張 軍 張晨旭 劉莫塵

1.山東農業(yè)大學機電學院 山東泰安 271018

2.山東科技大學信電學院 山東青島 266590

教學儀器設備改造與設計是長期的多方有利的工作，主要介紹以下幾方面：主控電路達到最簡，主控器件使用單片機最小系統(tǒng)，簡化了外圍電路的設計，使主控系統(tǒng)達到最優(yōu)。

1 系統(tǒng)簡述

1.1 NBC系列抽頭式焊機簡述

圖1 NBC-250/350結構簡圖

由NBC-250/350結構框圖(如圖1所示)可見，該系列氣體保護焊機主電路由三相動力電經交流接觸器接通后，由三相主變壓器降壓后，再經三相全橋整流，濾波電路濾波后，提供焊接電源。而控制電路板要控制交流接觸器、送絲裝置，使整機系統(tǒng)協調工作。

本文圍繞此控制板進行分析、設計、改進。

1.2 改進前的焊機控制板簡述

原控制板主要由電源電路、PWM產生電路、邏輯判斷電路、功率驅動電路、交流控制電路等組成。

電源電路為常見的三端穩(wěn)壓電路，24 VAC電源，經整流、濾波后，經7812穩(wěn)壓、濾波后，形成穩(wěn)定的直流電源，給主要控制部分提供持續(xù)可靠的電源。

控制板驅動直流電機欠穩(wěn)定，造成吐絲不勻、絲紅熱等現象。硬件復雜，故障率較高?？刂瓢宄杀据^高。軟件升級困難。鑒于控制板的以上不足，決定調整其結構。

1.3 改進、設計、調整后的方案概述

調整后的控制板，主要由電源電路、主控器件、驅動電路、開關控制電路等組成。

電源電路與原控制板方案相似，都是采用78系列三端穩(wěn)壓形成直流電源，主控器件采用AVR芯片—ATtiny26，ATtiny26是基于增強AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器。數據吞吐率高達 1MIPS/MHz，從而解決了系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。具有一整套的編程與系統(tǒng)開發(fā)工具，包括：宏匯編、程序調試器/軟件仿真器、仿真器及評估板。

驅動電路選用的場效管，具體型號為IRFP250，IRFP9140，正常工作情況下，IRFP250接受主控芯片ATtiny26送來的PWM信號而決定自身的通斷，IRFP250飽和導通時直流電機吸收能量加速，IRFP250截止時直流電機釋放能量減速。當焊機停止送絲時，IRFP250截止，而IRFP9140導通，以短路直流焊機，起到剎車作用。IRFP9140的驅動信號由主控芯片ATtiny26經內部運算給出。

開關控制電路采用交流固態(tài)繼電器代替原系統(tǒng)電磁繼電器，使其工作更穩(wěn)定、壽命更長。

1.4 方案比較及確定(見表1)

由表1可見，調整后方案所用的硬件數量要比原系統(tǒng)少很多，這就大大簡化了控制板的硬件電路，降低了成本，而且實現了硬件的可再升級功能。

表1 兩方案硬件比較

驅動控制部分，改進、調整前采用達林頓對管，這樣造成其需要的驅動信號大，給邏輯判斷電路帶來不必要的負載，抗干擾能力也差。驅動部分由達林頓管改為IFR系列開關場效管，驅動電路直接與單片機接口，進一步簡化了硬件電路。

把改進、調整前復雜的邏輯判斷電路功能交給主控芯片ATtiny26完成，其內含11路單通道AD、兩路高速PWM、2K的Flash存儲器等資源，可以完成系統(tǒng)所需的功能。

開關部分采用固態(tài)繼電器，可與單片機直接接口，最大優(yōu)點就是沒有機械觸點、壽命長、可靠性高、響應快?？梢越鉀Q此部分故障率高的缺陷。

綜合改進、調整前控制板，分析及實驗可得出調整、設計后方案有以下優(yōu)點：

(1)硬件電路簡單，開發(fā)成本低；

(2)維護、維修方便，可利用軟件升級產品；

(3)器件可靠性提高，各部分故障率降低；

基于以上優(yōu)點，最終確定了改進、設計后控制板方案。

2 硬件電路設計部分

系統(tǒng)的組成如圖2所示：

2.1 主控芯片、交流開關驅動器件的選取及介紹

ATtiny26有一個片內的10位AD轉換器，可以實現7路AD輸入，片內有一個PLL可以產生64 MHz的高頻PWM時鐘頻率，有ISP口支持在線編程，是精簡指令集處理器，選定ATtiny26作為主控器件。

原系統(tǒng)采用的普通電磁繼電器故障率高，選用交流固態(tài)繼電器控制。

設計中此部分控制器件要用單片機控制，固態(tài)繼電器可以用單片機直接控制，輸入、輸出隔離，抗干擾能力較強。最終選定交流固態(tài)繼電器GTJ11-1，參數見表2。

2.2 電機驅動器件的選取及設計

原系統(tǒng)采用達林頓對管組成直流電機驅動電路，而本設計的選型為IRF系列大功率場效應管。

根據開關管數據手冊，選擇了IRFP250，IRFP9140。其中IRFP250為N溝道場效應管，IRFP9140為P溝道場效應管，由輸出特性曲線可知，此兩種型號的場效應管以作開關為主要用途，開關特性非常好，自身功耗較低，最大的優(yōu)點是可以直接與單片機接口，驅動速度快，信號穩(wěn)定，可以與主控芯片協調工作。

其中焊機附帶的直流電機的參數為65 W，24 VDC，通過比對得到結論，該選型符合要求，選型合理。

2.3 電源電路的設計

設計中采用的電源穩(wěn)壓電路為常見電源電路，采用常見的7805三端集成穩(wěn)壓電路，外加較少的外圍器件，用合成的全橋整流器，經其整流后，電容濾波，送入7805輸入端，再經電容濾波，最終輸出穩(wěn)定的5 V直流電源。

2.4 控制板總體布局設計

本設計布局原則為“強弱隔離，減少干擾”。盡量減少信號之間的干擾，減少電路板上打孔的數目，使制作成形的電路板布局合理，外觀簡單，原控制板的PCB面積為192 cm2，調整后PCB面積為110 cm2，減小了82 cm2，大大降低了設計成本。

3 軟件部分

本設計采用結構化程序設計，這種程序便于編寫、閱讀、修改和維護，減小了程序出錯的幾率，提高了程序的可讀性，保證了程序的質量。實施方法為：自頂向下；逐步細化；模塊化設計；結構化編程。程序流程圖如圖3所示。

圖3 程序流程

4 實驗部分結果及分析

調整前控制板理論頻率為1 kHz，實驗結果是低速、高速時頻率較穩(wěn)定，但中速波動較大，頻率跳躍到10 kHz左右。

調整后控制板頻率穩(wěn)定在20 kHz，誤差較小。

由實驗結果得出：調整后的控制板驅動電機性能較好(如圖4a和圖4b所示)。

圖4

5 結束語

主要介紹了教學儀器改進與設計，包括硬件、軟件以及重要的布局處理。

在硬件方面，充分考慮各方面因素，選型時將安全系數適當提高，保證硬件的可靠持續(xù)運行，在程序方面，采用結構化程序設計，自頂向下，逐步細化，模塊化設計，結構化編程。這樣的程序便于編寫、閱讀、修改和維護。減少了程序出錯的幾率，提高了程序的可讀性，保證了程序的質量。教學儀器設備的改進使教學實驗設備各項性能得到了較大的提升，應用于實驗教學中，提升了實驗教學水平和教學質量，效果良好。

[1]梁合慶.增強核閃存80C51教程[M].北京:電子工業(yè)出版社,2003.

[2]邵貝貝.單片機嵌入式應用的在線開發(fā)方法[M].北京:清華大學出版社,2004.

[3]王明順.基于LM2576的高可靠MCU電源設計[J].國外電子元器件,2004(11):33-45.

[4]周斌,蔣荻南,黃開勝.基于虛擬儀器技術的智能車仿真系統(tǒng)[J].電子產品世界,2006(3):132-135.