基于單片機的焊接參數記錄儀的設計

呂井勇，張亞輝，王三紅

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基于單片機的焊接參數記錄儀的設計

呂井勇1，張亞輝2，王三紅2

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

傳統的焊機沒有電流電壓的實時采集存儲系統，焊后不能對焊接電流電壓進行分析，以改進焊接工藝參數，提高和保證焊接質量。文章設計了一種采用單片機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進行數據存儲的焊接參數記錄儀。詳細介紹了記錄儀的電路結構和工作原理。試驗結果表明，該記錄儀運行穩定，操作便捷，抗干擾能力強，對其它類似要求的設計有一定的參考價值。

C8051F020 觸摸屏 CH378 焊接參數記錄儀

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，可以研究與電參數直接有關的焊接工藝性能[1]。傳統的焊機沒有電流電壓的實時采集系統，即使能采集電流電壓。一般實時控制采樣的都是工控機之類系統，其體積大，成本高，不能滿足采集存儲系統小型化和低成本的要求[2]。焊接行業迫切需要一種體積小，成本低，可實現焊接參數采集、存儲、顯示功能的系統[3-4]。單片機在工業控領域中應用廣泛，單片機與觸摸屏配合使用，可以實現良好的人機交互功能。通過觸摸屏界面可以直接觀察系統的運行狀態和運行參數的變化情況，可以通過操作觸摸屏界面對系統運行參數進行修改。本文設計的控制系統通過C8051F020單片機控制CH378讀寫U盤，采集的電流電壓數據以文件方式存儲到U盤中，能有效提高傳輸數據的速度和穩定性。特別適合于時間跨度長、傳輸速度高、數據量大的數據采集場合，方便和電腦等進行數據的相互交換[5]，再通過上位機軟件進行分析，從而判斷焊接質量。

1 硬件設計

焊接參數記錄儀的總體結構如圖1所示，系統以C8051F020單片機為控制核心，通過操作觸摸屏來控制采樣和存儲的過程。經過霍爾電流傳感器和霍爾電壓傳感器轉換焊接電流和電壓，單片機對霍爾傳感器轉換后的電流電壓進行AD采樣轉換，并把處理后得電流電壓和溫濕度數據經USB芯片CH378寫入U盤存儲。

圖1 系統結構框圖

該記錄儀集成了：（1）美國Cygnal公司的C8051F020單片機，其集成的混合信號片上系統，具有高速8051微控制器內核與8051指令集完全兼容的微控制器，64K字節的FLASH，4 K + 256字節的片內RAM ,12位的AD轉換精度，硬件實現的SPI，2個UART接口,5個通用16位定時器，除了具有標準的數字外設部件之外，片內還集成了數據采集和控制系統中常用的模擬部件和其它數字外設功能部件[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，該產品具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強等優點；（3）武漢精量電子的電壓傳感器JLBV-13和電流傳感器JLK-23，產品具有精度高、頻響寬、線性好、高隔離、低漂移、低功耗的特點，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有限公司的OCM480272T470-1A，采用32位RSIC-MCU開發的64K色的TFT真彩顯示模塊，可以通過UART串行接口和單片機連接，用戶通過串口向終端發送命令，便可完成相應的操作。內置FLASH存儲器，可以存放58幅480*272像素的圖片，預置了中文字庫，可顯示漢字和ASCII碼。內置了實時時鐘芯片，帶蜂鳴器報警；（5）CH378是由南京泌恒生產的文件管理芯片，是單片機系統讀寫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主機接口，內置FAT16和FAT32以及FAT12文件系統的管理固件，支持容量高達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）系統電源采用憶捷PT90移動電源，高達16000mAH容量，可輸出12 V電壓，經MORNSUN金升陽DC-DC模塊WRA1212CS-3W轉換成±12V電壓給電壓傳感器和電流傳感器供電，經L7805轉換成5 V電壓給液晶屏和Ｕ盤供電，5 V電壓經ASM117-3.3轉換成3.3 V，3.3 V電壓經ASM117-1.8轉化成1.8 V電壓分別給單片機、CH378和SHT75供電，移動電源一次充電可保證系統連續工作10 h[7]。

圖2 CH378和單片機連接電路圖

1.1 CH378與單片機連接電路

CH378芯片有128腳封裝的CH378L和64腳封裝的CH378Q，本系統中采用的是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，在芯片上電復位時，CH378將采樣SEL和TXD引腳的狀態，根據這2個引腳狀態的組合選擇通訊接口，參考表1（表中X代表不關心此位，0代表低電平，1代表高電平或者懸空）。本系統采用的是SPI接口模式，此時53腳SEL懸空，113腳TXD接地。圖2為CH378與單片機和U盤電路連接圖。單片機通過通過查詢SDO引腳獲知中斷（上電或者復位后要先通過CMD_SET_SDO_INT命令設置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連接電路

觸摸屏模塊通過UART串口和單片機實現通訊[8-9]，實現人機交互界面。配合配套的終端開發軟件OCM_TOUCH.EXE，在上位機完成界面的設計(包括每個頁面的控件編輯，觸摸事件發生定義回傳數據等），生成.optbin觸控工程文件下載至觸摸屏模塊，用戶只需在51單片機編寫少量代碼即可完成界面設計。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置），本系統采用115200 bps，TTL電平不需經過電平轉換就可和單片機直接連接。電路如圖3所示。

圖3 觸摸屏和單片機連接電路圖

圖4 SHT75和單片機連接電路圖

1.3 SHT75與單片機連接電路

考慮到現場溫濕度對焊接電壓電流的影響，采集電壓電流數據前通過SHT75采集一次溫濕度數據[10]。SHT75溫濕度傳感器主要特點：（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通過兩線制數字接口與單片機相連，連接電路如圖4所示。

1.4 電壓電流傳感器與單片機連接電路

C8051F020單片機內部集成了A/D轉換子系統，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、數據轉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單片機片內集成了數據采集和控制系統中常用的模擬部件和其它數字外設及功能部件，提高了系統的可靠性。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據[11]。系統設定2 K/S的采樣頻率，實際對應每個通道為設定值的一半1 K/S。A/D轉換有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。系統采用定時器3溢出自動轉換的方式。傳感器與單片機連接電路如圖5所示。

圖5 電壓電流傳感器與單片機連接電路

2 軟件設計

軟件設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和微處理器系統軟件通常的C語言[12]。程序總體流程設計如圖6所示。系統整個工作情況如下：上電開機后系統完成初始化，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，將本次記錄對應的溫濕度記錄下來，并添加一條對應本次記錄所采集電壓電流數據的文件名（*.TXT，*為數字,由程序遍歷U盤文件完成，若已有5.TXT，則本次記錄數據的文件名為6.TXT)。顯示主界面，將前面所有選擇的關于本次記錄的數據顯示出來，用戶按“開始采集”按鈕，打開數據記錄文件，將當前時間寫入文件中，啟動定時器3自動完成電壓電流的采集，采集512點暫停采集（程序使用F020外部4KRAM存儲采樣電壓電流數據，電壓電流都是12位，每個點占4個字節，電壓電流各2個字節，512點占用2KRAM，為節約存儲空間沒有將采樣數據轉換成實際電壓電流浮點數數據，由上位機完成轉換），將數據寫入U盤，重新啟動采集，直到用戶按“停止采集”按鈕，將當前時間寫入文件中，關閉數據記錄文件。

3 測試結果

利用本文所述的焊接參數記錄儀在武昌造船廠進行焊接實驗，將測得的焊接電壓電流數據通過上位機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 結論

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

[1] 張存偉, 張漢謙, 王寶等. 結構鋼焊條焊接電參數分析[J]. 太原理工大學學報, 2004（1）: 39-42.

[2] 朱志潔, 宗培, 彭飛等. 焊接工藝參數記錄分析儀研究[J]. 船海工程, 2005（4）: 49-51.

[3] 江小華, 李豪杰, 張 河. 基于微控制器的微型存儲測試系統的設計[J]. 儀器儀表學報, 2002（6）: 588-591.

[4] 李華偉. 基于C8051F的氣象數據采集系統[J]. 兵工自動化, 2009, 28（7）: 75-76.

[5] 邸超, 張志杰. USB OTG技術及其在存儲測試中的應用[J]. 現代電子技術, 2007（20）: 33-34.

[6] 潘琢金. C8051F020/1/2/3數據手冊[Z]. 沈陽新華龍電子有限公司, 2002.

[7] 周華, 徐華, 朱均. 低功耗儀表設計初探[J]. 儀器儀表學報, 2005（4）: 374-377.

[8] 張懷強, 邢海霞, 周建斌等. 基于C8051F020單片機的數據采集與串口通訊的應用[J]. 邢臺職業技術學院學報, 2006（10）: 52-54.

[9] 石成英, 李進軍, 劉志強. 圖形點陣液晶顯示模塊與單片機接口技術[J]. 國外電子測量技術, 2004, 23（4）: 50-53.

[10] 王曉銀, 王彥瑜, 蔣 鋒. 基于MSP430F149單片機的溫度監測系統的設計[J]. 微計算機信息, 2003, 19（11）: 56-58.

[11] 何青, 張海巖, 張志. 基于C8051F的便攜式多通道數據采集系統[J]. 儀器儀表學報, 2006（6）: 140-141.

[12] 鮑可進. SOC單片機原理與運用[M] . 北京: 清華大學出版社, 2011.

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，工學碩士。研究方向：電工理論技術及運用。