基于PIC單片機的焊接防觸電裝置的開發(fā)

1、第17卷第1期2003年02月華東船舶工業(yè)學院學報(自然科學版Journal of East China Shipbuilding Institute(Natural Science EditionVo1117No11Feb.2003文章編號:1006-1088(200301-0058-04基于PIC單片機的焊接防觸電裝置的開發(fā)梅劍,鄧志良(華東船舶工業(yè)學院電子與信息系,江蘇鎮(zhèn)江212003摘要:介紹了一種使用新型單片機作為控制單元的焊接防觸電裝置的硬件系統(tǒng)和控制軟件。硬件部分包括Microchip公司的PIC系列單片機控制部分和由晶閘管組成的強電部分,控制軟件采用PID(Pro2portio

2、nal Integral Differential控制算法,使得該裝置不僅能夠實現(xiàn)焊接的防觸電功能,而且還可以控制焊接電流,使焊接電流滿足焊接工藝要求的恒流特性,獲得較好的焊接效果。關鍵詞:單片機應用;焊接電源;防觸電中圖分類號:TP273;TG409文獻標識碼:A0引言眾所周知,手弧焊使用的是接觸式的引燃方式,這就要求手弧焊的焊接端具有較高的空載電壓(通常為6080V以便順利引弧。而這個電壓對于人體來說屬于危險電壓,特別是在工作環(huán)境狹小,比較潮濕的時候,很容易發(fā)生人體觸電事故。為了避免這種情況的發(fā)生,國外很早就開始了焊接防觸電裝置的研究。我國對于這方面的研究起步較晚,而且使用的技術比較落后。

3、產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性較差。本文針對這個問題,提出了一種新型的手弧焊焊接防觸電裝置的設計方案。在該方案中,使用Mi2 crochip公司的PIC單片機作為控制單元,采用PID控制算法對焊接過程進行全程控制。既可以降低空載電壓,避免人體觸電事故的發(fā)生,又可以降低手弧焊機的功耗,起到節(jié)能的作用。1PIC系列單片機簡介PIC是美國Microchip公司生產(chǎn)的單片機系列產(chǎn)品的前綴。PIC系列單片機硬件系統(tǒng)設計簡潔,指令系統(tǒng)設計精練,是一種與國內(nèi)常用的MCS-51系列單片機截然不同的新型單片機。它有以下優(yōu)點13:1哈佛總線結構。PIC系列單片機內(nèi)部總線結構不同于普通單片機的馮諾依曼結構,它采用的是哈佛結構

4、。這就意味著,在PIC系列單片機的內(nèi)部,數(shù)據(jù)總線和地址總線是分離的,并且采用不同的寬度。這樣可以實現(xiàn)指令提取的“流水作業(yè)”,可以實現(xiàn)指令的單字節(jié)化、單周期化,提高指令的執(zhí)行速度。2精簡指令系統(tǒng)。PIC系列單片機指令系統(tǒng)采用精簡指令集RISC(Reduced Instruction Set C ollection技術,不僅便于記憶和學習,而且絕大部分的指令都是單字節(jié)、單周期指令,有利于提高指令運行速度。3I/O驅動能力強。I/O具有很強的驅動能力,每個I/O口的吸入和輸出電流最大值可達25和20mA,能夠直接驅動發(fā)光二極管、光電耦合器和微型繼電器。這種能力可以降低電路的復雜程度,減少驅動電路,提

5、高電路的可靠性。4集成度高。PIC系列單片機內(nèi)部集成了上電復位電路、I/O引腳上拉電路、看門狗電路等,可以最大程度地減少器件,實現(xiàn)“純單片”應用。不僅有利于開發(fā),而且可以減小電路板尺寸,降低成本。收稿日期:2002-09-23基金項目:江蘇省自然科學基金資助項目(院編2001309作者簡介:梅劍(1979-,男,浙江寧波人,華東船舶工業(yè)學院碩士研究生。在本設計方案中,采用了PIC16F877單片機。這款芯片集成了看門狗電路、10位A/D 模塊、128×8的EEPROM 、176×8的數(shù)據(jù)RAM 和4K ×14的程序存儲器。2 系統(tǒng)硬件設計圖1系統(tǒng)結構圖Fig.1S

6、ystem structure系統(tǒng)由晶閘管三相全控橋主電路、輔助電源電路和單片機控制電路構成,如圖1所示。三相全控橋電路負責提供焊接所需的焊接電壓和電流,采用移相觸發(fā)方式觸發(fā)晶閘管4,5。焊接開始后,電流傳感器L 對焊接端的電流進行采樣,并將結果送到單片機。這種電流傳感器屬于霍爾元件,本身具有較好的抗干擾性能,可以提高系統(tǒng)的抗干擾性能。輔助電源電路包括輔助電源部分、一個控制輔助電路通斷的繼電器和小電流采樣部分。輔助電源負責在焊接剛上電,但還沒有開始焊接前,提供一個安全的空載電壓(按國標規(guī)定為小于24V 。小電流采樣電路負責在焊接開始前對焊接端電流進行采樣。因為此時焊接端電壓為24V ,根據(jù)國標

7、規(guī)定啟動電阻為500,所以啟動時焊接端電流為48mA 。當該電路采樣到啟動信號后,由單片機給繼電器發(fā)命令,將輔助電源電路斷開,接通主電路,開始焊接。單片機控制電路包括同步電路、鍵盤、顯示、采樣和脈沖功率放大部分。同步部分負責檢測三相電中A 相的過零點。當單片機檢測到啟動信號后,開始等待A 相過零脈沖。過零脈沖到達后,單片機以此脈沖為標準,對晶閘管進行移相控制。同時該脈沖還作為采樣的開始信號;通過鍵盤,可以人工設定一些焊接參數(shù),如焊接電壓和電流;顯示部分將把焊接過程的電壓和電流實時顯示出來;采樣電路將采集焊接電壓和電流;驅動部分負責將單片機發(fā)出的控制脈沖進行功率放大后驅動晶閘管。3系統(tǒng)軟件設計3

8、11算法的選擇在該系統(tǒng)中,所有的控制功能都要由單片機來實現(xiàn),所以必須選用合適的控制算法。但是考慮到單片機的運算能力不是很強,運算速度不是很快,這里選用離散控制系統(tǒng)PID 算法6,7,表達式為:(k =K p E (k +T T i 6nk =1E (k +T D T (E (k -E (k -1式中:(k 根據(jù)第k 次偏差計算出的輸出;T 采樣周期;E (k 第k 次采樣值與設定值的差值;E (k -1第k -1次采樣值與設定值的差值;T i 積分時間;T D 微分時間;K p 比例系數(shù)。但該式對編程不適用,所以將該式變換為:(k =(k -1+K p E (k -E (k -1+K I E

9、(k +K D E (k -2E (k -1+E (k -2式中:K I =K p T T I 積分系數(shù),K D =K p T D T 微分系數(shù)。以恒流控制為例,系統(tǒng)的被控參數(shù)為焊接電流,執(zhí)行機構為三相全控橋;E (k 為第k 次的焊接電流的采樣值和設定值的差,作為輸入量;(k 是根據(jù)E (k 計算出來的輸出量,對應于晶閘管的控制角;K p 、K I 、K D 由臨界比例度法來確定,首先去掉積分調(diào)節(jié)和微分調(diào)節(jié),然后不斷增加比例系數(shù)K p ,直到系統(tǒng)發(fā)生持續(xù)振蕩。根據(jù)臨界振蕩時比例系數(shù)K pu 和振蕩周期T u ,可以確定K p 、T I 和T D :K p =1/1.67k pu ,T I =

10、95第1期梅劍等:基于PIC 單片機的焊接防觸電裝置的開發(fā)1/1.2T u ,T D =1/8T u 由此3個參數(shù),確定K I 和K D ,其中系統(tǒng)的采樣周期T 為3.33ms 。312程序流程圖程序流程圖如圖2所示。系統(tǒng)上電后,由單片機對芯片各接口的工作方式進行初始化,如規(guī)定定時器的分頻系數(shù),I/O 口的工作方式等。然后可以由鍵盤輸入焊接電壓和電流的設定值,在此期間,單片機接通輔助電源,給焊接端24V 的空載安全電壓。然后循環(huán)檢測是否開始焊接,如果檢測到啟動信號,單片機立即切斷輔助電源電路,接通全控橋電路,使焊接端出現(xiàn)80V 的正?？蛰d電壓以便引弧。引弧成功后,再不斷對焊接電壓和電流進行采樣

11、,將采樣到的焊接電壓和電流與設定值進行比較,用得到的差值進行PID 運算。 得到(k 后,將該輸出值轉換成延時時間,然后啟動定時器。定時器溢出后,發(fā)相應的控制脈沖,實現(xiàn)對電壓和電流的實時控制,得到滿意的焊接效果 。圖2程序流程圖Fig.2Program flow diagram4技術難點由于該系統(tǒng)使用的是新型單片機,所以從硬件電路到軟件的設計都與傳統(tǒng)的設計方法有很大的不同。以下是系統(tǒng)開發(fā)過程中遇到的技術難點以及解決方案。1硬件電路設計難點。由于正常焊接時,焊接電流在一個很大的范圍內(nèi)變化(01000A ,而焊接啟動時的啟動信號(以電流作為啟動信號只有48mA 。既要保證電流采樣范圍符合要求,又要

12、保證足夠的采樣精度以及時檢測出啟動信號,這對于普通電路來說難以實現(xiàn)。有鑒于此,在設計電流采樣電路時,設計兩套采樣電路:一套負責在焊接開始前,專門采樣啟動電流信號;另外一套電路專門負責在焊接開始后,對焊接電流進行采樣,兩套電路的交替動作完全由程序實現(xiàn),這樣就很好地解決了這個問題。2軟件設計難點。PIC 單片機和51系列單片機相比,除了屬于不同種類的匯編語言外,還有兩點不同:PIC 系列單片機的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器都是分頁的。以PIC16F877型號為例,這款芯片的程序存儲器共8K ,分為4頁。在編寫程序時,程序員必須清楚每段程序放在第幾頁上,這樣在跨頁調(diào)用該程序時才能給程序指針賦予正確的地址,

13、實現(xiàn)程序的正確調(diào)用。同時,一定不能出現(xiàn)某個程序的跨頁現(xiàn)象,否則該程序將不能正確執(zhí)行。當程序越龐大時,這項工作越是復雜。PIC 系列單片機的中斷入口地址只有一個。在硬件上,各個中斷沒有等級。但實際情況中,中斷不可能不分等級。因此中斷的分級完全要由軟件來實現(xiàn)。在程序設計中,先查詢的中斷,優(yōu)先級最高。不同的查詢順序,可能導致完全不同的程序執(zhí)行結果。06華東船舶工業(yè)學院學報(自然科學版2003年5實驗結果該系統(tǒng)通過實驗測試,表明該系統(tǒng)具有以下特點:空載時為24V 安全電壓。由于采用了輔助電源技術,所以在空載時,焊接端的電壓為24V 安全電壓,避免了觸電事故的發(fā)生。實時顯示焊接電壓和電流。每隔3.33m

14、s 就顯示一次該時刻的焊接電壓和電流,可以全面掌握焊接狀態(tài)。操作方便。總共只有4個功能按鍵,能夠對焊接電壓和電流隨時進行設定。設定完成后,焊機即以新的設定值工作。當焊接端的模擬負載降低到500時,程序自動斷開輔助電源,同時接通晶閘管整流電路,并給晶閘管整流橋發(fā)觸發(fā)脈沖,使焊接端出現(xiàn)80V 的正常引弧電壓。當焊接結束時,該裝置先輸出1s 的延時電壓,再切斷主電路,并接通輔助電路,焊接端重新出現(xiàn)24V 的安全空載電壓。該裝置可以根據(jù)實時的采樣數(shù)據(jù),判斷焊接狀態(tài),輸出不同的控制脈沖,從而控制焊接電壓和電流。從實驗結果可知,該裝置能夠較好的實現(xiàn)焊接的防觸電功能,工作效果令人滿意。參考文獻:1美國微芯科

15、技股份有限公司.PIC16F87X 數(shù)據(jù)手冊20/40腳8位FLASH 單片機M .劉和平譯.北京:北京航空航天大學出版社,200112Microchip Technology Inc.PICmicro Mid 2Range MCU Family Reference ManualM .Microchi p Technology Incorpo 2rated ,2002.3Microchip Technology Inc.MPLAB IDE ,SIMULA TOR ,EDITOR USER S GU IDEM .Microchip Technology In 2corporated ,2001.

16、4孫樹樸.半導體變流技術M .徐州:中國礦業(yè)大學出版社,1994.5鄭宜庭,黃石生.弧焊電源M .北京:機械工業(yè)出版社,1997.6李鶴歧,馬躍洲.微機控制多功能晶閘管(SCR 焊接電源靜動特性的研究J .電焊機,1991(1:14-2017陳善本.焊接過程現(xiàn)代控制技術M .哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社,20011A N e w Design Device Against Electric ShockB ased on MCUM EI Jian ,D EN G Zhi 2liang(Dept.of Electronics and Information ,East China Shipbuil

17、ding Institute ,Zhenjiang Jiangsu 212003,China Abstract :Introduces a new design device of hardware system and software system against electric shock based on a new kind of MCU.Hardware consists of control circuit based on PIC series MCU and power cir 2cuit based thyristors.And software is designed according to PID control