基于单片机的电子束焊机数字扫描信号发生器.doc

第期（总第期）机械工程与自动化年月文章编号：（）基于单片机的电子束焊机数字扫描信号发生器岑艺，李少林（桂林电子科技大学机电程学院，广西桂林）摘要：简述了电子束偏转扫描原理和周期性波形设计方法，介绍了基于单片机的双通道数字扫描信号发生器的设计及其实现。利用串口通信，用户可以通过机选择所需信号波形。关键词：电子柬焊机；单片机，信号发生器引言中图分类号：文献标识码：取。集成模拟电路功能单一，一种电路产生的波形种电子束焊机被广泛应用于高能物理、冶金工业、微电子工业、机械工业和航天航空工业等各个领域，在国民经济中起着非常重要的作用。在电子束焊接过程中，需要对电子束的轨迹进行精确控制，以达到一些特殊焊接工艺的要求，因此，要求电子束焊机具有扫描功能。电子束需扫描的图形是多样的，如点、线、圆、半圆、椭圆及矩形面等，这就要求电子束焊机的扫描信号发生器能生成多种图形的扫描信号。扫描信号发生器必须具有性能好、功能强和结构简单等特点，本文针对上述要求提出基于单片机的数字扫描信号发生器设计方法。类少，因而存在电路结构复杂、不易调试、工作可靠性差等多种缺点；而数字电路具有结构简单、功耗低、功能多样、可产生多种波形信号、易于调试等多种优点，能满足电子束扫描焊接多种功能的要求。周期性波形的设计思想根据电子束扫描原理，必须在、方向的线圈上施加不同类型或相同类型的周期性函数信号，才能获得不同形状的电子束扫描轨迹。因此。扫描电路必须能同时输出两路波形信号。为了实现以上目的，我们向单片机预置相应波形的程序，通过转换和其它外围电路以获取、方向上的信号。具体的原理框图电子束扫描原理电子束以速度移通过给定的均匀磁场，在洛仑兹见图。力作用下发生偏转。电子束在磁场出口处的偏转距离与磁感应强度的关系如下：刖孙，厂了一 （）式中：电子的电荷量；研电子的质量；匿互目片机。电场的加速电压；均匀磁场长度。由式（）可知：电子束偏转距离与磁感应强度成正比，而与加速电压的平方根成反比。在加速电压一定的情况下，在电子束真空管、方向同时加上不同的磁场信号，则电子束在两方向磁场作用下能产生各种图形的电子束轨迹，如在、方向分别加上正弦、余弦磁场信号就能产生圆或椭圆轨迹。电子束焊机的扫描信号可采用集成模拟电路或数字电路来获图周期性波形的产生原理框图使用函数信号能够得到很好的波形，但是在单片机时钟频率没有调到最高的情况下，得到的波形频率只是在几毫赫兹到几十赫兹之间。为了提高波形频率，需要免去单片机计算输出波形的计算负担，人为地对波形输出点进行计算，并转化成转换器输人数值，即波代码，然后建立函数表，通过查表来进行输出。我们知道，一个正弦函数的周期是。，值域为收稿日期，；修回日期作者简介，岑艺（一）女，广西宁明人，硕士研究生万方数据二。厨碡机械工程与自动化年第期一，。为了保证转换精度，在一个周期中取个采样点，各点的横坐标分别为、丁、刀丁、，采样点正弦函数数值的表达式为：了（了磊）咒，。，片机以进行计算处理，这样，既可对所需波形信号的频率、幅度及功能进行控制，又可把输出的波形信号频率、幅度等参数通过显示屏显示出来。显示电路设计中采用位、带背光、个字符的。液晶模块。显示电路连接图见图。（）由于位数模转换电路数值输入值是，要对正弦函数的波形进行编码，需要量化式月 晤（）的数值，方法如下：攀（了，丽）警起，。 “（）根据式（）计算所得到的是十进制数，按四舍五人的方法取为整数，所获得的整数再转化为十六进制数，啪一叭咖一叭眦一哪一眦；三一】幻）珥【】： 即可得到正弦波的波代码，见表。表正弦波的波代码图显示电路连接图采样点量化值波代码。的与单片机的口相连；使能端与相连，和分别与和相连；端口接电源，并且接一个去耦电容通地；和端口接地，采用最高对比度。 转换电路本设计中采用电流型输出芯片，它是由计算得出的波形函数表，通过程序存人单片机的程序存储器，利用单片机的定时器来产生定时，每当定时时间到时就可以由查表得到该点相应的输出数值，通过，数字信号可转换成相应的模拟信号。如此周而复始地查表输出。就可以得到所要的正弦波。由于正弦波一个周期的点数是固定的，我们改变定时器的定时值，就可改变相邻两点的输出间隔时间，从而改变波形的频率。余弦波、三角波、锯齿波和梯形波等形式的波形可以用同样的方法计算、编码、建立函数表，存在单片机程序存储器中。扫描电路设计一种使用较多的位转换器，其转换时间为，工作电压为，基准电压为士，内部由个位输入锁存器、个位寄存器和个位转换器组成。为了使扫描电路能同时输出两路波形信号，必须同步进行转换输出，所以本设计采用双缓冲同步方式。在此工作方式下，数字量的输入锁存和转换输出分两步进行，即的数据总线分时地向两路转换器输入要转换的数字量，并把该数字量锁存于各自的输入寄存器，然后对所有的转换器发出控制信号，使各转换器输入锁存器中的数据送人寄存器，实现同步转换输出。转换电路主控制器硬件连接图见图。设计中采用。公司的型单片机，它具有如下优点：拥有完善的外部扩展总线，通过这些总线可方便地扩展外围单元、外设接口等，本设计需要采用它的串行总线，实现与机的通信；内部拥有的 程序存储空间和数据存储空间，由于该芯片可反复擦写 次，故可以重复使用，如需更改程序内容，可直接在线编写程序，不必把芯片从工作环境中剥离。键盘电路为节省单片机的口，简化硬件电路，采用矩阵式键盘。键盘共设有数字键、单位键及功能键等个键。设计中，数据和控制信号通过键盘输送给单万方数据两片的数据线都连到单片机的口；所有的、都连接到单片机的端；两片的分别选择和端，则输入寄存器地址分别为和，这样可分别向两片输入不同的数据；都连接到端，使两片的寄存器具有相同的地址，以便在控制下实现两路信号同步进行转换和输出。外接电压运算放大器，使电流型输出转换为电压型输出，输出电压为一。滤波放大电路年第期岑艺，等：基于单片机的电子束焊机数字扫描信号发生器转换后的模拟信号是单极性电压信号，需要滤波放大方可驱动电子枪的偏转线圈，滤波放大电路见图。 蛰， （） ： 一 ： 离舒以伊 丽一 ）【：甚銎图 、 ， ， ：上 （、 耐 、 ： 。转换电路硬件连接图 。 一 卞 一一交互界面。通过机，用户可以选择所需波形，设置输出波形信号的幅度、频率值，并对波形进行显示、存储等。为了能使单片机与机之间通信，采用串行通信标准总线接口，以二芯屏幕电缆为传输介质。鉴于单片机的串行口输入输出为逻辑电平，高电平为左右，低电平为左右，而机的串行口则采用和一电平方图滤波放大电路一、式，采用电平转换器将二者之间的电平转换。由于受到分辨率的限制和内部模拟电子开关时间不一致的影响以及开关接通、断开时间的脉冲干扰，使得转换电路输出存在尖峰干扰和毛刺现象，为了避免尖峰和毛刺被放大难以滤除，先要对输出波形进行滤波。图中，接人丌型滤波器消除转换电路产生的毛刺。为了使波形输出零点对齐，首先要结合去直流电路把转换产生的直流分量去掉，然后再把滤去直流分量的方向电压信号，与电位器上的分压信号相加，即在原来波形上叠加一个直流恒定电压信号以调节信号波形零点。调节电路中的电位器，可以改变输出波形幅值，这样可得到放大后的方向电压信号。同理，可得到方向电压信号，的滤波放大信号。放大后的输出电压信号驱动电子枪的偏转线圈，使偏转线圈产生正交均匀磁场，以控制电子束的扫描轨迹，从而实现特殊焊接工艺要求。 串行通信接口电路设计中，把单片机与机接口连接以进行串行通信。并在 环境下，利用结束语本文所设计的数字扫描双通道波形信号发生器，采用软硬件结合的方法简化了硬件设备，波形参数（幅度、频率）可以在一定范围内变化，通过实现可视化人机交互，操作方便。当然，这个波形信号发生器还存在不足之处，如产生高频波形时频率精度下降、滤波电路比较简单，还有待于进一步提高。参考文献：范玉殿电子束和离子束加工北京：机械工业出版社，韦寿祺一种新型的电子束焊机用多种扫描信号发生器口电焊机。（）：谢自美电子线路设计实验测试第版武汉：华中科技大学出版社，陶益凡基于的信号发生器的研制南京：南京信息工程大学：蒋廷彪刘电霆，高富强等单片机原理及应用重庆：重庆大学出版社张李勇基于单片机的双通道波形发生器的设计与实现计算机工程与应用，（）：（英文摘要转第页）现有万方数据控件实现可视化人机上强，皇 强，止量 强呖盥盟盘卫赴皓）（卫（） 一舅刚 四身刖、口刊。降掣、也、】、土生一 乜 （螋叫一士者删曼、 强刊，、盥、口 嘎丌恐。 一上职年第期机械工程与自动化节点。在的事件模型中，一个节点的事件可以通过路由被传递至另一个节点的。在事件模型的基础上，实现了种类型的对场景的访问，见图。淄（啪）口将 用于）（需要重新启动） 日启用 编译暑毒（需要重蛊动）口启用、随记景目启用控制台（需要重启动）应用实例图为虚拟装配平台实例。 界面由个按钮（打开、自动安装、自动拆卸、单步安装、单步拆卸、关闭）和个控制安装和拆卸速度的滑杆组成。图访 场蕞，的竹点 和之间的通信设置燮填儡化为：纠，髭。似：，发送精场璇的泉一报们伊：）化为含矩 二擎：、，夸、“瓒批场址，椠社的桩倒倒：轧为台巧的坐：、（），州图虚拟装配平台实例结论基于。和 的虚拟装配技术在虚拟装配技术领域里占有重要的地位，应用这项技术可以实现基于网络的远程分布式虚拟装配，在制造业里图 对场景的访问监听场景事件监听场景事件的目的是当被监听的节点有输出时，挂接子类的（）方法能自动实行，其实现方法见图。具有广阔的应用前景。在公司、公司（设计了）和 公司对这项技术持续的支持下，它的应用方法会有不断的变化，也会愈来愈成熟。参考文献：， ，（）：图监听场景事件的实现汪兴谦，牛燕明邓谆谆，与编程实例讲解北京：中国水利水电出版社，、 （ ， ，） ， ， ；） ，（上接第页） ， （ ， ）： ， 万方数据）； ： 基于单片机的电子束焊机数字扫描信号发生器作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：引用次数：岑艺， 李少林， CEN Yi， LI Shao-lin桂林电子科技大学,机电工程学院,广西,桂林,541004机械工程与自动化MECHANICAL ENGINEERING & AUTOMATION2008，(3)0次参考文献(6条)1.范玉殿 电子束和离子束加工 19892.韦寿祺 一种新型的电子束焊机用多种扫描信号发生器 1999(6)3.谢自美 电子线路设计实验测试 20004.陶益凡 基于DDS的信号发生器的研制学位论文 20065.蒋廷彪.刘电霆.高富强 单片机原理及应用 20036.张李勇.陈朗.张飞舟 基于8051单片机的双通道波形发生器的设计与实现期刊论文-计算机工程与应用 2004(8)相似文献(2条)1.期刊论文 李正熙.王磊.赵仁涛.LI Zheng-xi.WANG Lei.ZHAO Ren-tao 一种全桥逆变式电子束焊机高压电源 -自动化与仪器仪表2008(3)介绍了一种全桥逆变式电子束焊机高压电源的工作原理和控制电路.采用了直流斩波和全桥逆变技术,以IGBT为直流斩波元件、IPM模块为全桥逆变元件实现了高压电源的高效小型化.控制系统采用了AVR单片机、复杂可编程逻辑器件(CPLD)、A/D模块等芯片组成的电路实现了