呂井勇，張亞輝，王三紅

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基于單片機(jī)的焊接參數(shù)記錄儀的設(shè)計

呂井勇1，張亞輝2，王三紅2

（1. 海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢430033；2. 91267部隊，福建寧德 352103）

傳統(tǒng)的焊機(jī)沒有電流電壓的實時采集存儲系統(tǒng)，焊后不能對焊接電流電壓進(jìn)行分析，以改進(jìn)焊接工藝參數(shù)，提高和保證焊接質(zhì)量。文章設(shè)計了一種采用單片機(jī)C8051F020為控制芯片，以觸摸屏為操作界面，用霍爾傳感器對焊接電流、電壓測量，并通過U盤文件管理控制芯片CH378進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲的焊接參數(shù)記錄儀。詳細(xì)介紹了記錄儀的電路結(jié)構(gòu)和工作原理。試驗結(jié)果表明，該記錄儀運(yùn)行穩(wěn)定，操作便捷，抗干擾能力強(qiáng)，對其它類似要求的設(shè)計有一定的參考價值。

C8051F020 觸摸屏 CH378 焊接參數(shù)記錄儀

0 引言

在焊接過程中，通過分析焊接電壓、焊接電流等電參數(shù)，可以研究與電參數(shù)直接有關(guān)的焊接工藝性能[1]。傳統(tǒng)的焊機(jī)沒有電流電壓的實時采集系統(tǒng)，即使能采集電流電壓。一般實時控制采樣的都是工控機(jī)之類系統(tǒng)，其體積大，成本高，不能滿足采集存儲系統(tǒng)小型化和低成本的要求[2]。焊接行業(yè)迫切需要一種體積小，成本低，可實現(xiàn)焊接參數(shù)采集、存儲、顯示功能的系統(tǒng)[3-4]。單片機(jī)在工業(yè)控領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，單片機(jī)與觸摸屏配合使用，可以實現(xiàn)良好的人機(jī)交互功能。通過觸摸屏界面可以直接觀察系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)的變化情況，可以通過操作觸摸屏界面對系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行修改。本文設(shè)計的控制系統(tǒng)通過C8051F020單片機(jī)控制CH378讀寫U盤，采集的電流電壓數(shù)據(jù)以文件方式存儲到U盤中，能有效提高傳輸數(shù)據(jù)的速度和穩(wěn)定性。特別適合于時間跨度長、傳輸速度高、數(shù)據(jù)量大的數(shù)據(jù)采集場合，方便和電腦等進(jìn)行數(shù)據(jù)的相互交換[5]，再通過上位機(jī)軟件進(jìn)行分析，從而判斷焊接質(zhì)量。

1 硬件設(shè)計

焊接參數(shù)記錄儀的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)以C8051F020單片機(jī)為控制核心，通過操作觸摸屏來控制采樣和存儲的過程。經(jīng)過霍爾電流傳感器和霍爾電壓傳感器轉(zhuǎn)換焊接電流和電壓，單片機(jī)對霍爾傳感器轉(zhuǎn)換后的電流電壓進(jìn)行AD采樣轉(zhuǎn)換，并把處理后得電流電壓和溫濕度數(shù)據(jù)經(jīng)USB芯片CH378寫入U盤存儲。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

該記錄儀集成了：（1）美國Cygnal公司的C8051F020單片機(jī)，其集成的混合信號片上系統(tǒng)，具有高速8051微控制器內(nèi)核與8051指令集完全兼容的微控制器，64K字節(jié)的FLASH，4 K + 256字節(jié)的片內(nèi)RAM ,12位的AD轉(zhuǎn)換精度，硬件實現(xiàn)的SPI，2個UART接口,5個通用16位定時器，除了具有標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字外設(shè)部件之外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其它數(shù)字外設(shè)功能部件[6]；（2）瑞士SENSIRION傳感器公司的高度集成的溫濕度傳感器SHT75，傳感器在同一芯片上集成了一個電容性聚合體測濕敏感元件、一個用能隙材料制成的測溫元件，該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；（3）武漢精量電子的電壓傳感器JLBV-13和電流傳感器JLK-23，產(chǎn)品具有精度高、頻響寬、線性好、高隔離、低漂移、低功耗的特點(diǎn)，均采用±12 V直流電壓供電，電壓傳感器輸入電壓DC0-100 V，輸出DC0-2.5 V，電流傳感器輸入電流DC0-1000 A，輸出DC0-2.5 V，輸出信號可直接送入F020的AD采樣端口；（4）觸摸屏采用廣東金鵬實業(yè)有限公司的OCM480272T470-1A，采用32位RSIC-MCU開發(fā)的64K色的TFT真彩顯示模塊，可以通過UART串行接口和單片機(jī)連接，用戶通過串口向終端發(fā)送命令，便可完成相應(yīng)的操作。內(nèi)置FLASH存儲器，可以存放58幅480*272像素的圖片，預(yù)置了中文字庫，可顯示漢字和ASCII碼。內(nèi)置了實時時鐘芯片，帶蜂鳴器報警；（5）CH378是由南京泌恒生產(chǎn)的文件管理芯片，是單片機(jī)系統(tǒng)讀寫SD卡或者U盤中文件的理想芯片。支持12Mbps全速和480Mbps高速USB通訊，提供最高50MHz的SPI主機(jī)接口，內(nèi)置FAT16和FAT32以及FAT12文件系統(tǒng)的管理固件，支持容量高達(dá)32GB的U盤和SD卡，提供文件管理功能，提供文件讀寫功能，提供磁盤管理功能；（6）系統(tǒng)電源采用憶捷PT90移動電源，高達(dá)16000mAH容量，可輸出12 V電壓，經(jīng)MORNSUN金升陽DC-DC模塊WRA1212CS-3W轉(zhuǎn)換成±12V電壓給電壓傳感器和電流傳感器供電，經(jīng)L7805轉(zhuǎn)換成5 V電壓給液晶屏和Ｕ盤供電，5 V電壓經(jīng)ASM117-3.3轉(zhuǎn)換成3.3 V，3.3 V電壓經(jīng)ASM117-1.8轉(zhuǎn)化成1.8 V電壓分別給單片機(jī)、CH378和SHT75供電，移動電源一次充電可保證系統(tǒng)連續(xù)工作10 h[7]。

圖2 CH378和單片機(jī)連接電路圖

1.1 CH378與單片機(jī)連接電路

CH378芯片有128腳封裝的CH378L和64腳封裝的CH378Q，本系統(tǒng)中采用的是128腳封裝的CH378L。其具有三種通訊接口方式：SPI接口、UART串口和8位并口，單片機(jī)等控制器件可選用前述任意一種接口方式與CH378芯片通信，在芯片上電復(fù)位時，CH378將采樣SEL和TXD引腳的狀態(tài)，根據(jù)這2個引腳狀態(tài)的組合選擇通訊接口，參考表1（表中X代表不關(guān)心此位，0代表低電平，1代表高電平或者懸空）。本系統(tǒng)采用的是SPI接口模式，此時53腳SEL懸空，113腳TXD接地。圖2為CH378與單片機(jī)和U盤電路連接圖。單片機(jī)通過通過查詢SDO引腳獲知中斷（上電或者復(fù)位后要先通過CMD_SET_SDO_INT命令設(shè)置SDO引腳在SCS片選無效時兼做中斷請求輸出），SDO為低電平時說明有中斷請求，這樣單片機(jī)不需要連接CH378芯片的INT#引腳，只需4個引腳就可完成U盤讀寫。

表1 CH378通訊端口配置

1.2 觸摸屏模塊與單片機(jī)連接電路

觸摸屏模塊通過UART串口和單片機(jī)實現(xiàn)通訊[8-9]，實現(xiàn)人機(jī)交互界面。配合配套的終端開發(fā)軟件OCM_TOUCH.EXE，在上位機(jī)完成界面的設(shè)計(包括每個頁面的控件編輯，觸摸事件發(fā)生定義回傳數(shù)據(jù)等），生成.optbin觸控工程文件下載至觸摸屏模塊，用戶只需在51單片機(jī)編寫少量代碼即可完成界面設(shè)計。支持多種通訊波特率，從1200 bps到115200 bps，支持TTL電平和RS232電平（通過跳線完成電平設(shè)置），本系統(tǒng)采用115200 bps，TTL電平不需經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換就可和單片機(jī)直接連接。電路如圖3所示。

圖3 觸摸屏和單片機(jī)連接電路圖

圖4 SHT75和單片機(jī)連接電路圖

1.3 SHT75與單片機(jī)連接電路

考慮到現(xiàn)場溫濕度對焊接電壓電流的影響，采集電壓電流數(shù)據(jù)前通過SHT75采集一次溫濕度數(shù)據(jù)[10]。SHT75溫濕度傳感器主要特點(diǎn)：（1）測量范圍：濕度0~100%RH，溫度-40~123.8℃；（2）測量精度：在25℃為±1.8%RH、±0.3℃；（3）電源電壓：2.4~5.5V；（4）測量分辨率分別為溫度0.01℃/Bit（14Bit）、濕度0.03%RH/Bit（12Bit）。SHT75通過兩線制數(shù)字接口與單片機(jī)相連，連接電路如圖4所示。

1.4 電壓電流傳感器與單片機(jī)連接電路

C8051F020單片機(jī)內(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)，包括一個9通道的可編程模擬多路選擇器 (AMUX0)，一個可編程增益放大器(PGA0)和一個100ksps、12位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC0，ADC0中集成了跟蹤保持電路和可編程窗口檢測器。AMUX0、PGA0、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式及窗口檢測器都可用軟件通過所示的特殊功能寄存器來控制。C8051F020單片機(jī)片內(nèi)集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其它數(shù)字外設(shè)及功能部件，提高了系統(tǒng)的可靠性。電壓傳感器輸出和電流傳感器輸出分別接至C8051F020的AIN0和AIN1通道，ADC0通過通道切換依次采集電壓和電流數(shù)據(jù)[11]。系統(tǒng)設(shè)定2 K/S的采樣頻率，實際對應(yīng)每個通道為設(shè)定值的一半1 K/S。A/D轉(zhuǎn)換有4種啟動方式：軟件命令、定時器2溢出、定時器3溢出和外部信號輸入。系統(tǒng)采用定時器3溢出自動轉(zhuǎn)換的方式。傳感器與單片機(jī)連接電路如圖5所示。

圖5 電壓電流傳感器與單片機(jī)連接電路

2 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計采用模塊化方法編程，程序編寫所采用的語言為用于單片機(jī)和微處理器系統(tǒng)軟件通常的C語言[12]。程序總體流程設(shè)計如圖6所示。系統(tǒng)整個工作情況如下：上電開機(jī)后系統(tǒng)完成初始化，然后檢測U盤是否連接，如果檢測到U盤，從U盤中配置文件PEIZHI.TXT文件中讀出焊縫和焊工信息，配置文件的初始化由上位機(jī)完成。讀出的焊縫和焊工信息列表顯示，由用戶從觸摸屏上選擇本次焊接對應(yīng)的焊縫和焊工。然后通過觸摸屏依次完成焊段、焊層、焊道的選擇。選擇完成后，在U盤中查找日志文件RIZHI.TXT（沒有則創(chuàng)建）并打開，將剛才選擇信息添加其中，啟動溫濕度采集子程序，將本次記錄對應(yīng)的溫濕度記錄下來，并添加一條對應(yīng)本次記錄所采集電壓電流數(shù)據(jù)的文件名（*.TXT，*為數(shù)字,由程序遍歷U盤文件完成，若已有5.TXT，則本次記錄數(shù)據(jù)的文件名為6.TXT)。顯示主界面，將前面所有選擇的關(guān)于本次記錄的數(shù)據(jù)顯示出來，用戶按“開始采集”按鈕，打開數(shù)據(jù)記錄文件，將當(dāng)前時間寫入文件中，啟動定時器3自動完成電壓電流的采集，采集512點(diǎn)暫停采集（程序使用F020外部4KRAM存儲采樣電壓電流數(shù)據(jù)，電壓電流都是12位，每個點(diǎn)占4個字節(jié)，電壓電流各2個字節(jié)，512點(diǎn)占用2KRAM，為節(jié)約存儲空間沒有將采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成實際電壓電流浮點(diǎn)數(shù)數(shù)據(jù)，由上位機(jī)完成轉(zhuǎn)換），將數(shù)據(jù)寫入U盤，重新啟動采集，直到用戶按“停止采集”按鈕，將當(dāng)前時間寫入文件中，關(guān)閉數(shù)據(jù)記錄文件。

3 測試結(jié)果

利用本文所述的焊接參數(shù)記錄儀在武昌造船廠進(jìn)行焊接實驗，將測得的焊接電壓電流數(shù)據(jù)通過上位機(jī)顯示出電壓電流波形。圖7是手工焊電壓電流波形，圖8是脈沖焊電壓電流波形。

圖7 手工焊電壓電流波形

圖8 脈沖焊電壓電流波形

4 結(jié)論

在焊接參數(shù)記錄儀系統(tǒng)中采用了功能強(qiáng)大的C8051F020單片機(jī)作控制器，使得系統(tǒng)硬件設(shè)計變得非常簡潔，大大減少了各部分電路之間的連線，提高了系統(tǒng)的工作可靠性和可擴(kuò)展性，降低了成本；采用觸摸屏模塊，方便用戶操作，選擇設(shè)置各種信息，直觀地了解系統(tǒng)的運(yùn)行情況，具有較好的人機(jī)交互性。實際運(yùn)行證明它工作可靠、操作方便、使用靈活。系統(tǒng)稍作修改可用于其他各種信號的采集記錄。

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A Design of the Welding Parameters Recorder Based on MCU

Lyu Jingyong1, Zhang Yahui2,Wang Sanhong2

（1. College of Electric Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. Unit 91267, Ningde 352103, Fujian, China)

TP273

A

1003-4862（2015）02-0021-05

2014-05-08

呂井勇（1978-)，男，講師，工學(xué)碩士。研究方向：電工理論技術(shù)及運(yùn)用。