基于单片机的焊接参数记录仪的设计

2015-10-14吕井勇张亚辉王三红

船电技术 2015年2期

吕井勇，张亚辉，王三红

基于单片机的焊接参数记录仪的设计

吕井勇1，张亚辉2，王三红2

（1. 海军工程大学电气工程学院，武汉430033；2. 91267部队，福建宁德 352103）

传统的焊机没有电流电压的实时采集存储系统，焊后不能对焊接电流电压进行分析，以改进焊接工艺参数，提高和保证焊接质量。文章设计了一种采用单片机C8051F020为控制芯片，以触摸屏为操作界面，用霍尔传感器对焊接电流、电压测量，并通过U盘文件管理控制芯片CH378进行数据存储的焊接参数记录仪。详细介绍了记录仪的电路结构和工作原理。试验结果表明，该记录仪运行稳定，操作便捷，抗干扰能力强，对其它类似要求的设计有一定的参考价值。

C8051F020 触摸屏 CH378 焊接参数记录仪

0 引言

在焊接过程中，通过分析焊接电压、焊接电流等电参数，可以研究与电参数直接有关的焊接工艺性能[1]。传统的焊机没有电流电压的实时采集系统，即使能采集电流电压。一般实时控制采样的都是工控机之类系统，其体积大，成本高，不能满足采集存储系统小型化和低成本的要求[2]。焊接行业迫切需要一种体积小，成本低，可实现焊接参数采集、存储、显示功能的系统[3-4]。单片机在工业控领域中应用广泛，单片机与触摸屏配合使用，可以实现良好的人机交互功能。通过触摸屏界面可以直接观察系统的运行状态和运行参数的变化情况，可以通过操作触摸屏界面对系统运行参数进行修改。本文设计的控制系统通过C8051F020单片机控制CH378读写U盘，采集的电流电压数据以文件方式存储到U盘中，能有效提高传输数据的速度和稳定性。特别适合于时间跨度长、传输速度高、数据量大的数据采集场合，方便和电脑等进行数据的相互交换[5]，再通过上位机软件进行分析，从而判断焊接质量。

1 硬件设计

焊接参数记录仪的总体结构如图1所示，系统以C8051F020单片机为控制核心，通过操作触摸屏来控制采样和存储的过程。经过霍尔电流传感器和霍尔电压传感器转换焊接电流和电压，单片机对霍尔传感器转换后的电流电压进行AD采样转换，并把处理后得电流电压和温湿度数据经USB芯片CH378写入U盘存储。

图1 系统结构框图

该记录仪集成了：（1）美国Cygnal公司的C8051F020单片机，其集成的混合信号片上系统，具有高速8051微控制器内核与8051指令集完全兼容的微控制器，64K字节的FLASH，4 K + 256字节的片内RAM ,12位的AD转换精度，硬件实现的SPI，2个UART接口,5个通用16位定时器，除了具有标准的数字外设部件之外，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其它数字外设功能部件[6]；（2）瑞士SENSIRION传感器公司的高度集成的温湿度传感器SHT75，传感器在同一芯片上集成了一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件，该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强等优点；（3）武汉精量电子的电压传感器JLBV-13和电流传感器JLK-23，产品具有精度高、频响宽、线性好、高隔离、低漂移、低功耗的特点，均采用±12 V直流电压供电，电压传感器输入电压DC0-100 V，输出DC0-2.5 V，电流传感器输入电流DC0-1000 A，输出DC0-2.5 V，输出信号可直接送入F020的AD采样端口；（4）触摸屏采用广东金鹏实业有限公司的OCM480272T470-1A，采用32位RSIC-MCU开发的64K色的TFT真彩显示模块，可以通过UART串行接口和单片机连接，用户通过串口向终端发送命令，便可完成相应的操作。内置FLASH存储器，可以存放58幅480*272像素的图片，预置了中文字库，可显示汉字和ASCII码。内置了实时时钟芯片，带蜂鸣器报警；（5）CH378是由南京泌恒生产的文件管理芯片，是单片机系统读写SD卡或者U盘中文件的理想芯片。支持12Mbps全速和480Mbps高速USB通讯，提供最高50MHz的SPI主机接口，内置FAT16和FAT32以及FAT12文件系统的管理固件，支持容量高达32GB的U盘和SD卡，提供文件管理功能，提供文件读写功能，提供磁盘管理功能；（6）系统电源采用忆捷PT90移动电源，高达16000mAH容量，可输出12 V电压，经MORNSUN金升阳DC-DC模块WRA1212CS-3W转换成±12V电压给电压传感器和电流传感器供电，经L7805转换成5 V电压给液晶屏和Ｕ盘供电，5 V电压经ASM117-3.3转换成3.3 V，3.3 V电压经ASM117-1.8转化成1.8 V电压分别给单片机、CH378和SHT75供电，移动电源一次充电可保证系统连续工作10 h[7]。

图2 CH378和单片机连接电路图

1.1 CH378与单片机连接电路

CH378芯片有128脚封装的CH378L和64脚封装的CH378Q，本系统中采用的是128脚封装的CH378L。其具有三种通讯接口方式：SPI接口、UART串口和8位并口，单片机等控制器件可选用前述任意一种接口方式与CH378芯片通信，在芯片上电复位时，CH378将采样SEL和TXD引脚的状态，根据这2个引脚状态的组合选择通讯接口，参考表1（表中X代表不关心此位，0代表低电平，1代表高电平或者悬空）。本系统采用的是SPI接口模式，此时53脚SEL悬空，113脚TXD接地。图2为CH378与单片机和U盘电路连接图。单片机通过通过查询SDO引脚获知中断（上电或者复位后要先通过CMD_SET_SDO_INT命令设置SDO引脚在SCS片选无效时兼做中断请求输出），SDO为低电平时说明有中断请求，这样单片机不需要连接CH378芯片的INT#引脚，只需4个引脚就可完成U盘读写。

表1 CH378通讯端口配置

1.2 触摸屏模块与单片机连接电路

触摸屏模块通过UART串口和单片机实现通讯[8-9]，实现人机交互界面。配合配套的终端开发软件OCM_TOUCH.EXE，在上位机完成界面的设计(包括每个页面的控件编辑，触摸事件发生定义回传数据等），生成.optbin触控工程文件下载至触摸屏模块，用户只需在51单片机编写少量代码即可完成界面设计。支持多种通讯波特率，从1200 bps到115200 bps，支持TTL电平和RS232电平（通过跳线完成电平设置），本系统采用115200 bps，TTL电平不需经过电平转换就可和单片机直接连接。电路如图3所示。

图3 触摸屏和单片机连接电路图

图4 SHT75和单片机连接电路图

1.3 SHT75与单片机连接电路

考虑到现场温湿度对焊接电压电流的影响，采集电压电流数据前通过SHT75采集一次温湿度数据[10]。SHT75温湿度传感器主要特点：（1）测量范围：湿度0~100%RH，温度-40~123.8℃；（2）测量精度：在25℃为±1.8%RH、±0.3℃；（3）电源电压：2.4~5.5V；（4）测量分辨率分别为温度0.01℃/Bit（14Bit）、湿度0.03%RH/Bit（12Bit）。SHT75通过两线制数字接口与单片机相连，连接电路如图4所示。

1.4 电压电流传感器与单片机连接电路

C8051F020单片机内部集成了A/D转换子系统，包括一个9通道的可编程模拟多路选择器 (AMUX0)，一个可编程增益放大器(PGA0)和一个100ksps、12位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC0，ADC0中集成了跟踪保持电路和可编程窗口检测器。AMUX0、PGA0、数据转换方式及窗口检测器都可用软件通过所示的特殊功能寄存器来控制。C8051F020单片机片内集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其它数字外设及功能部件，提高了系统的可靠性。电压传感器输出和电流传感器输出分别接至C8051F020的AIN0和AIN1通道，ADC0通过通道切换依次采集电压和电流数据[11]。系统设定2 K/S的采样频率，实际对应每个通道为设定值的一半1 K/S。A/D转换有4种启动方式：软件命令、定时器2溢出、定时器3溢出和外部信号输入。系统采用定时器3溢出自动转换的方式。传感器与单片机连接电路如图5所示。

图5 电压电流传感器与单片机连接电路

2 软件设计

软件设计采用模块化方法编程，程序编写所采用的语言为用于单片机和微处理器系统软件通常的C语言[12]。程序总体流程设计如图6所示。系统整个工作情况如下：上电开机后系统完成初始化，然后检测U盘是否连接，如果检测到U盘，从U盘中配置文件PEIZHI.TXT文件中读出焊缝和焊工信息，配置文件的初始化由上位机完成。读出的焊缝和焊工信息列表显示，由用户从触摸屏上选择本次焊接对应的焊缝和焊工。然后通过触摸屏依次完成焊段、焊层、焊道的选择。选择完成后，在U盘中查找日志文件RIZHI.TXT（没有则创建）并打开，将刚才选择信息添加其中，启动温湿度采集子程序，将本次记录对应的温湿度记录下来，并添加一条对应本次记录所采集电压电流数据的文件名（*.TXT，*为数字,由程序遍历U盘文件完成，若已有5.TXT，则本次记录数据的文件名为6.TXT)。显示主界面，将前面所有选择的关于本次记录的数据显示出来，用户按“开始采集”按钮，打开数据记录文件，将当前时间写入文件中，启动定时器3自动完成电压电流的采集，采集512点暂停采集（程序使用F020外部4KRAM存储采样电压电流数据，电压电流都是12位，每个点占4个字节，电压电流各2个字节，512点占用2KRAM，为节约存储空间没有将采样数据转换成实际电压电流浮点数数据，由上位机完成转换），将数据写入U盘，重新启动采集，直到用户按“停止采集”按钮，将当前时间写入文件中，关闭数据记录文件。

3 测试结果

利用本文所述的焊接参数记录仪在武昌造船厂进行焊接实验，将测得的焊接电压电流数据通过上位机显示出电压电流波形。图7是手工焊电压电流波形，图8是脉冲焊电压电流波形。

图7 手工焊电压电流波形

图8 脉冲焊电压电流波形

4 结论

在焊接参数记录仪系统中采用了功能强大的C8051F020单片机作控制器，使得系统硬件设计变得非常简洁，大大减少了各部分电路之间的连线，提高了系统的工作可靠性和可扩展性，降低了成本；采用触摸屏模块，方便用户操作，选择设置各种信息，直观地了解系统的运行情况，具有较好的人机交互性。实际运行证明它工作可靠、操作方便、使用灵活。系统稍作修改可用于其他各种信号的采集记录。

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