro fs t e e li nt h e m a r k e ta tp r e s e n t ，t h is p a p e rp u tf o r w a r ds o m e n e wi d e aa n ds o l v i n g m e t h o d ，i no r d e rt op r o m o t et h en e wt e c h n o l o g ya n dn e wt h e o r yi nt h e p r o m o t i o na n da p p l jc a t i 0 1 1o ft h ei n d u s t r yo f t h eh u t tw e ld e rin d u s t r y t h es y s t e mi sm a k i n gu s eo f8 0 3 1s i r i 9 1e c h i pt oc o n t r o lf o u rp r o c e s s e s o fm u t u a lw e l d i n go fr e i n f o r c i n gs t e e lb a r t h ef i r s ta n dt h es e c o n d p r o c e s sc o n i r e c a u s i n ga r ca n dm e l t i n g t h et h i r dp r o c e s si sp r e s s i n g t i m e t h e1 a s tp r o c e s si sh e a t i n gp r e s e r v a t i o n t h i sd e s i g ni m p r o v e0 1 1 c o n v e n t i o n a la r cw e l d i n gp o w e rs u p p l y b yf r e q u e n c yc o n v e r s i o nt or e d u c e t h eb u l ko fa r cw e l d i n gp o w e rs u p p l y ，w h i c hm a k et h ew h o l es y s t e mu s i n g m u c hm o r ec o n v e n i e n c e m u t u a lw e l d i n gm a c h i n eh a st w ow o r kf a s h i o n s ：a u t o m a t i s ma n dm a n u a l i te a rj o i n t i n g 由1 4 一由3 2m i l l i m e t e rr e i n f o r c i n gs t e e lb a rw h i c hi sm a d e i no u rc o u n t r yo ri m p o r t w h e nm a c h i n ew o r ka ta u t o m a t i s m ，w e l d i n g p a r a m e t e rm a yb ep r e s e n ta u t o m a t i c a l l y ，t h ew h o l ep r o c e s s e so fw e l d i n g a r e c o nl r o l l e db ys i n g l e c h i p t on o n s t a n d a r dr e i n f o r c i n gs t e e lb a rm a y b ew e l d e da n ds e tu pa 1 1k i n d so fp a r a m e t e rb yh a n d i nt h e ( 3 0 u r s eo f w e l d j n g ，d i s p l a ys c r e e nw i l ld i s p l a yc u r r e n tw e l d i n gv o l r a g ea n d t h e d i a m e t e ro fw e l d i n gr e i n f o r c i n gs t e e lb a r ，a n dt h ed i s p l a ys c r e e ni s r e f u r b i s h e do n c ee v e r yo t h e r0 5 s e c o n d ，a f t e rw e l d i n gf i n i s h e d ，s y s t e m w il lc u to f fa u t o m a t i c a l l yw e l d i n gp o w e rs u p p l y s o u n da n dl i g h tg i v ea n a l a r mt h r e es e c o n d st or e m i n do p e r a t o r i nt h ed e s i g no ft h ea u t o m a t i cs y s t e ma n dt h er e s e a r c hp r o c e s s ，t h e f u z z ya l g o r i t h mi sa n a l y s e da n ds t u d i e d ，w eu s e 姒t l a ba st h et o o lt oi m i a t e a n da n a l y s et h ec o n t r o l l e do b j e c t e d f i n a l l y ，t h ep a p e rg e n e r l i a z e t h ea d v a n t a g e sa n dt h ed is a d v a n t a g e so ft h es y s t e m ，a n d w e p o p o s et h e f u r t h e rm o d i f t e da s s u m p t io na c c o r d i n gt ot h ed e v e l o p i n gt r e n do ft h en e w t e c h n o l o g y k e y w o r d s ：s i n g l e c h i p r e i n f o r c in gs t e e lb a rw e l d i n g a r cw e l d i n gp o w e rs u p p l y 河海大学亡程硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 在经济迅速发展的今天，在高楼林立的当今世界，各行各业都在不断地发 展进步，房地产、建筑业更加突飞猛进。随着全国建筑房地产业步伐的加快，当 今世界建筑领域普遍是钢筋混凝土框架结构，其建筑规模不断扩大，楼层不断增 高，大量的钢筋都需要现场焊接。在过去，基本上都是采用手工电弧焊，工人劳 动环境恶劣，且相当危险。加上传统的焊接电源设备体积、重量都很庞大，在高 层空间搬运、使用都很不方便，而且在焊接过程中，工人完全凭肉眼和其他感觉 器官以及经验对电弧和熔池进行观察，通过大脑的分析比较队及以往的经验来判 断弧长和熔池是否合适，然后指挥手臂，并调整焊条运作，来完成焊接操作，因 而这种焊接质量不能完全得到保证，容易造成虚焊、漏焊等现象，难以保证焊接 质量，易造成建筑物结构质量隐患，甚至容易导致严重的不良后果。 采用全自动对接焊控制系统，使焊接质量得到很大程度的提高，并且能保 持焊点的一致性，基本排除人为的主观因素。而且焊接设备体积减小，重量减轻， 使用方便许多，因此各国许多公司都在研究，针对该设备进行研发。 随着建筑房地产业不断发展，土地资源不断减少，楼房不断地向空中延伸， 对钢筋的焊接质量、焊接的速度要求越来越高，因此，开发和改进全自动对接焊 控制系统具有重要意义，它涉及到测量方法、控制理论和单片机等领域的知识。 1 2 课题在国内外的研究现状 由于全自动对接焊控制系统对于建筑业具有重要意义，因此，世界上许多 国家的有关公司、科研机构和高校投入了一些人力和物力，开发、研制全自动对 接焊控制系统。现代焊接自动化的主要标志是焊接过程控制系统的智能化以及焊 接生产系统的集成化。 在8 0 年代初，中国的对接焊系统总体水平与当时的世界先进国家水平尚有 2 0 年的发展差距。改革开放以后，私营企业、中外合资企业相应建立，特别是 还育一批生产电子仪器的企业转产投入到电焊机行业里。由于建立了新的管理体 制，这些新企业能够紧跟市场需求，紧跟科学技术发展，使对接焊系统老产品更 河海大学工程硕士研究生学位论文 新换代的速度加快，新产品、新规格不断涌现，自动焊接设备也得到了快速发展。 8 0 年代以后，中国开始研究焊接技术以及焊接过程的自动控制，用专用焊 接设备及电控部分等组成的自动对按焊设备，不断提高对接焊的自动化程度。9 0 年代中期，中国开始发展焊接专家系统和开发焊接智能技术。 9 0 年代末期啥尔滨焊接研究所、成都电焊机研究所和设有焊接专业的高等 院校以及各生产厂商，逐步开始投入大量的精力和财力开发研制自动对接焊控制 系统。现在已经有产品在使用，市场上的这种自动焊也只是解决了以机械代替手 工，初步具有自动调节功能，但弧焊电源的问题并未得到根本解决。就目前的自 动调节系统，还不稳定且不尽如人意，仍然存在许多问题。 在国外，目前德国的埃森公司研制的对接焊系统采用计算机技术进行数字 化优化调节与匹配规范参数、波形控制、程序与智能化控制。 奥地利f r o n t u s 公司制造的t r a n ss y 陋r g i c 4 5 0 型逆变脉冲一元化多功能 焊机。该焊机可设置起弧电流、熄弧电流等焊接参数。 乌克兰的巴顿焊接研究所研制的闪光对接焊系统也采用计算机技术及先进 的电气控制，基本实现自动焊接。 韩国的大宇机械、日本的松下制造都在不断研发全自动对接焊控制系统。 虽然在目前研制的全自动对接焊控制系统中微处理器已普遍应用，但距完全的智 能控制尚有距离。 1 3 全自动对接焊控制系统简介 目前，市场上有自动对接焊机的使用，如：北京第一通用机械厂对焊机分 厂制造的勉h 一3 6 一i 型钢筋自动埋弧对焊机和江苏射阳智能机电设备厂制造的 “苏阳”m i ( f 3 2 1 型埋弧式钢筋自动对焊机，这种焊机的核心部分控制器主要 是由中、小规模集成电路和分立元件、电器开关等组成的电子线路，这种电路采 用的是对现场焊接电压的测量，然后做出判断，进而进行控制操作。实际操作时， 焊接时间长短与周围环境的变化影响仍然霈要通过操作者长期探索才能得到好 的效果，再加上电子元器件的离散性等问题，也会使整个电路工作不很稳定。如： 在焊接某个接头时，通过调节，效果满意；但是经过震动，控制电路中的电位器 就有可能变位或变值了，移动到另一个接头时，焊接也就可能不成功。市场上的 河海大学j 程颂士研究生学位论文 这种自动焊也只是鹪决了以机械代替手工，初步具有自动调节功能，弧焊电源的 问题并未解决。就目前的自动调节系统，还不稳定且不尽如人意，仍然存在许多 问题。如能对这些现有问题j j 弱以改进，使得这种系统真正能可靠运行，那么必定 会给建筑业带来许多方便，大大降低了焊接工人的劳动强度，同时焊接质量可得 到彻底保证。 图1 一l 所示的, i k h 一3 2 1 型对焊机采用4 块5 5 5 时基电路组成的顺序控制 器，分别用来控制引弧、熔炼、加压、断电四个过程的时间，每块5 5 5 电路都接 成单稳触发器形式，每道工序的时间由对应的单稳时间决定，其中1 至3 道工序 的时间可调节，以适应不同规格的钢筋焊接的需要。连续工作过程为：在空载电 压约8 0 v 作用下，在两钢筋端部产生电弧，端部开始熔化，这时周围的4 3 1 焊剂 亦开始熔化，随着熔态焊剂导电率的增大，产生更高的电阻热，因而导致更多的 焊剂熔化，逐渐形成电渣熔池，待焊的上下钢筋端部熔化量达到一定数值( 约 2 0 m m ) ，施加大于3 0 0 0 n 的顶锻压力，而形成接头。 彻一3 2 1 型对焊机工作原理如下：电源开关打开后，按下启动按钮s b 3 ， k q 吸合并自锁，接触器随之吸合，其常闭触点打开，在其打开之前，第一块5 5 5 电路2 脚已得到低电平触发信号进入单稳延时状态，其后再按s b 3 就不能再触发 5 5 5 电路，当第一块5 5 5 电路单稳时间到达之后，其3 脚电位由高到低，经c ，。、 r 。的微分电路后，形成一个负脉冲，触发篼二块5 5 5 电路，该5 5 5 电路的3 脚 电位变高，k l 吸台，以后依次触发第三、第四块5 5 5 电路，当第四块5 5 5 电路 受到触发后，继电器k 3 立即吸合，其常闭触点打开，k 。释放，完成一次焊接过 程。 该对焊机利用检测电焊机的次级电压信号来控制夹具上升或下降，以此来 引弧。具体做法是：将电压信号整流后经光耦隔离，送入双运放l m 3 5 8 ( 作电压 比较器用) 与基准电压进行比较，在第一道工序中，电压高时控制夹具下降，电 压低时则上升，第二道工序中，由于k 1 吸合，将光耦输入端的部分分压电阻短 路，使光耦输入端电压升高，调节电位器可得到一个合适的参数，使次级电压为 电弧电压时，两个比较器输出都为低电平，从而夹具不上升也不下降，电弧在两 焊件之间燃烧。第三道工序时，k 2 吸合，其常开触点使k f 吸合，夹具下降，完 成挤压工序，篼四道工序即延时1 秒，使接触器释放，焊机和时序控制部分断电。 叠 河海大学工程硕士研究生学位论文 在m k t 3 2 1 型和忆h 3 6 一i 型埋弧式钢筋自动对焊机中，采用的仍然是 普通的电弧焊机或三相交流或直流弧焊机，因而整个装置显得特别庞大和笨重， 工人在操作、移动时也非常不方便。 1 4 本文主要工作 系统是针对目前国内市场上使用的自动对接焊接机存在的弊端加以改进， 一是控铡电路改用单片机来实现。除进行电压测量外，增加一个电流测量，用双 闭环控制，来进行自动调节，并用数字显示。二是弧焊电源的改进。通过频率的 改变，使得弧焊电源的体积、重量减小，而性能更加稳定。本文主要做了第一部 分和弧焊电源的制作，完成单片机控制部分的设计、安装、编程、测试和弧焊电 源电路板的设计、搭试等工作。在控制算法方面采用p i d 和模糊控制相结合的方 法。并且针对系统在运行过程中可能受到的干扰，采取了相应的抗干扰措施。 一、控制电路的改进 将分立元件电路改为用单片机控制。 硬件说明：8 0 3 1 单片机是目前性能价格比较高的8 位单片机，内存1 2 8 b r a ， 2 1 个s f i ，2 个定时器计数器，5 个中断源，4 个8 位并行2 o 口等资源，但无 片内r o m ，内部r a m 有时也嫌少，i o 引脚也不足以连键盘和显示器，故硬件需 要扩展。系统扩展了8 k b 的2 7 6 4 e p r o m ，键盘和显示器接口用8 1 5 5 芯片。 原理说明：利用8 0 3 1 单片机对钢筋对焊的四个过程进行控制。一、二过程 控制引弧和熔化，第三个过程控制顶锻时间，第四个过程是保温，整个过程借助 于单片机的计算和判断来完成。 系统需检测两个模拟量，一是电焊机的次级电压，二是电焊机的次级电流， 这样可以准确判断引弧是否成功，解决了原系统中出现的引弧判断不准确的问 题。前者电压较高( 空载8 0 v ) ，而后者电流很大( 7 0 0 a ) ，必须采取措施才能引入 a d c 0 8 0 9 ，经a d c 0 8 0 9 转换后的电焊机的次级电压值、次级电流值传送给单片机 8 0 3 1 ，8 0 3 1 判断夹具上的两钢筋是否接触或引弧是否成功，从而控制夹具上升 或下降，使得焊接电压、焊接电流在正常的焊接范围之内。在执行工作程序时， 打开8 0 3 1 的中断总开关，t o 、t 1 中断分开关，t o 、t 1 相配合，每隔0 5 s 向 8 0 3 1 申请一次中断，中断响应后。就将当前的焊机次级电流值送入8 1 5 5 进行显 4 河海大学工程碗上研究隹学位论义 示，吲时对电压、电流和时间乘积进行累计计算，并和标准值进行比较，当达到 标准值时，进入下一道工序，即挤压，最后是保温三秒，完成一次焊接进程。 系统有自动和手动两种工作方式，能对国产或进口巾1 4 一巾3 2 m m 的钢筋 进行焊接，处于自动方式时，焊接参数可自动给出，完成焊接。对于非标准钢筋， 可用手动焊接，设置各种参数。焊接过程中显示屏将显示当前的焊接钢筋直径和 焊接电压值，并每隔0 5 s 刷新一次，对焊完成后，将自动切断焊接电源，并声 光报警3 秒钟，以提醒操作人员。 二、对焊机的弧焊电源主电路改进： 系统对弧焊电源加以改进。一般交流弧焊电源比直流弧焊电源具有结构简 单、制造方便、使用可靠、维修容易、效率高和成本低等一系列优点，因此，对 于一般的场合可以选用它。但对于高频交流弧焊电源( 本设汁采用4 0 k h z ) 对周围 会产生影响，尤其是对人的不良影响，因此系统采用全波整流将交流电源变为直 流电源。经过对弧焊变压器、矩形波交流弧焊电源、直流弧焊发电机、弧焊整流 器、脉冲弧焊电源和弧焊逆变器的比较，决定系统选用弧焊逆变器作为弧焊电源。 弧焊逆变器的特点：它把单相( 或三相) 交流电经整流后，由逆变器转变为 几百至几十千赫兹的中频交流电，经降压后输出交流或直流电。整个过程由电子 电路控制，使电源具有符合需要的外特性和动特性。它具有高效节电、重量轻、 体积小、功率因数高、焊接性能好等独特的优点，可应用于各种弧焊方法，是一 种最有发展前途的普及型弧焊电源。弧焊逆变器的基本原理框图如图1 - - - 2 所 不a 单相或三相5 0 l t z 的交流电压先经输入整流和滤波，再通过大功率开关电子 元件( 晶闸管、晶体管或场效应管) 的交替开关作用变成几百赫兹到几十千赫兹的 中频电压，后经中频变压器降至适合于焊接的几十伏电压，若再次用输出整流并 经电抗器滤波，则可将高频交流变为直流输出。简言之，弧焊逆变器的变流顺序 是：工频交流一直流一中频交流一降压一交流或直流。 由此可见，在弧焊逆变器中可以采用如下两种体制： 第一、a c d c a c 第二、a c - d c a c d c 目前常用后一种体制，它又被称为逆变式弧焊整流器。 s 三毒，q，p书蔼一。宣=一z嚆卜云卜 翟一imk干32一滔滔硒 n，l1_ 渣海亢掌“我颚士研究生学位论文 弧悍逆变嵇主要特点之一最工作频率赢， 道，按正弦波分析时变压器有以下港本公式： u = 4 4 4 j n s b m 由此丽灌米一系列好处。我们知 s 为铁心藏嚣获；b mj , j 磁感应强度鏊最大德 弦渡的频率。 ( 1 - - 1 ) 为线塑豹匿数；歹为正 变压器的麓量、体积与n s 有关，而n s 与厂又有赢接关系。由上式可得： n s = u 4 4 4 f b m ( 1 - - 2 ) 当取b m 为一定值对，若使额警从工骧提裹到4 0 k h z ，则绕组匿数与铁心截 嚣稷静黍联n s 魏减，j 、，露主交压瓣在孤辉整滚器中逶鬻鹱占静重量蠹l 3 鬣 2 3 。因此，遮就熊使整机重量、体积显著减小。同时，锕和铁的电能损耗将髓 着需用材料的明显减少而大为降 氐。如果逆变器的工作频率较高，则宜采用铁氧 体磁心，于是还可使重量、体积和钢铁损进一步减小。此辨，大功率管缀工作在 开关状态，纛妊然经功耗洚毵。 髓八整藏群太坊率异美元件审搬蒋醺糖精盛羹宠嚣 屯予麓嘲电鼙 圈l 一2 弧焊逆变器的基本原理框隔 由于三相交流输入整流成崴流后，负载为直流镦载，逆变器的工作频率高 达4 0 k | z 以上，同时在逆变器的电路中均有起储能作用的电容器，因此可以明显 减少无功攒稳黟糖褰功率霞数，使c o s 孛餐蜀提毫。 由弧蜉逆焚器的特点可见，该电源电路的功率霸数已经镁高，无需氍考虑 功率因数校正电路。 河海大学工程硕士研究生学位论文 另外，在输出端的滤波电感也因频率的提高而可大为减小，并进而减小了 焊接回路的时间常数。这将有利于获得良好的动态特性。 潮辩走学王琏硕士鞲究生学位趋文 第二意系统硬件设计 2 1 系统硬件结构概述 全窭动对绥簿系统主要由接戮迄筵、检测毫路、疆动邀罄、显示电魏等部 分组成，系统的结构框国如图2 一】所示。系统工作时，和用8 0 3 1 单片机对锱筋 对接焊的四个过程进行控制。本系统需检测两个模拟爨，一是电焊机的次级电压， 二是电焊机的次级电流，这样可以准确判断引弧是否成功经a d c 0 8 0 9 转换后的 电焊规斡次缀电压氇、次缀电滚谶传送给单片现8 0 3 1 ，8 0 3 1 判颛夹具上熬疆镳 簸是否接触或引弧是否成功，遥过驱动电路控制夹具秃“或下降，使得簿按电压、 焊接电流在正常的焊接范围之内。打开8 0 3 1 的中断总开关，每隔0 5 s 向8 0 3 1 申请一次中断，中断响应后，就将当前的焊机次级电流值送入显示电路进行胜示。 焊接过程中驻示露将显示当前的游接钢翁直径程焊接电压僮，并每隔0 。5 s 猁新 一次，菇簿完缓薏，薅垂动切舔浮疆邀源，并声竟强警3 移镑，以提醒搡 絮入受。 圈2 1 系统的结构框图 系统的硬件结构原理图如图2 - 2 所示。 系统的核心主要由8 0 3 1 、7 4 l 8 3 7 3 、e p r o m 2 7 6 4 铸芯片组成，由于8 0 3 1 内 蘩无程序存德器，敲努扩一只e p r o 鼙2 7 6 4 葱冀，爱予存教系统懿茬裁程彦及誊数 表格。由于8 0 3 1 的p 。日是一个静态口，故将p 2 。p 。t 口直接与2 7 6 4 的越a ： 相连，作为2 7 6 4 的1 3 根地址线中的高五位地址，而8 0 3 1 的p 。口是一个动态口， 婀海大学工程硕士研究生学位论文 它以分时的方式承担输出低8 位地址信息和数据的输入输出双重任务，所以p 。 口经锁存器7 4 l s 3 7 3 锁存后提供2 7 6 4 的低8 位地址。8 0 3 1 的地址锁存端a l e 与 7 4 l s 3 7 3 的锁存控制端g 相连，由于在这种情况下，每一个机器周期中，允许地 址锁存信号a l e 两次有效，在a l e 由高变低时，n 口线上出现的有效地址p c l 被 锁存器7 4 l s 3 7 3 锁存。8 0 3 1 的外部程序存储嚣选通信号两丽也是每个周期两次 有效，用于选通外部程序存储器，当该脚为低电平时，2 7 6 4 的o e 脚也为低电平， 从而使2 7 6 4 的指令代码或数据送到p u 口总线上，由c p u 读入。主机8 0 3 1 的p 。 口除p 。( t x d ) p 。( i n t o ) 作通用i o 口外，其余都用于第二功能。 整个系统的前后通道由a d 转换器a 1 ) c 0 8 0 9 芯片、非门7 4 l s 0 4 和或非门 7 4 l s 0 2 等组成。通过m ) c 0 8 0 9 的a 、b 、c 三个地址信号端的控制，分时转换两 路模拟信号的输入。本系统需采集的两个模拟信号是电焊机的二次侧电压和电 流，这两个信号分别经光电耦合器b d 2 1 1 和分流器f l 和运放转换，由a d c 0 8 0 9 的i n o 和i n l 两通道输入。 执行电路主要包括驱动执行和数显两部分。驱动电路由p 】。p 。经7 4 l s 0 4 反相后经光电耦台器6 d 2 1 l 隔离后输出，经中功率三极管3 d x 2 0 3 推动继电器。 由于8 0 3 1 余下的所能使用的所有i o 口很少，故扩展了一片8 1 5 5 作为键 盘输入和显示器接口电路，8 1 5 5 p a 口提供段选码，p b 口提供位选码。键盘为3 4 矩阵键盘，其列输出由p b 口提供，行输入由p c o p c 2 提供。l e d 的段、位 信号均由集电极开路输出的7 4 l s 0 7 驱动器驱动。l e d 采用软件译码动态扫描显 示工作方式，键盘采用逐列扫描查询工作方式。 报警电路是一个由p 。口控制的方波振荡器，其输出经中功率三极管3 c k l l o 推动一个小型扬声器发声。电源电路是一个由多个抽头的变压器输出l o v 、1 7 v 、 1 2 7 v 、i o o v ，前两个电压经整流、滤波、稳压后，提供直流5 v 和1 2 v 电源，后 两个电压经整流后给电机提供电源。 t t 砸刚鹫#醑誊器螺皤甲n田 冠缉大学工程硕士研究生学位论文 2 。2 系统硬件工作原理 2 2 1 程序存储器的扩展 i 、8 0 3 1 单片机简介 8 0 3 1 楚i n t e l 公司7 0 霉代束发震熬离性能8 镜攀片规，8 0 3 1 内部有 1 2 8 k b r a m ，2 个1 6 位定时计数嚣，5 个可羼蔽斡中鞭漂，蒂青3 2 令著行 o 口，1 个串行u o ：_ j 。此外8 0 3 1 的片夕卜程序存储器和数据存储器的寻颤t 空间都 为6 4 k b ，且可完全重叠，均为0 0 0 0 h f f f f h ，这在绝大多数工业控制场所都能 满足要求。 3 l 璧攀垮筏峦予冀内无r o m ，鼗癸扩一蔑8 k b 熬e p r o m 2 7 6 4 弱激移毅疆 序和表格。因为程序存储器在片外，故将8 0 3 i 的e as i 脚接地，这样当8 0 3 1 复 位后，不去执行片内部的程序而悬转去从外部存储器的0 0 0 0 h 单元开始取指令执 行。 2 、z 豫o m 蠡冬扩嶷 由于8 0 3 1 或口在谤闷井部露德嚣时作为琏鑫| = 数据分时复耀总线使娜，藤 e p r o m 2 7 6 4 无地址锁存功能，故加一片下降沿触发的7 4 l 8 3 7 3 作为地址锁存器， 在8 0 3 1 p 。口上的p c l 内容锁入地址镄存器7 4 l s 3 7 3 ，形成e p r o m 2 7 6 4 的低8 位地 蛙，2 7 6 4 赝霭敕禽位建垃由p ：口嬲稳5 位提供，卣于8 0 3 1 豹r 蜀是一个黪凑秘， 它在整个访润r o m 的过程孛一塞缳特静蔽悫，霞藏将8 0 3 1 p 。；。壹较与2 7 6 4 的a 。a ，。相磁。 8 0 3 1 的攫岸存储器选通信号心酹直接与2 7 6 4 蝌百鹃| 脚相连，用阱打汗程 序存储器2 7 6 4 鑫勺输出门，将指令代码送到p ；总线上。 搴系绫申只鼹一片2 7 6 4 侔瓷羚整r 滋，为缀魄熬援辩逵线篱捷，褥2 7 6 4 的片选信号谶c e 直接接地，这样e p r o m 2 7 6 4 酶地嫩为0 0 0 0 h i f f f h 。 7 4 l s 3 7 3 怒透明的带有三态门的8 位锁存器，当三态f - i 的使能信号端0 e 为 低电平时，三态门处于导通状态，允许q 端输出，当o e 为高电平时，输出三态 门颧牙，狻墨壤瓣羚呈褰麓获态，鞭藏在毒系统孛爆鼹逸。当7 4 l s 3 7 3 懿g 引瓣为离套平糖，7 4 l s 3 7 3 输出灞毽静状态帮输入添d 豹状态福霹，酃为透粥态， 当g 端由高电平返回低电平时，输入端d 的数据被d 锁存器锁存，之后即使d 端( p o 口) 输入数据再发生变化，也不会影响已锁存的数据。 1 2 河海大学工程硕士研究生学位论文 2 7 6 4 是可用紫外线擦除，由电编程的只读存储器，为2 8 个引脚的双列直插 式器件( d i p ) 。v 。为编程电压脚，正常使用时可接高电平。 2 2 2 f 1 0 3 1 晶振及复位电路 1 、晶振电路 任何计算机工作都需要有一个稳定的振荡源，以提供准确的统一时钟脉冲， 使计算机个节拍一个节拍地工作，8 0 3 1 单片枫也不例外。 8 0 3 1 单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚 x t a l 。( 1 9 脚) 和x f a i 。：( 1 8 脚) 分别是放大器的输入端和输出端。放大器可以和作 为反馈元件的片外晶体或陶瓷谐振器一起构成一个自激振荡器，这时的振荡器频 率由外接的晶体决定，其范围为2 1 2 y d t z 。8 0 3 1 还可以使用外部时钟源，这时 将x t a l 。引脚接地，x t a l 引脚作为送进单片机主振荡信号的输入端。系统中采用 前一种方法，选用6 删z 的晶振。 与晶振相并联的电容c 。c 。的作用是提高频率的稳定度，电容取值对振荡 频率输出的稳定性、大小、起振速度有少许影响，可在2 0 p f i o o p f 之间取值， 本系统中取3 0 p f 。 2 、复位电路 8 0 3 1 单片机的r s t 引脚只要输入宽为l o m s 左右的正脉冲，就可以使之可 靠复位。本系统中采用图2 - - 3 所示的复位电路，复位原理如下：当电源一接通 时，由于电容两端电压不能突变，故a 点为低电平，经反相器7 4 l 8 0 4 反相后为 高电平，作为8 0 3 1 和8 1 5 5 的复位信号。a 点低电平( 即复位信号高电平) 时间由 时间常数r 。c 。决定，由于两者取值都较大，故能保证系统一上电即可靠复位。 与电阻r i o 并联的二极管d 5 ( t n 4 1 4 8 作用是保证系统一掉电后电容c 4 上的电荷 能迅速通过d 5 向负载释放，为下一次上电自动复位作好准备。按钮s 4 是手动复 位按钮，当按下后，电容上c 4 的电荷迅速释放，使a 点为低电平，经反相后输 出高电平复位信号。 图2 3 所示的复位电路具有低通滤波器的性质，不会因为5 v 电源里的干扰脉 冲而使系统误复位或引起某些寄存器错误复位，这是由于电容c 。较大，干扰脉冲 不致使其电压发生变化的缘故。 河海大学工程硕士研究生学位论空 电路参数的选择：图2 一：j 中非门的最小输入电平l 。f 2 o v ，当充电时间 t = o 6 r c 时，则充电电压u c = o 4 5 v c c = 0 4 5 5 v = 2 2 5 v ，其中t 即为复位时间。图 中r = i k t - ，c - 2 2uf ，n t = o 6 1 0 3 2 2 i 0 1 = 1 3 m s 。 + 5 图2 一- - 3 复位电路 2 2 3键盘与显示电路 1 、8 1 5 5 芯片介绍： 8 1 5 5 芯片内包含有存储单元为2 5 6 字节的静态r a m ，3 个可编程的i o ，其中2 个口( a 口和b 口) 为8 位口，1 个口( e 口) 为6 位口和1 个1 啦定时器计数器。8 1 5 5 可直接与m c s 一5 1 单片机连接，不需要增加任何硬件逻辑。本系统是利用8 1 5 5 并行 扩展口构成的键盘、显示器接口电路，如图2 4 所示。 键盘用来设置不同的钢筋直径，显示电路用来显示焊接钢筋直径和焊接现 场电压。8 0 3 1 单片机p 。口输出的低8 位地址不需要另加锁存器而直接与8 1 5 5 的a d 0 a b 湘连，既作低8 位地址总线又作数据总线，地址锁存直接用a l e 在8 1 5 5 锁存。 8 1 5 5 的c e 端接p ：。，1 0 m 端与p ：湘连。当岛。为低电平时，若p 。= 1 ，访j b 日8 1 5 5 的i o 口，若p 。= 0 ，访问8 1 5 5 的r a m 单元。 1 4 河海大学= 程硕士研究生学位论文 图2 4 键盘、显示器接口电路 由此可知本系统中8 1 5 5 的地址编码如下： r a m 字节地址：9 f o o h 9 f f i i 命令状态口：b f o o h i o 口地址： p a 口：b f 0 1 h p b 口：b f 0 2 h p c 口：b f 0 3 h 2 、键盘接口设计 系统中采用3 4 共1 2 个键的矩阵式键盘，它由行线和列线组成，按键位于 行、列的交叉点上。很明显，在按键数量较多的场合，矩阵键盘与独立式按键键 盘相比，要节省很多的i o f 二j 。 按键设置在行、列线上，行、列线分别连接到按键开关的两端。行线通过 上拉电阻接到+ 5 v 电源上。平时无按键动作时，行线处于高电平状态，而当有按 键按下时，行线电平状态将由与此行线相连的列线电平决定。列线电平如果为低， 则行线电平为低；反之相同。这一点是识别矩阵键盘按键是否按下的关键。由于 矩阵键盘中行、列线为多键共用，各按键均影响该键所在行和列的电平。因此各 按键彼此将相互发生影响，所以必须将行、列线配合起来并作适当的处理，才能 河海大学工程硕十研究生学位论文 确定闭合键的位置。具体方法是分两步进行：第一步，识别键盘有无键被按下： 第i ：步，如果有键被按下，识别出具体的按键，分述如下： 识别键盘有无键授下的方法是：让所有列线均置为0 电平，检查各行线电平 是否有变化，如果有变化，则说明有键被按下，反之则没有键被按下，同时还应 考虑消抖处理。 识剐具体按键的方法是扫描法：逐列置零电平，其余各列置为高电平，检 查各行线的变化，如果某行电平由高电平变为零电平，则可确定此行此列交叉点 处的按键被按下。 键盘上的每个键都有键值。键的赋值方法本系统中采用依次排列键值的方 法，这时键值与键号一致，即：闭合键键值= 列扫描次数+ 行首键号 3 、数码显示 系统中选用l e d 四位动态显示，这样可以节省许多i o h 。p b h 为扫描位( 字 位) 输出口，p a 口为段选码( 即字型码) 输出口。8 1 5 5 的p a 3 和p b 臼的带负载能力 不能直接驱动l e d 发光显示，故采用+ f 7 4 0 7 驱动( o ( = 门，故要加上拉电阻) ，系统 中采用的共阴数码管为l a - 5 0 1 卜儿，其极限工作电流为2 0 m a ( 每个笔划) ，推荐工 作电流为5 一l o a ，本系统采用1 0 0 欧的限流电阻。 显示的原理为：设在8 0 3 1 片内r a m 的3 0 h r - 3 3 h 单元作为显示缓冲区，分别存 放4 位显示器的待显示数据，在某一时刻，8 1 5 5 的p b 口总是只有一位为高电平， 即使4 位共阴显示器中仅有一位显示器的公共端c o m 为低电平，其它均为高电平。 同时8 1 5 5 的p a 口输出相应显示数的段选码( 字型) ，馒某一位显示出一个字符，其 余位不亮。即实现了某一位的静态显示。若要在4 位显示器上显示不同的数，则 必须依次改变p b 口扫描位( 始终只有一位有效) ，并从p a 口输出相应的段数据码。 由于人眼的视觉暂留原理，当进行的速度较快时，看起来好像在4 位显示器上同 时显示了不同的数。 2 2 48 0 3 l 的前向通道 1 、a d 转换电路 a d 转换电路由a d c 0 8 0 9 芯片、非门7 4 l s 0 4 ( 只用其中1 个) 和或非门7 4 l s 0 2 ( 用其中2 个) 等组成。 a d c 0 8 0 9 是逐次逼近式，分辨率8 位，转换时间为l o o m s ，总的不可调误差 河海大学王程馥士研究生学位渔文 为1 l s b ，芯片内无时钟，萁工作频率为】o k h z 1 2 8 0 k h z ，所以必须靠外部提供 时钟，8 0 3 1 单片机的主频接为6 捌 z ，a l e 提供给a d c 0 8 0 9 的时钟频率为l 实际应用系统使用迁明，a d c 0 8 0 9 能够正常可靠地工作。 a d c 0 8 0 9 瓣e o c ；l 搿是转欹缭窳售号辕出溃，a d 转挨开始磊e o c 蕊号囊动 变为低电平，转换结束变走高电平。由于8 0 3 1 酶所有i o 口在复位屠都为麓电 平，为程序设计方便，将e o c 信号经反相后输入8 0 3 1 的p 。( i n t l ) 口。a d c 0 8 0 9 的s 、a r t 、a t e 和o e 引脚分别为启动a d 转换信号输入端( 高电平有效) 、土墩址锁 存竭和输出允许信号，将o e 端输入正赫渖，可打开a d c 0 8 0 9 豹三态门缓冲嚣， 取数据。 s t a r t c d o c k 8 位a i dn _ 1 厂1 门 8 遂 拯 入 通 搂 输 e o c 转捧曼京 ( 粥b ) 断l d 。j f 瞒 、，c cg a 芏) 醛觏q 熬差蕾( ) o e 输出选通 銎2 一- 5a d c 0 8 0 9 工佟原瑾搿 将8 0 3 1 的段，列和w r 引脚输入戏非门7 4 。s 0 2 后接到a d c 0 8 0 9 的s t a r t 釉a l e 引脚，这样只有当8 0 3 1 的p ：；口哥nw r 引脚都为低电平时，或非门才输出离电平， 嬗a b e 0 8 0 9 的s t a r t 和a l e 脚褥到有效电信号。同样，将8 0 3 1 魏p 。，翻期r d 引 辫辕入羲蒌| 、】7 4 l s 0 2 嚣接到a d c 0 8 0 9 熬o e 麓，搜褥姿p 。霹帮r d 都为低龟平 时，才能向0 8 0 9 取数据。经上述接线，a d c 0 8 0 9 的各荦元地址为：( 仅蚜出所用 单元) 河海大学工程硕士研究生学位论文 l n o ：f f o h i n l ：7 f f l t t 由于只用a d c 0 8 0 9 的i n o 和i n i 输入端，故0 8 0 9 的a d d b 和a d d c 通道输入 端始终为低电平，为减少电路板连线，将它们直接接地。因为a d c 0 8 0 9 内部有地 址锁存器，故将其a d d a 端直接与8 0 3 1 的p 。相接。 2 、模拟量的输入 系统需检测两个模拟量，分别是电焊机的次级电压和次级电流，两个量都 很大，因此必须采取措施后才能引入a d c 0 8 0 9 的输入端。 ( 1 )电压信号的处理 电压信号为直流模拟电压，如果直接输入光电耦合器g d 2 1 l ，即使通过精心 调节，其精度也较差，本系统采用一种精度较高、电路简单的光电隔离传输电路。 该电路如图2 - - 6 示，包括两个光电耦合器t 。和t ；，以及两个射极跟随器a ，和如， t 。和a 。为输入级，t 。和如为输出级，电路的传输系数为k = r 。( r ，。+ r ，。) ，合理选 择两个电阻值，即可得到适当的电压值。该电路利用t 。、r 电流传输特性的对称 性和反馈原理，可以很好地补偿它们原来的非线性。由于光电耦合器的初次级之 间存在传输延时，t ；和r 。组成的负反馈电路变动有些迟缓，可能会引起振荡， 电容c 。可以消除振荡，实验表明，该电路的线性误差不超过0 2 。具体的计 算推导过程可参见参考文献 1 6 。考虑到运放的输入电压范围为3 0 v ，且该电 路在o 2 0 v 范围内线性关系较好，本系统中采用o l o v 电压输入，该电压由 8 0 v 电压分压得到( 分压电路在弧焊电源部分) 。 图2 6 电压输入电路 河海天学工程硕上研究生学位论文 ( 2 )电流信号的处理 由于电焊机电流很大，且是直流电，因而可以采用分流器来测量，本系统 中选用的分流器是将7 5 0 a 的电流转换为7 5 m v 的直流电压，然后经过电压放大， 得到适合于a d c 0 8 0 9 的输入电压，即最大电流时应为5 v 电压，将输入的7 5 m y 的电压放大到5 v ，放大电路采用运放构成同相比例电路实现，如图2 - - 7 。 图2 7 电流输入电路 2 2 5 报警电蹯 该电路是一个受8 0 3 1 p 。口控制的方波振荡器，如图2 - - 8 正常情况f ( 包括 单片机复位后) ，8 0 3 1 _ 单片机p 。是高电平，这时或非门u 7 a 输出低电平( 即i 脚 为低电平) ，或非门u 7 b 输出高电平( 即4 脚为高电平) ，7 4 l s 系列电路高电平约 为4 7 左右，故三极管q 。( 3 c k i i o ) 处于截止状态，因为吼是发光二极管，正向压 降为1 7 v 左右( 小电流时) ，加上q 。一个硅p n 结正向压降0 7 v ，至少需2 4 v 压降才能使导通。 当8 0 3 1 的p 。口变为低电平时，或非门u 7 a 就相当于一个非门，