基于PIC16F883单片机的弧焊过程电弧参数监测系统

张宇飞，郑敏信，张　伟，王　曲，齐铂金

（北京航空航天大学机械工程与自动化学院，北京100191）

基于PIC16F883单片机的弧焊过程电弧参数监测系统

张宇飞，郑敏信，张伟，王曲，齐铂金

（北京航空航天大学机械工程与自动化学院，北京100191）

研发了一套应用于弧焊过程的电弧参数监测系统。该系统选用霍尔电压传感器和霍尔电流传感器分别采集电弧电压和焊接电流；设计电弧电压和焊接电流的信号调理电路以及以单片机（PIC16F883）为核心的数据采集电路；经串行发送串口RS-232向上位机发送数据。此外，为了避免TIG焊机引弧时高频高压对数据采集电路的影响，通过接触器触点的通断实现物理隔离，进而保护电弧参数监测系统。试验表明，系统的实时性较好，抗干扰能力强，可满足实际焊接生产中长时间、不间断地实时采集与监测焊接电弧参数的需要。

TIG焊；信号调理；过程监测；数据采集

0　前言

弧焊广泛应用于生产制造中，焊接工艺参数包括焊接电流、电弧电压、焊接速度、气体流量等，选择合适的工艺参数作为传感信号是焊接过程监测系统的重点和难点。焊接生产过程中的焊接电流、电弧电压信号包含了焊接过程中最基本的信息，同时信号的采集相对容易，不受焊接过程中的声、光、尘等的干扰，是焊接过程质量信息的重要来源[1]。对电弧电压、焊接电流的监测可以获得焊接过程的焊缝成形及焊接质量信息，因此，传感、采集与监测弧焊过程中电弧参数具有十分重要的意义[2]。

本研究基于PIC16F883单片机，运用其A/D转化模块和增强型通用同步/异步收发器（EUSART），设计了一套可以用于对引弧时的高频高压自动屏蔽的电弧参数采集方案，实现了对焊接电流、电弧电压的实时监测。

1　监测系统总体设计

弧焊过程电弧参数监测系统结构框图如图1所示，主要由霍尔电压电流传感器、信号调理电路、以PIC16F883单片机为核心的数据采集电路、系统保护电路和上位机组成。上位机界面以LabVIEW2012软件编写，可以实现焊接电流、电弧电压波形的实时显示以及数据的实时存储。

图1　监测系统总体结构框图Fig.1Overall structure of the monitoring system

系统基于YC-315TX松下逆变控制交直流钨极氩弧焊机，通过霍尔电流传感器采集焊接电流、霍尔电压传感器采集电弧电压，经过信号调理电路滤波、放大处理后，进入基于PIC16F883的信号采集电路，通过AD采样模块将信号模拟量转换为数字量，并通过RS232串口发送至PC机，PC机基于LABVIEW设计专门的数据显示及存储程序，实现焊接电流、电弧电压的实时显示与存储。引弧时，系统保护电路自动断开电弧电压与监测系统的连接，待电弧稳定后，电弧电压与监测系统自动连接，实现参数监测。

2　YC-315TX逆变焊机原理

松下YC-315TX焊机是IGBT逆变的直流TIG弧焊机，输出电流315 A，可焊接材料如不锈钢、低碳钢、高强钢及Cr-Mo钢、铜，钛及合金等。电流、电压数字化显示，预置参数准确方便，可实现直流TIG、直流脉冲TIG焊、直流焊条电弧焊三种功能，用途广泛。脉冲电流、基值电流、脉冲频率、脉冲宽度可无级调节，适合各种规范条件下的焊接。焊接外特性是下降特性，采用输出电流反馈，输出电流通过霍尔传感器取样后，送入PWM控制芯片SG3525，进行PWM控制，电压反馈采用电阻分压取样，有单独电路进行处理后变成开关量，通过光耦隔离后，送给主控部分的电路。逆变器采用桥式结构，逆变器件选用IGBT，IGBT采用集成驱动器EXB841来驱动，工作原理框图如图2所示。

图2　YC-315TX工作原理框图Fig.2Priciple block-diagram of YC-315TX

主电路采用桥式结构，为典型的硬开关工作方式，主电路如图3所示。逆变电路采用四个IGBT组成全桥逆变器，硬开关PWM工作方式。IGBT的吸收电路采用峰值电压箝位式。逆变器的输出经过隔直电容后和高频变压器相连，经过降压整流后输出给焊接用[3]。

3　硬件电路设计

硬件电路的主要功能包括焊接电流、电弧电压信号的采集、处理和发送，以及实现对监测系统的保护。因此，硬件电路主要包括传感器、信号调理电路、PIC单片机及外围电路、焊接电流检测保护电路及线性电源供电电路。

3.1单片机及外围电路

信号采集电路以PIC16F883单片机作为处理芯片，晶振16 MHz，其外围电路主要包括晶振电路、上电复位电路和程序下载接口电路等。

PIC16F883内部集成的模数转换器（ADC）可以将模拟输入信号转换为表示该信号的10位二进制数，实现对焊接电流和电弧电压的采集，同时利用增强型通用同步/异步收发器（EUSART）通过RS232串口实现数据的传输。

在血管纤溶系统溶栓的过程中，最重要的步骤是纤溶酶将高分子纤维蛋白裂解成可溶性的低分子质量产物。正常生理状态下，纤溶酶在循环血液中含量极低，但在纤溶酶原被纤溶酶原激活剂活化后可于局部形成大量纤溶酶。tPA是血管纤溶系统中最重要的纤溶酶原激活剂。如图1所示，tPA在正常血液循环中对纤溶酶原的激活作用微弱，溶栓过程中，tPA结合到血栓后其活性大增，可在血栓表面高效率地将纤溶酶原的Arg561-Val562肽键水解，使纤溶酶原激活变为纤溶酶［4，16-17］。

3.2信号采样调理电路

鉴于霍尔元件的隔离性能、抗干扰性能比较好，传感器采用CHV-25P型霍尔电压传感器对电弧电压采样和CHB-300SF型霍尔电流传感器对焊接电流采样，如图4所示。

CHV-25P型霍尔电压传感器性能参数：输出电流25 mA对应变压器一次电流10 mA，现变压器一次侧电阻R1=8.2 kΩ，变压器二次侧电压采样电阻R3=200 Ω，所以变压器一次电压82 V对应输出电压为

图3　YC-315TX主电路原理Fig.3Main circuit principle diagram of YC-315TX

图4　传感器电路Fig.4Circuit of the sensor

CHB-300SF型霍尔电流传感器性能参数：输出电流150 mA对应变压器一次电流300 A，现电流采样电阻R2=50 Ω，所以变压器一次电流200 A对应输出电压为

信号调理电路是由一级差分比例运算电路和一级电压跟随电路组成，如图5所示，Uf与地信号相减，同时对信号进行滤波，使采样信号更加稳定。

图5　信号滤波放大电路Fig.5Signal filter amplifier circuit

3.3保护电路

TIG焊在引弧的瞬间会产生高频电压，如果将电弧电压直接接入参数监测系统，引弧时会损坏电压传感器，甚至是采集电路。霍尔电流传感器、比较器、电磁继电器和接触器组成的保护电路如图6所示。

图6　保护电路示意Fig.6Protection circuit diagram

保护电路工作原理：引弧瞬间，工件和焊枪之间没有形成闭合回路，回路在此时没有电流。所以比较器LM293的输出为0，继电器的线圈没有通电，K仍然处于常开状态，电弧电压和霍尔电压传感器断开。此时尽管有高频高压，但是电弧电压信号不能输入到电弧参数监测系统中，可以实现对设备的保护作用。当引弧成功后，工件和焊枪之间形成闭合回路，回路中的电流经霍尔电流传感器进入比较器，LM293的输出为1，输出电流经三极管放大后带动继电器线圈，K闭合，电弧电压和霍尔电压传感器接通，电弧监测系统正常工作。

4　单片机程序设计

利用PIC16F883单片机的A/D转换功能模块，实现电弧电压、焊接电流信号的模数转换；通过与RB0脚相连接的绿灯闪烁实现对程序运行正常的指示（定时器TMR0模块）；通过单片机异步串行收发器EUSART向PC机发送数据。通信协议：采用10位的帧格式，传送8位数据（左对齐），一位起始位和停止位，不带奇偶校验位[5]。同时采用常数F0h作为起始标志，接一个电压值和一个电流值的形式向PC机发送。波特率设置为9 600 bps，异步串行通信模式。主程序流程如图7所示，程序包括主程序和延时子程序两部分，主程序主要包括单片机初始化和参数数据采集和发送。通过Microchip单片机开发应用程序的集成环境MPLAB IDE实现程序的调试，借助串口调试工具确认数据收发的正确性。

图7　主程序流程框图Fig.7Sequence chart of main program

5　实验结果

电弧参数监测系统组装完成后，经过调试，可以应用于焊接试验中焊接电流和电弧电压的监测。针对调试过程中高频高压引弧对RS-232通信传输和霍尔电压传感器的干扰问题，专门设计了保护电路，信号线也采去双绞线缠绕磁环，可以使各个小环路的电磁感应干扰相抵消，对电磁场干扰有一定的抑制效果。

实验条件：采用不送丝的TIG焊，焊机为YC-315TX松下逆变控制交直流钨极氩弧焊机，焊接材料为不锈钢304板，板厚1.78 mm，板长200 mm，板宽100 mm，焊接电流70 A，焊接速度300 mm/min，弧长5 mm，钨极直径2 mm，气体保护气流量10 L/min。焊接过程中监测界面如图8所示；监测的焊接电流和电弧电压数据分别如表1所示。焊接过程平稳，电弧参数波动很小。

经焊机上电流表显示以及通过外接电压表测量，监测系统采集到的焊接电流和电弧电压都比较准确，具有参考价值。通过分析监测数据可知，直流TIG焊接过程中的焊接电流和电弧电压参数十分稳定，焊缝成形美观，焊接质量良好。

6　结论

研发了一套弧焊电弧参数的监测系统，并应用该系统监测TIG焊接过程。系统选用霍尔电压传感器采集电弧电压以及霍尔电流传感器采集焊接电流；电弧信号经过调理电路和以单片机（PIC16F883）为核心的数据采集电路经串行发送串口RS-232发送至上位机。

图8　电弧参数监测系统上位机界面Fig.8Interface of host computer

表1　焊接电流、电压数据Tab.1Data of welding current and arc voltage

设计的系统防护电路能够有效保护电弧参数监测装置、PC机和引弧装置，可以有效避免因焊机起弧瞬间产生的高频高压对设备的损害。

该电弧参数监测系统实时性良好，运行可靠稳定，在实际焊接生产中可以长时间、不间断地实时监测和记录焊接电弧参数。

[1]蒋晶．基于LABVIEW的焊接质量在线检测分析系统[D]．武汉：武汉理工大学，2010．

[2]刘志福．埋弧焊过程参数自动记录和监测系统的研究[D]．武汉：华中科技大学，2002．

[3]张光先．逆变焊机原理与设计[M]．北京：机械工业出版社，2008．

[4]展桂荣．TIG焊电弧参数数据采集器防护设计[J].电焊机，2011，41（9）：89-91．

[5]李学海．PIC单片机实用教程一基础篇[M]．北京航空航天大学出版社，2002．

Monitoring system of TIG welding arc parameters based on PIC16F883 microcontroller

ZHANG Yufei，ZHENG Minxing，ZHANG Wei，WANG Qu，QI Bojin
（School of Mechanical Engineering&Automation，Beihang University，Beijing 100191，China）

In this project,monitoring system of arc welding arc parameters is introduced.The system is composed of current Hall sensor to collect welding current，voltage Hall sensor to collect voltage，signal conditioning circuit，PIC16F883 and peripheral circuit，RS-232 to transmit the data to PC.In order to avoid the damage to data acquisition board by high-frequency TIG welding arc，physical isolation is realized by the contactor which connects the voltage signal and the system.Tests show that the system has good device real-time capability and is able to make acquisition circuit to avoid high frequency high voltage arc interference，the system can fully satisfy the need for continuously monitoring the weld signature(current and voltage)of the welding process on line.

tungsten inert gas welding；signal disposal；process monitor；data acquisition

TG434

A

1001－2303（2016）05－0046-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.05.10

2016-02-12；

2016-02-20

张宇飞（1990—），男，山西大同人，硕士，主要从事新型焊接电源技术及应用方面的研究工作。