【精品硕士论文】1577电容储能缝焊控制系统的研究.pdf

学校代码 10406 分类号 tg409学号 100080503031 南昌航空大学南昌航空大学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 学位研究生 电容储能缝焊控制系统的研究电容储能缝焊控制系统的研究 硕士研究生 姜 俊 导师 冀春涛 教授 申请学位级别 硕士 学科 专业 材料加工工程 所在单位 航空制造工程学院 答辩日期 2012 年 12 月 授予学位单位 南昌航空大学 studystudystudystudy ofofofof thethethethe controlcontrolcontrolcontrol systemsystemsystemsystem ofofofof c c c capacitanceapacitanceapacitanceapacitance energyenergyenergyenergy storagestoragestoragestorage seamseamseamseam weldweldweldweldinginginging adissertation submitted for the degree of master on materials processing engineering bybybyby jiang jun under the supervision of prof ji chun tao school of aviation manufacturing engineering nanchang hangkong university nanchang china december 2012 i 摘 要 电容储能缝焊广泛应用于薄片金属的焊接 是一种高效的焊接方法 随着工 业制造与生产自动化水平的提高 对缝焊的焊接质量及控制技术有了更高的要求 而传统的电容储能缝焊机是以引燃管为主电力开关元件和由复杂的分立元件组成 控制系统 其控制精度低 性能稳定性差 已不能满足现代工业的需要 本文研究的电容储能缝焊的控制系统 以atmel公司的at89c52单片机为核 心和晶闸管为主电力开关元件 运用单片机的定时与中断功能发出符合要求的触 发脉冲来触发晶闸管达到控制电容器充放电的目的 机械运转部分的电磁气阀和 直流电动机由固态继电器驱动 用e2prom保存焊接参数 掉电不丢失 i2c总线 器件zlg7290控制的触摸式键盘 数字键和功能键 led指示灯和lcd1602液晶 显示屏构成人性化的人机交互界面 采用 keil vision2 0 软件设计系统控制程序 实现了焊接参数的设置 显示 与保存 电容器的充放电循环 上滚轮的落下与抬起 直流电动机的运转与刹车 通过51mini仿真器编译与调试 验证了系统的可行性 关键词 电容储能 缝焊 单片机 晶闸管 固态继电器 iii abstract capacitance energy storage seam welding which is widely used in sheet metal welding is a highly efficient welding method with the improvement of industrial manufacturing and production automation modern industry has higher requirements to seam welding quality and control technology the main power switch components of traditional capacitance energy storage welding machine were ignition tubes and the control system consisted of complex discrete components which could not satisfy the needs of modern industry because of its low control precision and poor performance stability the control system of capacitance energy storage seam welding studied in this article is designed with at89c52 micro computer as a core and silicon controlled rectifiers as the main power switch components the silicon controlled rectifiers are controlled by the firing pulses produced by using timing and interruption functions of micro computer the purpose is to control the capacitors charging and discharging the solenoid valve and dc motor of mechanical parts are driven by solid state relay e2prom is used to save welding parameters which is able to maintain data storage without power the keyboard digital key and the function key is duiven by zlg7290 which is the i2c bus device led lights and lcd1602 liquid crystal display constitute a humanized human computer interaction interface the control program is designed with keil vision2 0 which realized data setting display and storage of the welding parameters charging discharging cycles of capacitors motion of the upper wheel electrode operation of dc motor the system is tested with 51mini simulator which verified the feasibility of the system keykeykeykey wordwordwordwords s s s capacitance energy storage seam welding micro computer silicon controlled rectifier solid state relay 南昌航空大学硕士学位论文目录 v 目 录 摘 要 i abstract iii 目 录 v 第一章 绪论 1 1 1 课题研究目的和意义 1 1 2 电阻缝焊技术的研究现状及发展 2 1 2 1 电阻缝焊工艺及控制 2 1 2 2 电阻缝焊主电源的发展概况 5 1 2 3 电容储能缝焊电源的研究现状 6 1 2 4 电阻缝焊控制系统的发展概况 7 1 3 课题研究的主要内容 8 1 4 本章小结 8 第二章 控制系统的硬件选取 9 2 1 主控器件 9 2 2 显示屏 9 2 3 键盘控制驱动器 11 2 4 非易失存储器 12 2 5 数据存贮器 ram 12 2 6 系统复位芯片 13 2 7 本章小结 13 第三章 控制系统的总体设计方案 15 3 1 i2c 总线技术 15 3 1 1 i2c 总线技术概述 15 3 1 2 i2c 总线数据传送 15 3 2 电容储能缝焊机 17 3 2 1 焊机的基本工作原理 17 3 2 2 电容的放电波形 18 3 3 控制系统的总体设计 19 3 4 控制面板的设计 21 3 5 本章小结 23 第四章 控制系统的硬件电路设计 25 4 1 复位电路 25 4 2 主控电路 25 4 3 i2c 总线电路 27 4 4 直流电源电路 31 4 5 电磁气阀与电动机驱动电路 31 4 6 主电力电路 33 4 7 同步电路 34 4 8 过电压保护电路 35 4 9 触发脉冲隔离放大电路 36 4 10 液晶显示电路 38 4 11 焊接启动电路 39 4 12 系统的抗干扰性设计 40 南昌航空大学硕士学位论文目录 vi 4 12 1 干扰源及干扰途径 40 4 12 2 抗干扰设计 42 4 13 本章小结 44 第五章 控制系统的软件设计与调试 45 5 1 主控程序 45 5 2 触发脉冲程序 46 5 3at24c02 的读写程序 49 5 4 键值处理程序 54 5 5 液晶屏显示程序 55 5 6 软件调试 57 5 7 本章小结 60 第六章 结论 61 参考文献 63 论文发表情况 67 致谢 69 附录 71 南昌航空大学硕士学位论文第一章 绪论 1 第一章 绪论 1 1 课题研究目的和意义 焊接作为一种材料加工技术 已成为工业生产中必不可少的工艺方法 在现 代化工业占有极其重要地位 是效率最高 应用最广的连接技术之一 广泛应用 于汽车工业 航空航天 兵器和船舶制造等领域 1 3 缝焊为电阻焊的一种 其方 法是将焊件装配成搭接或对接接头 置于两电极滚轮之间加压并转动 焊接电源 连续 或断续 送电 最后形成一条连续焊缝 4 常见的电阻焊有 点焊 凸焊 对焊以及缝焊 最基本的电阻焊为点焊 而焊缝是由多个连续的焊点相互重叠而 成 所以 也可以把缝焊看作是点焊的一种演变 5 电阻缝焊作为一种重要的焊接 工艺方法 在现代工业生产中亦有着广泛的应用 如它在油桶 罐头罐 暖气片 汽车拼焊板 飞机和汽车油箱 喷气发动机 以及火箭导弹中的密封容器的薄件 焊接中有着广泛的应用 5 6 电阻缝焊对焊缝的密封性和耐蚀性有较高的要求 采用 pc 机作为电阻焊机的控制器 适用性与通用性较好 然而对于电阻焊机 控制系统来说 pc 机不但价格昂贵 而且体积也较大 随着大规模和超大规模集 成电路的迅速发展 计算机日趋小型化 价格低廉 工作可靠 体积小 功能强 已被广泛用于各个行业 7 其中包括电阻焊机控制器的应用 单片机是采用超大规 模集成电路技术做成的一块芯片 把中央处理器 cpu 只读存储器 rom 数据存 储器 ram i o 口 定时器 计数器以及中断系统等集成到一块硅片上构成的一个 体积小而功能完善的计算机系统 也称为微型计算机 8 它的优点有 功能强而体 积小 可靠性与精确度高且成本低等 9 可以毫不夸张地说 微型计算机是现代科 技发展的标志 没有它的仪器不能称其为先进的仪器 没有它的控制系统不能称 其为现代控制系统 10 单片机是以工业控制为目的而设计的 用在焊机上其性能 价格比较高 因此用单片机控制的焊机应运而生 并得到了很快的发展 近年来 新技术与新型材料的快速发展 对电阻缝焊的过程也有了更进一步 认识 对其焊接质量和控制技术提出了更高的要求 仪器与设备越来越精密 要 求对缝焊的过程进行精确监控 使之更加稳定 尤其是对输入的能量必须精确控 制 以获得密封性好 耐腐蚀性高 焊接强度可靠 表面美观的焊缝 11 电容储 能缝焊 是利用电容器充电贮积的能量 在短瞬时间内向焊接变压器初级放电 次级感应出强大的脉冲电流 用以焊接金属 其优点有 电网负载均匀 其焊接 电流波形陡峭 能量集中 焊接区温度上升快 热效率高 接头外型好且变形小 12 电容器组的充放电开关采用双路晶闸管代替以往的引燃管 含汞 污染严重 晶闸管作为大电流无触点开关 具有效率高 寿命长 体积小以及无噪音等优点 南昌航空大学硕士学位论文第一章 绪论 2 尤其是它的压降低 与引燃管相比 只有它的十分之一 电能就得到了有效的利 用 电容器的充电电压由开关控制且连续可调 并由电压表监视 电容储能缝焊 机放出的电流为低电压大电流的强脉冲 而充电电流却远小于放电电流 所以 与其它类型的焊机相比 它对电网电压的冲击小 另一方面 储能焊机的一次放 电时间极其短暂 即使在网压波动的情况下焊接时焊机的性能也稳定 电容储能 焊机的放电范围没有交流电中电流反向时出现冷却间歇的现象 所以 它适合于 焊接导热性和导电性好的金属 13 如铝合金 不锈钢 铜合金和其它有色金属 具有较高的焊接质量 电容储能缝焊机采用单片机作为控制器的核心 再配置适 当的外围接口电路 许多控制功能用软件实现 做到以软代硬 取代了以往十分 复杂的分立元件电路 具有控制精度与可靠性高 响应速度快 功耗与成本低以 及体积小等特点 因此 对电容储能缝焊控制系统的研究具有非常重要的意义 1 2 电阻缝焊技术的研究现状及发展 1 2 1 电阻缝焊工艺及控制 随着科技的飞速发展 焊接设备已成为国民经济发展中必不可少的工业设备 被称之为 工业缝纫机 14 焊接技术水平的高低影响着整个工业水平的发展和 提高 常见的焊接方法有电弧焊 电阻焊 激光焊以及钎焊等 其中电阻焊应用 极为广泛 电阻焊是压力焊中最为常用的一种无需添加填充济的焊接工艺 通过 将被焊件置于两电极压力的作用下 并使电流通过 利用电阻产生的热量使被焊 接面熔化 然后施加压力 最后实现焊接接头的一种焊接方法 4 15 电阻焊是焊 接技术的一个重要组成部分 近年来 新材料 新技术和大规模集成电路的不断 发展 电阻焊技术也有了突飞猛进的发展 更先进的电阻焊设备随之诞生 如 点焊机器人 逆变技术电阻焊设备以及多功能高精度微机自适应控制器 使电阻 焊设备不仅在汽车工业生产中独领风骚 并渐渐深入高科技应用领域 已成为工 业中必不可少的 生产效率极高的生产设备之一 完成一个完整的电阻焊焊接循环都要经过三个阶段 16 第一 使工件与电极 间接触紧密 保证接触电阻阻值 并预压一定时间 若预压时间不够 可能导致 电极和焊接表面烧坏 第二 电流通过被压紧的工件产生热量 产生的热量将工 件熔化形成熔核 熔核中心的电流最大 周围金属的电流随与中心的距离增大而 减小 只能产生塑变 形成一个塑性环包围熔核 改善焊点强度 第三 在焊点 完全冷却之前保持电极压力一定时间 使焊接区得到致密的组织 称为维持 电 阻焊的三要素为压力 电流和时间 这三要素控制得当 就精确控制了热能的输 入 即控制了熔核的大小 焊件间接触电阻的大小受电极压力的影响 进而影响 南昌航空大学硕士学位论文第一章 绪论 3 到焊接区的加热程度 电流和通电时间对熔核尺寸的影响很大 且影响是一致的 电流越大 通电时间越长 热输入就越大 因此熔核也就越大 17 影响电阻焊质 量的还有工件材料性质 电极材料 端面形状及大小 分流 工件厚度以及焊点 离工件边缘的距离等因素 并且这些因素之间存在交互作用 给电阻焊质量控制 带来了一定的困难 又由于缝焊时滚轮电极与工件的相对位置变化迅速 导致缝 焊的焊接循环三个阶段并没有点焊的那么明显 这三个阶段是一个连续的动态过 程 并且焊缝是由相互搭接的焊点所组成 焊接时的分流也要比点焊严重的多 所以 电阻缝焊的焊接质量通常要比点焊的差 其质量控制也要比点焊的更为复 杂 随着现代经济的飞速发展 汽车制造业 建筑业以及航空航天领域等各个行 业产品不断升级 金属材料的加工工艺也有了更高的要求 近几十年来 电阻焊 工艺以及质量控制的研究工作主要包括以下三个方面 1 电阻焊过程数值模拟 数值模拟就是建立理论模型来进行理论分析的一种方法 在电阻焊领域应用 最多的是有限元法电阻焊过程数值模拟 所谓电阻焊过程数值模拟 就是在实验 的基础上 用控制方程来描述整个焊接过程 或其中的某一方面 然后用数值 分析法求解来获得对该过程的定量认识 如 焊接区的强度 断裂韧性 热影响 区的硬度等 电阻焊过程数值模拟的实际意义在于 对制定新型材料焊接规范参数起指导 性作用 可以缩小试验范围 减少试验量 减少贵重金属材料的试验消耗 降低 试验成本 可以优化结构与工艺设计 并能实现实际焊接中的极限条件的模拟 提高焊接质量 早在上世纪 60 年代初 j a greewnood 就建立了描述点焊过程的第一个轴对 称热传导模型 18 该模型采用的是有限差分法 并考虑到材料物理性能参数受温 度的影响和工件内部的焦耳热 缺点是未考虑接触电阻及熔化潜热等因素 误差 很大 在 80 年代中期 由美国学者 h a nied 建立的电 热 力耦合二维轴对称模 型采用的是有限元分析法 19 并模拟了点焊的三个阶段 加压 焊接 维持 由此得出了温度分布 电位分布 应力分布和熔核形状的结果 缺点是未考虑焊 接过程中接触电阻的变化与熔核的长大 在 1987 年 gould 在考虑了相变 电极 形状以及接触电阻变化的影响的基础上分析了点焊的熔核形成过程 20 他采用的 是一维有限差分模型 随后 z han 研究的点焊热 电耦合过程是建立在轴对称差 分模型的基础上 21 并假定焊件的静态接触电阻是电极压力线性函数 但缺点是 忽略了电极与焊件间的接触电阻 从而影响了结果的精确性 90 年代初 c l tsai 和 dickinson 等人建立了热 电 力耦合有限元模型 并分析了不锈钢点焊过程的 热 电 力行为 22 但未考虑变形对电 热分析的影响 90 年代末期 j e gould 和 z feng 建立了电 热 力耦合过程的模型 23 该模型中 采用微观模型来描述 南昌航空大学硕士学位论文第一章 绪论 4 接触面 并且接触电阻只考虑了由于两个接触表面的凹凸不平产生的收缩电阻 2000 年 jamil 和 a khan 等分析了铝合金点焊的电流 焊件间接触电阻以及焊件 与电极间接触面电阻对液态熔核区流动和形核的影响 24 他们建立的是三维热模 型 在该模型中 假定接触电阻与温度成线性关系 而未考虑焊接过程中接触面 的变化以及变形对电 热分析的影响 在国内 吉林工业大学的王春生和陈勇在 2004 年建立的三层不锈钢板点焊的二维有限元电 热耦合模型中分析了熔核的形 成过程和形核规律 25 并且考虑了物理参数随温度的变化和接触压力引起的接触 电阻的变化对焊接过程的影响 2 新型材料的可焊性 为了满足人们对现代化工业产品性能的需求 在材料性能方面的要求越来越 高 如改善汽车车身的强度 硬度以及抗腐蚀性等 随着石油 煤炭此类能源短 缺的问题日益明显 提倡节能减排已成为全球的焦点话题 需要尽快采用新型材 料用于汽车及航空航天等工业 新型材料的可焊性就成为焊接界专家们研究的重 点了 例如 使用铝合金可以减轻车身自重 节约能源 所以 研究铝合金的电 阻焊性能非常紧迫 镀锌钢板的抗腐蚀性能比普通钢板强 对镀锌钢板电阻焊的 焊接过程数值模拟 焊接工艺规范 电极寿命等问题作了大量的研究 焊接工艺 的研究已基本处于成熟阶段 延长镀锌钢板点焊的电极寿命还需要进一步研究 如弥散强化或对电极低温处理 26 等 高强钢成型性能与防撞凹性能好 广泛应用 于汽车制造业 3 电阻焊质量监控方法 电阻焊广泛应用于工业生产 因此焊接质量是研究的重点 点焊是电阻焊中 基本的焊接方法 也最有代表性 其质量控制一直是国内外焊接界专家研究的热 点课题 近年来 电阻焊质量监控的研究已有一定的成果 主要表现在以下四个 方面 1 焊接过程直接变量的实时监控 美国学者 cho y 和 rhee s 采用高速数字摄像机对电阻点焊熔核的形成过程进 行全程监测 研究其形成机理 并分析了它对焊接过程参数的影响 27 2 点焊过程间接电参数的实时检测 美国学者 min j 建立了一个过程输出与过程输入的关系 该关系与焊接质量有 关 可以通过改变输入信号的控制参数来控制焊点的尺寸和强度 28 采用该方法 有效地保证了焊点的质量 已广泛地应用于汽车钢板的点焊 3 点焊过程间接力参数的实时监控 华沙大学的 senkara j 等学者基于焊接中的力学和冶金过程的相互影响而建立 了点焊接头的飞溅预测模型 利用该模型可以计算出点焊的电极压力和液态熔核 膨胀力 在前者小于后者的情况下则会产生飞溅现象 该模型的建立为选择电极 南昌航空大学硕士学位论文第一章 绪论 5 压力起到了指导性作用 29 4 焊点质量的神经网络预测 美国密西根大学的 yongjoon c 和 sehun r 采用动态电阻法评估了电阻点焊的 质量 该方法是在结合 hopfield 神经网络理论的基础上来预测焊点质量的 并且 预测出的拉剪强度与实焊试样所得到的基本一致 30 1 2 2 电阻缝焊主电源的发展概况 根据电阻缝焊的基本原理 可采用的主电源有单相工频交流 二次 次级 整流 三相低频 逆变以及电容储能等 31 根据被焊工件的形状与工艺要求 材料的性 质 焊机本身的成本费用以及电网情况等因素来确定选用哪一种主电源 1 单相工频交流 所谓单相工频交流 是由 380v 50hz 的单相交流 输入到焊接变压器的初级 绕组 再经焊接变压器次级绕组降压输出强电流用于焊接金属 是应用最广泛的 主电源之一 该种主电源通用性强 设备成本和维修费用都较低 易于控制 但 缺点是容易造成网压波动 功率因数也低 2 次级整流 次级整流 就是把阻焊变压器次级输出的交流电经过大功率整流桥整流变成 直流电 最终用直流电焊接金属 因为输出为直流电 不存在过零现象 所以焊 接热效率和功率因数高 焊接质量也大大提高 32 由于焊接时温度上升迅速 所 以适合焊接导热性和导电性好的材料 其缺点是设备造价高 普及还有一定的困 难 3 逆变式焊机 逆变式焊机是上世纪80年代发展并投入使用的一种新型设备 其工作原理为 三相交流电经过整流器整流 滤波后转成直流电 再经逆变器逆变得到频率为600 1000hz的中频交流电 然后输入到阻焊变压器的初级 其次级输出的低电压大 电流再经单相全波整流 最后得到的是脉动较小的直流电 由于阻焊变压器的初 级输入的是中频交流电 其体积和重量明显减小 逆变一体式焊钳的重量可以降 到原来的一半左右 33 34 其缺点是设备造价昂贵 电路原理较为复杂 维修难度大 普及困难 4 三相低频 三相低频 即电源为三相 且电流的频率比工频要低 通常为 15 20hz 甚至 更低 其优点有 功率因数较高 焊接工艺性好 电网负荷均衡 易于调节 由 于焊接电流的频率较低 焊接变压器的体积较大 生产效率低 未得到广泛的应 用 南昌航空大学硕士学位论文第一章 绪论 6 5 电容储能焊 电容储能焊 是利用电容器充电贮积的能量 在短瞬时间内向焊接变压器初 级放电 次级感应出强大的脉冲电流 用以焊接金属 其优点有 电网负载均匀 功率因数高 焊接电流波形陡峭 加热能量集中 接头外型好 变形小 缺点有 电容的体积较大 价格昂贵且寿命短 能量消耗大 转换效率低 储能焊机的功 率一般较小 较适合于薄件金属的精密焊接 1 2 3 电容储能缝焊电源的研究现状 电容储能缝焊 是利用电容器组通过rlc回路向焊接变压器初级放电 再由 其进行电流变换后次级感应出大的脉冲电流用于焊接 因此 电容 电感和电阻 这三个参数的设计极为重要 也是电容储能缝焊机设计的重点和难点 储能焊机 的参数设计一般采用类比法 需根据经验进行设计 通常要经过多次反复的设计 试验 逐步确定最终参数 盲目性较大 因此 电容储能缝焊机的设计周期长 费用较高 影响了新型储能焊机的研发 且储能焊的焊接规范太硬 放电电流波 形陡 峰值时间tm较小 对储能焊的适用范围有一定的影响 35 目前 电容储能焊机大部分采用的是高压电容 一般为300v 2000v 贮积 的能量经焊接变压器转为低电压大电流输出 在对电容进行充 放电过程中耗能 较多 能量利用率低 另外 电容的体积较大 价格高 且损耗大 寿命短 由 于要定期更换电容导致成本增大 储能焊机还不能进行高速焊 焊机的功率都较 小 36 电容储能焊机的这些特征使焊机的制造工艺复杂化 成本高 近年来 由于现代电力电子技术的不断进步 焊接专家们不断研究储能焊机 的充 放电与控制回路 并取得了很大进步 大功率开关器件及微机控制技术等 的应用不断出现在电容储能焊机的设计中 提高了该类焊机的性能 例如 在1 4mm 厚的交通标志铝板的点焊研究中 上海交通大学的王敏 程轩挺和余震设计的大 容量储能点焊机采用了电压跟踪式限流充电电路 具有效率高 冲击小等优点 37 李伟 王认证和刘燕鸣设计的双向晶闸管点焊控制器采用了无触点压力开关 取 代传统的充电电路和交流接触器放电 具有故障率与噪音低 生产效率与产品质 量高等优点 38 超级电容 又称电化学电容 也可称为超大容量电容器 是一种新型贮能 元件 发展于二十世纪七 八十年代 由于超级电容是双电层电容器 与普通电 容器相比 它具有超大的容量 39 超级电容器具有能量密度高 功率密度大 内 阻小 无污染 低温性能好以及使用寿命长等优点 它分为法拉第准电容与双电 层电容两种 法拉第准电容器是利用电极与电解质界面双电层以及电极内部的法 拉第氧化还原反应来贮积能量 最常用的金属氧化物材料有mno2 ruo2 nio2 南昌航空大学硕士学位论文第一章 绪论 7 以及sno2等 比电容高达10 812 f g 40 44 双电层电容器采用的是比表面积高的 多孔碳电极与电解质界面的双电层贮积能量 比电容高达264 f g 45 48 虽然超级 电容有如此多的优点 但是还存在一个严重的问题 就是参数的不一致性 即使 两个同一种型号的超级电容的参数也存在差异 如电压 容量和内阻等不一致 在使用超级电容的过程中 电压不均匀的积累和工作环境不同会加剧它的参数不 一致性 这种现象会致使它的模块中的单体电压不均衡 很大程度上影响了贮能 容量及使用寿命 阻碍了它的应用发展 49 50 因此 克服超级电容的参数不一致性 具有非常重要的意义 已成为当今的重点研究课题 目前 电容储能焊机的主电 源大部分采用的是电解电容 多只电容器经过串并联组合成电容器组 当充电完 成后 在短瞬时间内完成放电 放电电流可达几百安到几万安 经过研究人员的 不断努力 铝电解电容的制造技术及设计水平有了很大的提高 正在向成本低 体积小 容量大以及高频低阻抗的方向发展 为性能更高的焊机的研究设计奠定 了基础 1 2 4 电阻缝焊控制系统的发展概况 在电阻缝焊焊接过程中通常会发生焊件电流分流 电网网压波动 焊接回 路阻抗变化 电极滚轮磨损严重甚至飞溅等现象 所以 必须对焊接过程进行 精确 可靠的控制来提高焊接质量的目的 自从电阻缝焊机面世以来 其控制 系统的发展大体可分为三个阶段 晶体管分立元件控制系统 集成电路控制系 统和微机控制系统 1 由分立元件组成的控制系统采用的是电子管及电阻 电容等器件 以 引燃管作为主电力开关 由阻容延时电路定时 这种控制系统体积大 功耗高 且线路复杂 控制精度与可靠性低 引燃管对工作环境造成污染 引燃管含汞 充放电时间的控制也不够精确 2 由cmos或mos小规模集成电路构成的控制系统通常以晶闸管作为主 电力开关 控制精度与可靠性高于晶体管分立元件控制系统 功耗与成本得以 降低 缺点是控制灵活性不足 对不同控制对象的适应性差 集成电路数量较 多 线路较复杂 可维护性较差 3 微机控制系统主要是以单片机或dsp为控制器核心 并配置适当的外 围接口电路 再用软件实现控制功能 达到以软代硬的效果 并能实现控制多 脉冲焊接循环 具有控制器体积小 控制精度与可靠性高 响应速度快 功耗 与成本大幅度降低 节能环保等优点 微机控制系统还可以实现多组焊接参数 存储与选择 调制焊接电流波形 焊接过程中参数实时采样及控制和故障诊断 及报警等功能 这种控制系统越来越受到焊接工作者的欢迎 已得到广泛的应 南昌航空大学硕士学位论文第一章 绪论 8 用 并成为电阻缝焊控制系统的主要发展方向 现有的电阻缝焊微机控制系统 普遍采用的是早期的单片机 与现代新型单片机相比 还存一些缺点 如 内 部资源与i o口线少 无a d转换器与串行通信接口及晶振不够高等 31 51 值得提出的是 对于电阻缝焊来说 最重要的是要保证焊后气密性良好 然而影响电阻缝焊气密性的关键因素是焊速 可以通过调节电动机的转速或蜗 轮蜗杆减速系统来达到调整电极滚轮转速的目的 1 3 课题研究的主要内容 本课题需要完成的任务主要涉及到硬件电路的分析 设计以及软件的编程 并通过软件程序实现完整的焊接循环 最终能对要求不同焊接参数的焊件进行焊 接 1 设计以 at89c52 单片机为控制器核心的控制系统 实现对电磁气阀与直 流电动机的驱动及控制 通过双路晶闸管实现对电容充放电的精确控制 2 扩展非易失存储电路 at24c02 与单片机实现 i2c 总线通信 以及键盘电 路与液晶显示电路实现键盘输入与显示参数输出 要求相关焊接参数可以实现修 改与存储的功能 3 设计软件程序 发出符合要求的触发脉冲以控制电容循环充放电 电容 充放电周期通过键盘实现可调 实现对电极滚轮的运转 刹车和对工件加压 循 环通电 维持 休止等焊接循环的高精度控制 1 4 本章小结 本章首先阐述了本课题研究的目的与意义 确定了课题的实用性 简要地 介绍了电阻缝焊技术的研究现状与发展 包括电阻缝焊工艺及 电容储能缝焊 电源的研究现状 电阻缝焊控制系统的发展概况等 最后提出了课题研究的主 要内容 明确了整个课题的总体目标 南昌航空大学硕士学位论文第二章 控制系统的硬件选取 9 第二章 控制系统的硬件选取 2 1 主控器件 主控器件选取 atmel 公司推出的 at89c52 单片机 它作为 atmel 公司的 中档典型产品 已被广泛应用在电子行业以及电阻焊控制器中 at89c52 是一种 低成本 高性能 低电压 且 cmos 为型的 8 位单片机 它含有 8kb 的可反复擦 写的 flash 只读程序存储器 rom 256 字节的随机数据存储器 ram 4 个 8 位平 行 i o 口 p0 口 p1 口 p2 口以及 p3 口 两个外部中断 int0 和 int1 3 个 16 位定时 计数器 t0 t1 t2 以及全双工异步串行口 uart 52 器件是采 用工业标准的 c51 内核作为中央处理器 是 51 系列单片机的一个型号 所以能 与标准的 mcs 51 指令系统完全兼容 53 at89c52 作为通用 8 位微处理器 在内 部功能以及引脚排布上与通用的 51 系列相同 其管脚图以及实物图分别如图 2 1 2 2 所示 共 40 个引脚 主要引脚有 vcc 40 脚 和 gnd 20 脚 为供 电端 分别接 5v 电源和地 xtal1 19 脚 和 xtal2 18 脚 分别为内 部振荡电路的输入端与输出端 用于外接晶振电路 rst 9 脚 为复位输入 端口 输入高电平使单片机复位 低电平退出复位 共有 32 个并行 i o 口 其 中 p1 2 p1 7 为单一的准双向口 p1 0 p1 1 以及 p3 0 p3 7 为多种功能复用 的准双向口 p2 口为可作为地址总线的输出的准双向口 p0 口为可作为地址 数据总线的三态双向口 当系统扩展了地址总线时 p2 口只能作为地址总线的 高 8 位 而 p0 口只能作为地址总线的低 8 位 图 2 1at89c52 芯片引脚图图 2 2at89c52 南昌航空大学硕士学位论文第二章 控制系统的硬件选取 10 2 2 显示屏 由长沙太阳人电子有限公司生产的 lcd1602 显示屏是一款字符型液晶显示 屏 为最常用的液晶显示屏之一 实物图如图 2 3 所示 1 lcd1602 主要技术参数如下表 2 1 所示 表 2 1 lcd1602 主要技术参数 显示容量16 2 个字符 芯片工作电压4 5 5 5v 工作电流2 0ma 5 0v 模块最佳工作电压5 0v 字符尺寸2 92 4 35 w h mm 2 lcd1602 共有 16 个引脚 其引脚功能说明如下表 2 2 所示 表 2 2 lcd1602 引脚功能说明 编号符号引脚说明编号符号引脚说明 1vss电源地9d2data i o 2vdd电源正极10d3data i o 3vl液晶显示偏压信号11d4data i o 4rs数据 命令选择端 h l 12d5data i o 5r w读 写选择端 h l 13d6data i o 6e使能信号14d7data i o 7d0data i o15bla背光源正极 8d1data i o16blk背光源负极 lcd1602液晶显示屏不仅可以显示字符 并且带有蓝色背光源 可通过调节 液晶偏压信号来达到调节显示屏背光源亮度的目的 即调节对比度 使背光源亮 度与工作环境的光线强度相适应 并且显示的字符不闪烁 不失真 显示效果优 于以住的数码管 3 lcd1602 的基本特性有 1 电源电压为 4 5 5 5v 功耗与成本低 显示效果好 可靠性高 寿命长 2 内部置有 hd44780 控制芯片 标准接口 与单片机的 i o 口接线方便 其 数据端可直接与单片机的 p0 口连接 操作简单 3 lcd1602 中的 16 指的是一行可显示 16 位字符 02 指的是共可显示 南昌航空大学硕士学位论文第二章 控制系统的硬件选取 11 两行 其控制芯片内部含有 80bytes 的 ram 缓冲区 4 按照规定的指令码和操作时序输入需要显示的字符的ascii码便可显示相 应的字符 54 5 储存温度为 20 70 工作温度为 0 50 2 3 键盘控制驱动器 若控制面板的键盘直接与单片机的 i o 口相连接 则不仅大大的浪费了单片机 的 i o 口资源 而且与单片机的接线以及后续的编程都相当繁琐 为此 选择 zlg7290 作为键盘的控制驱动器 它是一款 i2c 总线接口的器件 只需占用单片 机的两个 i o 口 即数据线 sda 和时钟线 scl 这不但节省了单片机的 i o 口资 源 而且简化了电路接线 zlg7290 引脚图如图 2 4 所示 图 2 3 1602 液晶显示屏图 2 4 zlg7290 引脚图 1 zlg7290 引脚功能如表 2 3 所示 表 2 3 zlg7290 引脚功能说明 引脚号引脚名称引脚属性引脚描述 16vcc电源电源正 3 3 5 5v 11gnd电源电源地 17osc1输入连接晶体以产生内部时钟 18osc2输出连接晶体以产生内部时钟 14 int输出中断输出端 低电平有效 15 res输入复位输入端 低电平有效 3 6 12 13 21 22dig0 dig7输入 输出led 显示位驱动及键盘扫描线 1 2 7 10 23 24sega segh输入 输出led 显示段驱动及键盘扫描线 19scl输入 输出i2c 接口时钟线 20sda输入 输出i2c 总线接口数据 地址线 南昌航空大学硕士学位论文第二章 控制系统的硬件选取 12 2 zlg7290 的主要优点 55 1 与单片机之间实现串行通信只需两根信号线 scl sda 接线简单 2 当有按键按下时 int端会产生中断信号 与单片机接口方便 3 能驱动控制按键的数量多达 64 个 并能自动完成消抖 简化了编程 4 抗干扰能力强的工业级芯片 2 4 非易失存储器 为了永久性地保存焊接参数 需要选择一款掉电以后数据不会丢失的存储器 件 at24c02 是一种 i2c 总线接口的 e2prom 器件 存储空间为 2kb 由先进的 cmos 技术生产 功耗小 即使电压为 2 5v 也能正常工作 掉电以后内部内容 不丢失 可以满足永久保存焊接参数的要求 其引脚图如图 2 5 所示 芯片共 8 个引脚 vcc 和 gnd 为电源端和接地端 scl 和 sda 为 i2c 总线接口 wp 为 写保护引脚 内部置有写保护功能 当引脚 wp 置高电平时 其内部数据只能 读 不能对其进行写操作 要向内部写数据 wp 必须置低电平 a0 a1 和 a2 为三个可编程地址端口 器件的高 4 位地址为 1010 出厂时规定 最低位 为读写标志位 0 表示写操作 1 表示读操作 其它 3 位取决于 a2a1a0 所 以 a0 a1 和 a2 分别接不同的电平能组成 8 个不同的地址 在 i2c 总线上最多可 接入 8 个此种器件 at24c02 内部存储地址为 00h 0ffh 分为 32 页 每 8 bytes 地址单元为一页 共 256bytes at24c02 与 zlg7290 一样都是 i2c 总线器件 两 根线 数据线 sda 和时钟线 scl 就能实现与单片机的串行通信 56 图 2 5at24c02 引脚图 2 5 数据存贮器 ram at24c02 虽然寿命很长 但对其擦 写的次数也是有限的 大约一百万次 为 了减少对其擦 写的次数 需要在单片机外部扩展一片数据存贮器 ram 作为 e2prom 的镜像缓存区 以延长 at24c02 的使用寿命 hm6116 是一款存贮空间 南昌航空大学硕士学位论文第二章 控制系统的硬件选取 13 为 2kb 的静态数据缓冲器 其引脚图如图 2 6 所示 a0 a10 为地址输入端 dq0 dq7 为又向三态数据端 ce oe we 分别为片选信号输入端 读选通信 号输入端 写选通信号输入端 均为低电平有效 它的优点有 高速度 存取时 间为纳秒级 兼容 ttl 电平 cmos 工艺低功耗 完全静态 图 2 6 hm6116 引脚图图 2 7 max708 引脚图 2 6 系统复位芯片 at89c52的复位信号为高电平有效 而zlg7290的复位信号为低电平有效 两 芯片的复位信号刚好相反 max708 是一种能同时输出高 低电平有效的两种不 同复位信号的微处理器电源监控芯片 复位信号可由vcc电压 独立的比较器触 发产生或手动复位输入 57 利用此芯片可使at89c52单片机和zlg7290两芯片同时 复位 其引脚图如图2 7所示 引脚定义如表2 4所示 表2 4 max708引脚定义 名称功能 mr复位输入端 低电平有效 vcc电源输入 gnd地 pfi电源失效比较器输入端 未用时接gnd pfo电源失效比较器输出 低电平有效 未用时悬空 nc空 reset低电平有效复位输出端 复位信号宽度为200ms reset高电平有效复位输出端 复位信号宽度为200ms 南昌航空大学硕士学位论文第二章 控制系统的硬件选取 14 2 7 本章小结 本章简要地介绍了一些主要器件 at89c52 单片机 lcd1602 显示屏 键盘 驱动控制器 zlg7290 以及系统复位芯片 max708 等 的基本信息 包括其用法 功能以及在系统中的作用 为后续的控制系统的硬件设计和软件编程奠定了基础 南昌航空大学硕士学位论文第三章 控制系统的总体设计方案 15 第三章 控制系统的总体设计方案 3 1 i2c 总线技术 在本系统的设计中采用了 zlg7290 和 at24c02 这两种器件 而这两种器件都 为 i2c 总线接口的器件 该总线属于串行总线 与常用的并行总线相比 硬件及线 路简单 降低了系统成本 提高了可维护性 3 1 1 i2c 总线技术概述 i2c总线技术是荷兰philips公司开发的一种串行总线 支持所有的cmos i2c nmos 工艺制作的器件 是近年来应用最多的串行总线之一 i2c总线共有两根信号线 时钟线scl和双向的数据线sda 总线经上拉电阻 接 5v电源 当总线空闲时 scl线和sda线均为高电平 如图3 1所示 当总线 上的任一器件输出低电平时 总线的高电平信号都会变为低电平 也就是说器件 的两根信号线分别都是 逻辑与 的关系 接到i2c总线上的每个器件都有一个唯 一的地址 无论是微控制器 存储器 lcd驱动器或是键盘接口 以便主机的寻 址 且都可作为主机或从机 由器件自身功能决定 主机与从机之间的通信为 主机发送数据为发送器 从机接收数据则为接收器 当系统中有多个主机时 可 能在某一时刻同时有超过一台主机企图启动总线发送数据 为了避免由此产生的 冲突 保证数据可靠传送 同一时刻总线上只允许有一台主机 因此 i2c总线需 要一个仲裁过程 选出一台主机来控制总线 图 3 1 i2c 多机系统结构 3 1 2 i2c 总线数据传送 在 i2c 总线上 数据是随着时钟脉冲一位一位地传送 先送高位 再送低位 一个时钟脉冲传送一个数据位 数据的位传输如图 3 2 所示 只有在 scl 线为高 南昌航空大学硕士学位论文第三章 控制系统的总体设计方案 16 电平期间 sda 线的数据才稳定有效 低电平为 0 高电平为 1 sda 线的高低电平的变化是在scl线为低电平期间完成的 如果时钟线scl为高电平 那么数据线 sda 的电平必须保持不变 否则数据线 sda 上的电平变化会被认为 是总线的起始信号或终止信号而导致数据传送失败 图 3 2 i2c 总线数据的位传输 i2c 总线共有三大类信号 分别为起始信号 停止信号以及应答信号 并且这 三种信号都有规定的时序 1 起始信号 scl 线在高电平状态时 sda 线出现负跳变为起始信号 如 图 3 3 左边所示 起始信号由主机发出 在 i2c 总线通信之前启动 启动起始信号 以后 才能进行 i2c 总线寻址与数据传输等 此时 总线处于被 占用 状态 2 停止信号 scl 线在高电平状态时 sda 线出现正跳变为停止信号 如 图 3 3 右边所示 停止信号也是由主机发出的 用于终止 i2c 总线通信 停止信号 一旦发出 结束所有 i2c 总线操作 并释放总线 此时 总线处于 空闲 状态 图 3 3 i2c 总线的起始信号和停止信号 3 应答信号 i2c 总线数据传输时 发送器在第 9 个时钟脉冲上释放数据 总线 sda 高电平 此时由接收器控制 接收器在这个时钟脉冲内把数据总线 sda 拉为低电平为应答信号 i2c 总线协议规定 发送器传送完一个字节后 接收 器都必须回发一个应答信号 i2c 总线通信之前 首先启动总线 主机再发送一个字节地址信号 总线上从 南昌航空大学硕士学位论文第三章 控制系统的总体设计方案 17 机的地址与主机发送的地址相同的即为主机寻址的被控器 主机接收到被控器的 应答信号后 则表示被控器已准备好 可以进行数据信号传输 地址信号由8 位 数据组成 高 7 位为从机的纯地址 最低位为读 写标志位 0 表示写 1 表示读 数据信号也是由 8 位数据组成的 主机发送完一字节数据后 如果接收 到被控器的应答信号 则表示可以继续发送下一个字节数据 如此循环 主机可 以向被控器发送多个字节数据 当主机发送完最后一个字节数据后 无论接收到 被控器的信号是应答信号还是非应答信号 此时主机都将发送停止信号 即 i2c 总 线通信结束 时序图如图 3 4 所示 当单片机作为接收器时 单片机收到一个字节 数据后 有时要完成一些其它的功能 如处理中断服务 必须暂时中断