摘要 電阻釬焊是一種利用電流流過電極和焊件所產(chǎn)生的電阻熱進行釬焊的焊接工藝。 它工藝簡單，勞動條件好，容易實現(xiàn)生產(chǎn)自動化，可以被廣泛的應用于焊接生產(chǎn)中。 而對于釬焊來說，焊接接頭質(zhì)量的好壞，與焊接過程中的溫度有很大的關系。但是在 焊接過程中對焊接溫度進行控制，一直以來沒有一個很有效的、簡單的方法。因此， 如何在焊接過程中進行有效的焊接溫度控制，對于電阻釬焊，是一個很值得研究的課 題。 因為電阻釬焊焊接中的熱量產(chǎn)生于電流流過電極和焊件的過程中，所以為了實 現(xiàn)焊接過程溫度的控制，我們可以考慮控制焊接過程中的焊接參數(shù)，比如流過電極和 焊件的電流的大小、通電時間等。 為此，本文在模糊理論的基礎上，建立溫度控制的模糊系統(tǒng)。通過實時采集焊接 過程中的溫度，反饋給該系統(tǒng)，由系統(tǒng)對采集的溫度信號進行模糊化。利用構造的隸 屬函數(shù)表進行模糊處理，然后再經(jīng)過去模糊化，輸出一個控制信號，利用控制主電路 晶閘管導通角來控制電流通斷，從而實現(xiàn)對焊接溫度的控制。 在本文中，我們采用了以a t m e g a l 2 8 l 單片機為核心構成的恒溫控制系統(tǒng)，對單 片機系統(tǒng)內(nèi)部各功能模塊電路的設計做了詳細的介紹。給出了整個控制程序的設計思 路。此外，自行設計控制了反向并聯(lián)晶閘管的觸發(fā)電路。 通過試驗論證，該系統(tǒng)對于本文所提出的控制溫度方法是可行的。 關鍵詞：電阻釬焊；a v r 單片機；恒溫控制；模糊控制；觸發(fā)電路 a b s t r a c t r e s i s t a n c eb r a z ei so n eo ft h ew e l d i n gc r a f t st h a tu t i l i z et h eh e a tg e n e r a t e da l e l e c t r o d ea n dw e l d m e n tw h e nc u r r e n ti sf l o w i n g t h ec r a f ti ss i m p l e ；t h el a b o rc o n d i t i o ni s g o o d ，a p tt or e a l i z et h ep r o d u c t i o na u t o m a t i o n i tc a nb ea p p l i e dt op r o d u c ei nw e l d i n g e x t e n s i v e l y a n df o rb r a z i n g ，t h eq u a l i t yo fw e l d i n gc o n n e c t o rh a sm u c ht od ob yt h e w e l d i n gt e m p e r a t u r ei nt h ew e l d i n gc o u r s e b u tt oc o n t r o l l i n gt h et e m p e m t u r e ，t h e r ei sn o t a v e r ye f f e c t i v e ，s i m p l em e t h o da l lt h et i m e s oh o wt od ot h ee f f e c t i v ec o n t r o l l i n gf o rt h e w e l d i n gt e m p e r a t u r e ，i ti sas u b j e c tt h a ti sv e r yw o r t hs t u d y i n gf o rt h er e s i s t a n c e sb r a z e b e c a u s et h eh e a tu s e di nr e s i s t a n c eb r a z ei sc o m ef r o mt h ew e l d i n gc o u r s et h a tt h e c u r r e n ti s f l o w i n gt h r o u 曲t h ee l e c t r o d ea n dw e l d m e n t i no r d e rt oc o n t r o lt h ew e l d i n g t e m p e r a t u r e ，w ec a l lu s et h em e a n st h a tc o n t r o lt h et e m p e r a t u r eb yc o n t r o l l i n gt h ec u r r e n t v a l u ea n dt l l ee r a r e n tt i m e f o rt h i sr e a s o n ，t h i sp a p e ru t i l i z e st h ef u z z yt h e o r y , s e tu pt h ef u z z ys y s t e mo f t e m p e r a t u r ec o n t r 0 1 w ec a r lg a t h e rt h et e m p e r a t u r es i g n a la n df e e d b a c ki tt os y s t e mi nr e a l t i m e ，d e a l tw i t ht h ed a t ab yt h ef u z z ys y s t e m t h ep r o c e s sf o rf u z z yc o n 打o li n c l u d e s f u z z i f i c a t i o n ，f u z z y i n f e r e n c e ，d e f u z z i f i c a t i o n a f t e rf u z z yp r o c e s s ，w eo u t p u tac o n t r o l l i n g s i g n a la n dc a r lr e a l i z et h ec o n t r o lt ot h et e m p e r a t u r eo f w e l d i n g i nt h ep a p e r , w eh a v ea d o p t e dt h ea t m e g a l 2 8 lm i c r o c h i pa sac o n t r o l l i n gc o r ef o rt h e t h e r m o s t a t i c a l l yc o n t r o ls y s t e m h a v ed o n et h ed e t a i l e di n t r o d u c t i o nt ot h ed e s i g no fe v e r y f u n c t i o nm o d d ec i r c u i to ft h em i c r o c h i ps y s t e m p r o v i d e dt h ew h o l ei d e ao fd e s i g n i n go f f u z z yc o n t r o lp r o c e d u r e m e a n w h i l ew ea l s od e s i g nt h ep r o f e s s i o n a lt r i g g e rc i r c u i tt o c o n t r o lt h y r i s t o r p r o v i n gi nt h et e s t ，i ti sf e a s i b l et oc o n t r o lt e m p e r a t u r eb y t h es y s t e md e s i g n e d b yu s k e yw o r d s ：r e s i s t a n c eb r a z e ；a v rm i c r o c h i p ；t h e r m o s t a t i cc o n t r o l ；f u z z yc o n t r o l ， t r i g g e rc i r c u i t 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特別加以標注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表 或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得鑫生盤堂或其他教育機構的學位或證 書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中 作了明確的說明并表示了謝意。 學位論文作者簽名：踟簽字日期：) 州籮年土月，夕日 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解鑫生盤堂有關保留、使用學位論文的規(guī)定。 特授權墨壅盤堂可以將學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢 索，并采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學校 向國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤。 ( 保密的學位論文在解密后適用本授權說明) 學位論文作者簽名：參每叉 f 日 導師簽名：灰岔飭 簽字日期：彬年j 月 f 日 第一章緒論 1 1 電阻釬焊概述 卜3 】 第一章緒論 電阻釬焊是釬焊的一種。釬焊是人類最早使用的材料連接手段和焊接方法。它已 經(jīng)廣泛地應用于加工制造業(yè)中，在橋梁、造船、航空航天、海洋工程、核動力工程、 微電子技術、石油化工以及電力電子等尖端技術部門的現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)過程中，更是 起到了舉足輕重的作用。例如，在“阿波羅”號宇宙飛船的生產(chǎn)過程中，大約有1 0 4 5 處接頭是采用釬焊方法制造的；美國麥道公司生產(chǎn)地3 4 3 座d c 1 0 飛機，有將近2 0 0 0 個釬焊接頭分布在8 5 0 米長的管路中；波音公司生產(chǎn)的7 0 7 飛機，其液壓系統(tǒng)中有將 近5 0 0 0 個接頭利用了釬焊方法進行連接。 目前，在實際生產(chǎn)中廣泛采用的釬焊方法有烙鐵釬焊、火焰釬焊、電阻釬焊、超 聲波釬焊、感應釬焊、浸漬釬焊、爐中釬焊。 其中，烙鐵釬焊多用于手工操作，烙鐵本身的重量不能太大，同時受烙鐵自身功 率的限制，一般只適用于以軟釬料釬焊薄件和小件。烙鐵釬焊多用在電子、儀表工業(yè) 部門。 火焰釬焊應用比較廣泛，通用性大，工藝簡單。其缺點是手工操作，加熱溫度難 以掌握，要想達到比較滿意的釬焊質(zhì)量，要求工人有比較高的技術水平。 超聲波焊也是一種以機械能為能源的固相焊接方法。進行超聲波焊時，焊接工件 在較低的靜壓力下，由聲極發(fā)出的高頻振動能使接合面產(chǎn)生強烈摩擦并加熱到焊接溫 度而形成結合。超聲波焊可以用于大多數(shù)金屬材料之間的焊接，能實現(xiàn)金屬、異種金 屬及金屬與非金屬間的焊接?？蛇m用于金屬絲、箔或2 3 m m 以下的薄板金屬接頭的 重復生產(chǎn)。 感應釬焊是依靠被焊工件在交變磁場中產(chǎn)生的感應電流的電阻熱來實現(xiàn)加熱。感 應釬焊的特點是加熱迅速，并且因為是整體加熱，可以焊接結構比較復雜的焊件。缺 點是因為焊件整體加熱，導致填充焊料不方便，比較難控制焊接接頭的質(zhì)量。 浸漬釬焊是把焊件局部或整體地浸入熔化的鹽混合物或釬料中來實現(xiàn)釬焊過程 的。這種釬焊方法，由于液體介質(zhì)熱容量大，導熱好，能迅速而均勻地加熱焊接，釬 焊過程的持續(xù)時間一般不超過二分鐘。因此，生產(chǎn)率高，焊件的變形、晶粒長大和脫 碳等都不顯著。釬焊過程中液體介質(zhì)隔絕空氣，保護焊件不受氧化。并且釬焊過程容 易實現(xiàn)機械化，有時能同時完成淬火、滲碳、氰化等熱處理過程，廣泛用于各種合金 的釬焊。用于電子器件的焊接所采用的波峰焊也屬于這一類。 爐中釬焊是利用電阻爐來加熱焊件。根據(jù)爐中釬焊區(qū)的氣氛組成可以分為：空氣 第一章緒論 爐中釬焊、還原氣氛爐中釬焊、中性氣氛爐中釬焊、活性氣氛爐中釬焊、低真空釬料 和真空爐中釬焊。現(xiàn)在，真空爐中釬焊在工業(yè)生產(chǎn)中應用比較廣泛。它用于焊接難釬 焊的金屬和合金，如鋁合金、鈦合金、高溫合金以及難熔金屬，且不需要使用釬劑。 所釬焊的接頭光亮致密，且具有良好的機械性能和抗腐蝕性能。因此在一些尖端技術 部門中得到越來越多的應用。 電阻釬焊，是利用電流通過焊件或與焊件接觸的加熱塊所產(chǎn)生的電阻熱加熱焊件 和熔化釬料的釬焊方法。釬焊時對釬焊處應施加一定的壓力。 電阻釬焊的基本原理與電阻焊相同，與其他的釬焊方法比較起來，其優(yōu)點是加熱 迅速，生產(chǎn)率高，加熱十分集中，對周圍的熱影響小，勞動條件好，容易實現(xiàn)生產(chǎn)的 自動化。但是加熱溫度不易控制，接頭尺寸不能太大，形狀不能很復雜。電阻釬焊原 理圖如圖1 - 1 所示。 一般的電阻釬焊方法與電阻焊相似，是用電極壓緊二個零件的釬焊處，使電流流 1 電極2 焊件 3 一釬料 圖1 - 1電阻釬焊原理圖 b ) 間接加熱法 經(jīng)釬焊形成回路，主要靠釬焊面及毗鄰的部分母材中產(chǎn)生的電阻熱來加熱。而特點是 被加熱的只是零件的釬焊處，因而加熱速度很快。在這種釬焊過程中，要求零件釬焊 面彼此保持緊密貼合。否則，將因接觸不良，造成母材局部過熱或接頭嚴重未釬透等 缺陷。在某些情況下，例如為了得到更好的壓緊狀況，焊件的一側可使用合適的墊板。 而把兩個電極安排在焊件的同一側。在微電子產(chǎn)品中，往印刷電路上裝連元器件引線 時，由于結構原因，也多采用兩個電極在同- n 的所謂平行間隙釬焊法。電阻釬焊可 采用釬劑和氣體介質(zhì)去膜。但對于這種加熱方式，不能使用固態(tài)釬劑，因其不導電a 因此，如有自釬劑釬料選用是最方便的。當必須采用釬劑時，應以水溶液或酒精溶液 形式使用。 電阻釬焊最適于采用箔狀釬料，它可以方便地直接放在零件的釬焊面之間。另外， 在釬焊面預先鍍復釬料層也是常采用的工藝措施，這在電子工業(yè)中應用很廣。若使用 2 第一章緒論 釬料絲，應使釬焊面加熱到釬焊溫度后，將釬料絲末端靠緊釬縫間隙，直至釬料熔化， 填滿間隙，并使全部邊緣呈現(xiàn)平緩的釬角為止。 電阻釬焊還有可稱為間接加熱方式的兩種類型；一種是電流只通過焊件中的一個 零件，釬料的熔化和其它零件的加熱均靠導熱來實現(xiàn)；另一種是電流不通過焊件，而 是通過緊靠焊件的加熱塊，焊件則靠由加熱塊傳導來的熱量加熱。這兩種電阻釬焊方 法的主要優(yōu)點是便于釬焊熟物理性能差別大的材料和厚度相差懸殊的焊件，使之不會 出現(xiàn)加熱中心偏離釬焊面的情況。由于電流不需要通過釬焊面，因此可以直接使用固 態(tài)釬劑，而且對零件釬焊面的配合要求也可以適當放寬，這些均簡化了工藝。但為了 保證裝配準確度和改善導熱過程，對焊件仍需要壓緊。由于在這兩種方式中，焊件的 加熱是一個熱傳導過程，因此加熱速度較慢。目前，加熱塊形式的電阻釬焊在電子工 業(yè)的印刷板電路生產(chǎn)中使用甚廣。 電阻釬焊適合宜于使用低電壓大電流，通?？稍谄胀ǖ碾娮韬笝C上進行。也可使 用專門的電阻釬焊設備( 電阻釬焊鉗或電阻釬焊機) 。根據(jù)所要求的導電率，電極可 采用碳、石磨、銅合金、耐熱鋼、高溫合金或難熔金屬制造。一般電阻釬焊用的電極 應有較高的導電率；相反，用作加熱塊的電極則需要用高電阻的材料。在所有情況下， 制作電極的材料應不為釬料所潤濕。為了保證加熱均勻，通常電極的端面應制成與釬 焊接頭相應的形狀和大小。電阻釬焊使用的電極壓力應比電阻焊使用的低，目的僅在 于保證零件釬焊面良好的電接觸和從縫中排除多余的熔化釬料和釬劑殘渣。 電阻釬焊目前主要用于電機的定子線圈、導線端頭、各種電觸點，以及電子設備 中印刷電路板上集成電路塊和晶體管等元器件的連接。 1 2 溫度控制及其特點l 溫度是國際單位制中七個基本量之一，在科學研究和生產(chǎn)實踐的諸多領域都占有 極為重要的地位，對溫度進行測量和控制也是科學實驗和工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常學要解決的 重要問題。例如，在熱科學領域，比熱是衡量物質(zhì)熱學性質(zhì)的重要基本參數(shù)，然而， 準確的測定各種物質(zhì)在不同溫度條件下的比熱是非常困難的。為了高糟度的測量物質(zhì) 的比熱，有一系列的問題需要解決，其中最重要的是高精度的絕熱控制和溫度測量。 在實際的實驗或生產(chǎn)環(huán)境下，由于系統(tǒng)內(nèi)部與外界的熱交換是難以控制的，其他 熱源的干擾也是無法精確計算的，因此溫度量的變化往往受到不可預測的外界環(huán)境擾 動的影響。為了使系統(tǒng)與外界的能量交換盡可能的符合人們的要求，就需要采取其他 手段來達到這樣一個絕熱的目的，例如可以讓目標系統(tǒng)外部環(huán)境的溫度與其內(nèi)部溫度 同步變化。根據(jù)熱力學第二定律，兩個溫度相同的系統(tǒng)之間是達到熱平衡的，這樣利 用一個與目標系統(tǒng)溫度同步的隔離層，就可以把目標系統(tǒng)與外界進行熱隔離。 另外，在大部分實際的環(huán)境中，增溫要比降溫方便得多。因此，對溫度得控制精 另外，在大部分實際的環(huán)境中，增溫要比降溫方便得多。因此，對溫度得控制精 第一章緒論 度要求比較高得情況下，是不允許出現(xiàn)過沖現(xiàn)象，即不允許實際溫度超過控制的目標 溫度。特別是隔熱效果很好的環(huán)境，一旦出現(xiàn)過沖，將難以很快把溫度降下來。這是 因為很多應用中只有加熱一個環(huán)節(jié)，而沒有冷卻的裝置。同樣道理，對于只有冷卻沒 有加熱環(huán)節(jié)的應用中，實際溫度低于控制的目標溫度，對控制效果的影響也是很大的。 鑒于上述這些特點，高精度溫度控制的難度比較大，而且不同的應用環(huán)境也需要 不同的控制策略。 對溫度的測量與控制是自動控制在工程中應用的一個重要方面【6 j 。在一般的工業(yè) 生產(chǎn)中，溫度控制精度達到5 c 已經(jīng)足夠滿足要求，利用傳統(tǒng)的經(jīng)典控制方法即可 實現(xiàn)：在一些有較高要求的應用領域，如某些晶體的生長，就要求溫控精度達到o 1 0 5 ，即稱為高精度溫控，這就要求采用各種現(xiàn)代控制方法對生產(chǎn)過程進行 控制；而在一些對環(huán)境溫度有特殊要求的科學試驗中，為了得到更加準確的結果，希 望在較小溫度變化范圍內(nèi)，溫控精度能夠達到o 0 1 ，這時采用已有的控制方法將 難以實現(xiàn)。目前，國內(nèi)外高精度控制多采用各種自適應、自整定技術，但一般僅對某 一特定工程應用有較好效果，而且多為恒溫控制，動態(tài)變化的溫度控制精度更難以提 高。高精度的溫度控制還有待于進一步的理論和應用研究。此外，少數(shù)測溫系統(tǒng)可以 得到o 0 1 的最小量程，控溫精度還無法達到如此精度，但這說明溫控精度達到 o o l 具有理論上的可能性和工程的衡量手段，只是還需要進一步的理論和應用研 究。 1 3 本課題研究的問題【3 】 從釬焊的工藝來看，影響釬焊質(zhì)量的因素很多【1 】o 比如釬料成分、釬料的潤濕性 等等。在這些因素中，釬料的潤濕性是一個最基本和最重要的因素。釬料的潤濕性的 好壞，直接決定著釬焊焊接接頭的質(zhì)量的好壞。 釬料潤濕性的好壞，主要受以下因素的影響： l 、釬料和母材的成分； 2 、溫度的影響； 3 、金屬表面氧化物的影響； 4 、釬劑的影響； 5 、母材表面狀態(tài)的影響： 6 、表面活性物質(zhì)的影響。 從焊接工藝角度來考慮，在影響釬料潤濕性的因素中，除了溫度是必須在焊接過 程中進行控制的以外，其它幾個因素的影響都可以在焊接前期的工作中基本消除或降 低。而溫度因素是一個在釬焊過程中控制的參數(shù)，由于溫度的熱慣性很大，因此對溫 第一章緒論 度進行精確的實時控制( 特別是對一些合金材料的釬焊) 很難實現(xiàn)?，F(xiàn)在除了手工用 的電烙鐵可以進行溫度控制以外，一般用來釬焊的焊機還沒有或沒有一個很有效的方 法對釬焊時的焊接溫度進行比較精確的控制。 本課題是基于與某電機廠合作項目電機轉子的接線銅排的電阻釬焊工藝改 善而進行的。目前，該廠在進行接線銅排的焊接時，采用氣動焊鉗進行電阻釬焊。但 是存在以下問題。 1 、焊接時間過長。在釬焊銅排時，從焊鉗加緊通電，到結束焊接，一般需要2 0 s 以上。而對于一臺大型發(fā)電機的轉子，接頭有一，二百個，所以導致生產(chǎn)瓶頸，嚴重 影響生產(chǎn)效率。 2 、在常時間高溫情況下，包在銅排上的絕緣紙發(fā)生碳化，絕緣效果下降，需要 重新返工，更加造成人力，物力和時間的浪費。 3 、焊接過程中補焊頻繁。因為該釬焊過程采用人工填充釬料，所以操作工根據(jù) 自己的判斷，頻繁的進行釬料的補充，浪費大量釬料。 4 、焊接接頭質(zhì)量不穩(wěn)定。該釬焊過程屬于人工操作過程，所以，針對不同的操 作工，焊接接頭的評定標準也不相同，導致焊接接頭質(zhì)量不穩(wěn)定。但是對于電機來說， 只要有一處接頭的質(zhì)量不達標，就必須返工。所以接頭的質(zhì)量大大影響產(chǎn)品出貨時間。 針對釬焊溫度控制問題，結合工廠實際情況，提出以下解決方案。 對于銅排的釬焊，采用自動控制。在整個過程中，采用程序自動控制，設定好焊 接參數(shù)，預先將焊料填充在焊件之間，從而縮短焊接時間，提高焊接生產(chǎn)率。為了控 制焊接質(zhì)量，考慮采用閉環(huán)控制，控制焊接溫度，一方面使焊料充分熔化流動，另一 方面，保證絕緣紙不會被碳化。 1 4 本課題具體解決方法 從電阻釬焊過程中可以看出，很多因素都會影響被釬焊工件的溫度，而這些因 素( 例如，周圍環(huán)境的溫度，氣流情況，冷卻水的溫度及水流狀況，被加熱材料及夾 具材料的發(fā)射率隨著溫度的變化而變化的情況等) 中，各個因素對溫度變化的影響程 度又會各不相同。電阻釬焊本身的特點是短時間快速加熱，其加熱時間可以在短短幾 秒中達到幾百或上千的溫度值。因此，很難建立一個比較精確的數(shù)學模型，而許多傳 統(tǒng)經(jīng)典的控制算法，如p i d 控制。它是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡 單，魯捧性好和可靠性高，被廣泛應用于工業(yè)過程控制之中，尤其適用于可建立精確 數(shù)學模型的確定性線性控制系統(tǒng)中。而對于電阻加熱這種非線性，時變不確定的過程， 缺乏精確的數(shù)學模型，應用p i d 控制算法很難達到理想的控制效果。常規(guī)p i d 控制 器參數(shù)往往整定不良，性能欠佳，運行時對于實際情況的適應性很差。以模糊數(shù)學為 基礎發(fā)展起來的模糊控制技術是一種非線性的控制方式。實踐結果統(tǒng)計表明，對無法 第一章緒論 取得數(shù)學模型或者數(shù)學模型相當粗糙的系統(tǒng)，利用模糊控制技術能夠取得令人滿意的 控制效果。模糊控制技術作為現(xiàn)代智能控制的一個主要分支，因其簡單，實用，有效 等優(yōu)點已經(jīng)成為當前控制領域的又一研究熱點【7 】。對于電阻釬焊這種溫度要求很嚴格 的非線性系統(tǒng)，采用模糊控制技術能獲得令人滿意的控制效果。因此，結合溫度控制 的特點，本課題的溫度控制方案選定利用模糊控制技術，構造模糊控制器，實現(xiàn)對電 阻釬焊的溫度控制。 目前，模糊控制器的構造技術有三種： 1 、采用傳統(tǒng)的單片機或者微型機作為物理基礎，編制相應的軟件實現(xiàn)模糊推理 和模糊控制； 2 、采用模糊單片機或者集成電路芯片構造模糊控制器，利用配置數(shù)據(jù)來確定模 糊控制器的結構形式； 3 、采用可編程門陣列構造模糊控制器，這種方式主要是構造模糊推理控制表， 需要預先脫機進行處理； 鑒于目前的各種實際情況，我們選擇方式l 作為構造模糊控制器的方案。在電阻 釬焊和溫度的測量的基礎上，根據(jù)本文的研究內(nèi)容的特點，我們采用接觸型的熱電偶 進行溫度的采集，進行單片機的選擇和模糊控制系統(tǒng)硬件、軟件的具體設計。 6 第二章單片機系統(tǒng)總體電路設計 第二章單片機系統(tǒng)總體電路設計 單片機系統(tǒng)的開發(fā)包括硬件設計和軟件設計。硬件設計包括了不同硬件功能模塊 的設計。程序設計主要是單片機系統(tǒng)的控制程序的設計。 2 1 單片機系統(tǒng)的硬件設計 2 1 1 單片機系統(tǒng)整體電路結構 單片機控制的電阻釬焊恒溫控制系統(tǒng)整體電路結構如圖2 1 所示。 圖2 - 1 電路系統(tǒng)結構框圖 整個系統(tǒng)主要由電阻焊機電源主電路、單片機控制系統(tǒng)、同步脈沖移相觸發(fā)電路 組成。為了便于采用微機控制，可采用串行接u 1 與微機連接【8 ，9 】。單片機控制電阻焊 機電源主電路的基本工作原理如下。 工頻電網(wǎng)電壓分別加載在電源主電路( 反向并聯(lián)晶閘管) 和同步脈沖移相觸發(fā)電 路上。焊接開始，由單片機系統(tǒng)給同步脈沖移相觸發(fā)電路一個比較電壓v k ，由v k 控制 觸發(fā)板電路，給反相晶閘管提供觸發(fā)脈沖，使晶閘管導通，電流流過焊件，焊件開始 7 第二章單片機系統(tǒng)總體電路設計 升溫。隨著v k 的改變，可以給反相并聯(lián)晶閘管提供一個可改變晶閘管觸發(fā)角的觸發(fā) 脈沖，從而可以控制晶閘管的導通和關斷時間而達到控制焊接溫度的目的。而v k 是 隨著單片機系統(tǒng)采集的溫度信號與設定的溫度值進行比較后的差值的變化而變化的。 這樣，在焊接開始前根據(jù)釬料的熔點設定好焊接的最佳溫度值，焊接開始后，隨著焊 件通過電流，溫度不斷上升。當溫度上升到設定的溫度范圍內(nèi)時，單片機系統(tǒng)開始采 集溫度信號，并且與設定溫度值不斷進行比較。一旦焊件溫度值超出設定溫度范圍， 單片機則給觸發(fā)電路一個控制信號，使觸發(fā)電路停止發(fā)出觸發(fā)信號，從而使晶閘管關 斷。當電流停止流過焊件后，溫度逐漸降低，此時單片機還在不斷采集溫度信號，并 與設定溫度值進行比較。當焊件的溫度值低于設定的溫度范圍時，單片機系統(tǒng)則重新 給觸發(fā)電路一個控制信號，并重新發(fā)出一個比較電壓v k ，從而控制觸點電路給出一 個觸發(fā)信號，觸發(fā)晶閘管門極，使晶閘管導通，使電流重新流過焊件，使焊件溫度上 升。該系統(tǒng)利用這種閉環(huán)反饋控制，來控制溫度保持在一個給定的溫度范圍內(nèi)，從而 實現(xiàn)恒溫控制。 2 1 2 焊機電源主電路及控制的實現(xiàn) 如圖2 2 所示，為焊機電源主電路圖。從圖中 可以看出，控制電路輸出脈沖觸發(fā)電壓v 。，控制 反向并聯(lián)晶閘管q l 和q 2 的門極，從而控制q l 和q 2 的導通。在模糊控制過程中，通過控制電路 采集電極的溫度，改變v 。的間隔頻率，從而改變 晶閘管的觸發(fā)角，到達控制流過電極電流的大小 和時問，最終實現(xiàn)電極溫度的模糊控制。 2 2 控制系統(tǒng)的設計 單片機控制 系統(tǒng)主要由以下 幾部分組成【1 0 】： a t m e g a l 2 8 l 最小 溫度 系統(tǒng)、數(shù)模轉換 ( d a ) 電路、鍵 盤輸入及數(shù)碼電 路組成 1 1 , 1 2 】，如圖 2 3 所示。該電路 圖2 2 焊機電源主屯路 圖2 - 3 單片機系統(tǒng)硬件結構 制信號 第二章單片機系統(tǒng)總體電路設計 2 - 3 所示。該電路以a t m e g a l 2 8 l 單片機為核心，從鍵盤選擇適當?shù)暮附臃椒?，并?入下相應的焊接工藝參數(shù)。當單片機判斷當前為焊接狀態(tài)時，從串行口( s p i ) 采集 溫度信號，從其i o 口輸出信號，通過d a 轉換，經(jīng)過比較器，將電流信號轉換成電 壓信號，提供給同步移相脈沖電路，實現(xiàn)對焊接主電路的控制。 下面簡要介紹一下這幾部分的功能。 ( 1 ) a t m e g a l 2 8 l 芯片它是單片機控制系統(tǒng)的核心部分，通過程序的運行使 它與外圍芯片交換信息，來實現(xiàn)焊機所需的控制功能。 ( 2 ) 數(shù)模轉換( d a ) 轉換電路將單片機輸出的數(shù)字量轉換成模擬量來提供 基本控制電路所需的給定電壓。 ( 3 ) 數(shù)碼顯示及鍵盤輸入電路進行焊接工藝參數(shù)的設定、調(diào)節(jié)和顯示。 2 3 單片機系統(tǒng)各部分介紹 2 3 1 單片機的選擇【1 3 單片機即單片微型計算機，它把組成微型計算機的各功能部件：中央處理器c p u ， 隨機存取存儲設備r a m 、只讀存儲器r o m 、i o 接口電路、定時器計數(shù)器以及串行 通訊接口等部件制作在一塊集成芯片中，構成一個完整的微型計算機。從2 0 世紀7 0 櫛c o o ，口m dp e 0 0 x o o a ，d o ) p 斟 ( x g k 0 a i n 0 ) p e 2 g ：x ：3 n a i n l ) p 9 3 c o c 3 剛n t 帕p e 4 ( o c 3 c n 瑪p e 5 ( i 翻n t 6 ) p e 6 a c 湖腫尸e 7 圈日o ( s c i q p b i m 0 8 0p b 2 州s o ) p b 3 ( o c 0 ) p b 4 ( o o t m p 陸 ( o c b ) p b 6 圖2 4a t m e g a l 2 8 l 封裝結構 p a 3 ( a o a ) p a 4o 、d ) 眥0 、d 5 ) p a 6 ( d 曰 p a t 以d t j p e 2 ( a l e p c 7 a 1 日 p c 6 似1 卻 p c 5 拂1 3 】 p c 4 似1 習 p c 3 ( a 1 1 1 f c 2 1o ) p c ic 9 ) p c o p q i ( r o ) 麗弼 第二章單片機系統(tǒng)總體電路設計 年代i n t e l 公司推出第一代以m c s 4 8 為代表的8 位單片機以來，單片機的發(fā)展速度 是驚人的。其集成度越來越高，功能越來越強大，由原來的8 位機發(fā)展成1 6 位、3 2 位，當然8 位機的應用仍然非常廣泛；原來是i n t e l 公司獨家生產(chǎn)，后發(fā)展成多家公 司紛紛推出自己的產(chǎn)品，如m i c r o c h i p 公司的p i c 系列、a t m e l 公司的a v r 系列等 等。本文的單片機系統(tǒng)就采用了a v r 系列功能最為強大的高檔芯片a t m e g a l 2 8 l 。如 圖2 - 4 是該芯片的封裝結構。 a t m e g a l 2 8 單片機性能特點如下： ( 1 ) 1 2 8k bf l a s hr o m 、4 k be e p r o m 、4 k b s r a m ，可以使用c 語言， 編程更容易，可任意擴展6 4 k b 外部存儲器。 ( 2 ) 獨立加密位的b o o t 代碼區(qū)，通過b o o t n ，程序可實現(xiàn)在線自編程，便于 產(chǎn)品升級與維護。 ( 3 ) 符合i e e e l l 4 9 1 規(guī)范的j t a g 功能；通過j t a g 工具，實現(xiàn)片上仿真與在 線燒錄。 ( 4 ) 8 通道1 0 位a d c ，帶內(nèi)部基準與高速轉換模式；片內(nèi)模擬比較器。 ( 5 ) 2 個可編程的u s a r t 串口，可通過串口來實現(xiàn)對芯片的在線編程；主從 s p i 接口。 ( 6 ) 可校準的最高至8 m h z 的內(nèi)部r c 振蕩器；片外晶振振蕩幅度可調(diào)，以改 善電磁干擾性能。 ( 7 ) t q f p 6 4 封裝，5 3 個i o 口，每個口可輸出4 0 m a 電流，可直接驅動l e d 。 2 3 2 鍵盤電路 1 、鍵盤工作原理 按鍵設置在行、列交點上，行、 電阻接p a 口低四位，行線直接連 p 口高四位。高四位p a 4 一p a 7 設為輸出狀態(tài)，低四位p a 0 一p a 3 設為輸出狀態(tài)，初始狀態(tài)為高電 平。掃描鍵盤時，行線端口 p a 4 一p a 7 輸出低電平，檢測列線 端口p a 0 p a 3 ；當無按鍵動作時， 列線出于高電平狀態(tài)，而當有按 鍵按下時，列線電平將由與此列 線相連接的行線電平?jīng)Q定。行線 電平如果為低，則列線電平為低； 列線分別連接到按鍵開關的兩端。列線通過上拉 去磊告1 贏氣 一 南 赫 i 每蒜咯_ 1 -七蒜號- 1 專南嗉薔鼉 jl 南毒t _ 1 乓蒜唯一一 隔 磊t 、 ii 圖2 - 5 鍵盤電路 第二章單片機系統(tǒng)總體電路設計 行線電平如果為高，貝* j y o 線電平亦為高。這一點是識別矩陣鍵盤按鍵是否按下的關鍵。 電路如圖2 - 5 所示 1 4 1 。 2 、按鍵識別 在此鍵盤邏輯中，我們采用掃描法來實現(xiàn)按鍵的識別?？梢詫⑿芯€作為掃描線， 列線即作為檢測線。如前所述，按鍵進行后，與此鍵相連接的列電平將由與此鍵相連 接的行線電平?jīng)Q定，而列線電平在無鍵按下時出于高電平狀態(tài)。如果讓所有行線同時 出于低電平，則無法識別是那一個鍵被按下。因此，單片機是依次向每一行線輸入一 個低電平，同時向其余的行線輸出高電平，并從列線檢查各按鍵的狀態(tài)。由于列線接 有與行相反的電平，因此，如果無鍵按下，則列線均為高電平；如果有鍵按下，則相 應于該按鍵的的列線電平為低電平，相應未按下鍵的列線則均為高電平，分析對應的 掃描狀態(tài)和檢測結果，便可識別出被按下的鍵位號。 2 3 3l e d 顯示電路 數(shù)碼顯示管( l e d ) 與鍵盤電路配合使用，能對系 統(tǒng)設定的參數(shù)進行顯示，并能反映程序運行及系統(tǒng)工 作狀態(tài)。 l e d 顯示塊是由發(fā)光二極管顯示字段組成的顯 示器，有共陽極和共陰極兩種( 1 4 , 1 5 。共陽極l e d 的發(fā) 光二極管陽極連接在一起，通常此公共陽極接正電壓， 當某個發(fā)光二極管的陰極接低電平時，發(fā)光二極管被 點亮，相應字段被顯示。電路如圖2 6 所示。采用兩 組l e d 顯示塊。 圖2 - 6l e d 顯示電路 單片機對l e d 管的顯示可以分為靜態(tài)顯示和動態(tài) 顯示。為了減少硬件開銷，通常采用動態(tài)掃描顯示。由于a t m e g a l 2 8 能輸出4 0 m a 的電流，可直接驅動數(shù)碼管，因此無需驅動電路，可直接與數(shù)碼管相連接。為使流過 數(shù)碼管的電流不至于過大，在p d 口與l e d 管腳之間接上2 2 0 q 的電阻。另外，p n p 三極管與p e 口的低六位及l(fā) e d 公共陽極相連，控制各位l e d 狀態(tài)。 2 3 4 數(shù)模轉換( d a ) 轉換電路 數(shù)模轉換( d a ) 轉換電路的作用是將單片機輸出的數(shù)字量轉換成模擬量來提供 基本控制電路所需的給定電壓。 在連續(xù)量控制場合，單片機輸出的數(shù)字控制量必須經(jīng)d a 轉換后才能驅動執(zhí)行 警筐鍪鍪r 置震置蓮蓮 第二章單片機系統(tǒng)總體電路設計 元件，從而實現(xiàn)單片機對系統(tǒng)的有效控制。 在本設計的焊機系統(tǒng)中，為 了實現(xiàn)釬焊過程的恒溫加熱，必 須實現(xiàn)根據(jù)溫度的變化來控制反 相晶閘管的關斷與導通，所以就 必須控制使晶閘管導通的觸發(fā)脈 沖。觸發(fā)脈沖的相位由給定的電 壓v k 的大小控制。因而必須由單 片機提供一個可以變化的電壓 值。為此就需要采用d a 轉換器 將單片機輸出的數(shù)字量轉換成模 擬量。在本文的設計中采用了8 位單片d a 轉換器d a c 0 8 3 2 來 產(chǎn)生電流，然后經(jīng)過比較器 c s 嘛 酬o d l l b l l m l e l a s i 蝴樣 “口 d u a l - i n - l i n ea n d s m a l l - o u t l i n ep a c k n q e s 圖2 - 7d a c 0 8 3 2 芯片封裝 c h 楫t i e i , , b y t 髭i t w 髓 x f 柏 嘲 珊e o i d i ，c 抽s b i 呻u n i 口盯l l m 3 5 8 ，將電流信號轉化成所需的電壓信號1 6 l 。 d a c 0 8 3 2 芯片結構如圖2 7 所示。此芯片是一種8 位單片d a 轉換器，它采用 r 一2 r t 型網(wǎng)絡轉換法，由二級緩沖器和d a 轉換電路組成，可直接與a t m e g a l 2 8 l 的 總線連接。輸入寄存器用來鎖存數(shù)據(jù)總線上送來的數(shù)據(jù)。當輸入鎖存允許控制信號 i l e ( 高電平有效) 、片選輸入信號c s ( 低電平有 效) 和寫控制信號1 w r 和寫控制信號2w r z ( 低 電平有效) 同時有效時，輸入寄存器中的數(shù)據(jù)送 d a c 寄存器，然后由d a 轉換電路進行轉換。最 后，在如。和，0 。端獲得模擬量的電流輸出信號。 然后經(jīng)二級運算放大器l m 3 5 8 ，轉換成所需的電壓 信號v k ，提供給觸發(fā)電路。圖2 - 8 是l m 3 5 8 的封 裝結構。 d a c0 8 3 2 與l m 3 5 8 的電路連接見圖2 - 9 。 2 3 5 溫度采集電路 p i nc o k n e c t l o n s o u t p u t h ，吣 v e r o n a ( 腳、j i b 帕 圖2 - 8l m 3 5 8 芯片封裝 在采集溫度時，選用了單片k 型熱電偶放大與數(shù)字轉換器m a x 6 6 7 5 。m a x 6 6 7 5 是m a x i m 公司推出的具有冷端補償?shù)膯纹琸 型熱電偶放大器與數(shù)字轉換器。 熱電偶作為一種主要的測溫元件，具有結構簡單、制造容易、使用方便、測溫范 圍寬。測溫精度高等特點。但是熱電偶應用在基于單片機的嵌入式系統(tǒng)領域時，卻存 在著以下幾個方面的問題： 忸 腳 卜 第二章單片機系統(tǒng)總體電路設計 圖2 - 9d a 轉換電路圖 非線性熱電偶輸出熱電勢與溫度之間的關系為非線性關系，因此在應用時 必須進行線性化處理。 冷補償熱電偶輸出的熱電勢為冷端保持為0 c 時與測量端的電勢差值，而 在實際應用中冷端的溫度是隨著環(huán)境溫度而變化的，故需進行冷端補償。 數(shù)字化輸出與嵌入式系統(tǒng)接口必然要采用數(shù)字化輸出及數(shù)字化接口，而作 為模擬小信號測溫元件的熱電偶顯然法直接滿足這個要求。因此，若將熱電偶應用于 嵌入式系統(tǒng)時，須進行復雜的信號放大、a d 轉換、查表線性線、溫度補償及數(shù)字化 輸出接口等軟硬件設計。如果能將上述的功能集成到一個集成電路芯片中，即采用單 芯片來完成信號放大、冷端補償、線性化及數(shù)字化輸出功能，則將大大簡化熱電偶在 嵌入式領域的應用設計。 g h d m a x i m 公司推出的m a x 6 6 7 5 即是一個集成了熱 ， 電偶放大器、冷端補償、a d 轉換器及s p i 串口的熱 t 電偶放大器與數(shù)字轉換器【1 7 】。 * c s o 囂 s 俅 l 、性能特點： 圖2 1 0 m a x 6 6 7 5 芯片封裝 m a x 6 6 7 5 的主要特性如下，封裝如圖2 - 1 0 所示： 1 ) 簡單的s p i 串行口溫度值輸出； 第二章單片機系統(tǒng)總體電路設計 2 ) 0 c + 1 0 2 4 的測溫范圍； 3 ) 1 2 位o 2 5 c 的分辨率； 4 ) 片內(nèi)冷端補償； 5 ) 高阻抗差動輸入： 6 ) 熱電偶斷線檢測； 7 ) 單- - + 5 v 的電源電壓； 8 ) 低功耗特性； 9 ) 工作溫度范圍 一2 0 + 8 5 1 0 ) 2 0 0 0 v 的e s d 信號。 2 、m a x 6 6 7 5 引腳功能： 如表2 - 1 所示，為m a x 6 6 7 5 管腳的功能。 表2 - 1m a x 6 6 7 5 管腳功能 引腳名稱 功能 1g n d 接地端 2t _ k 型熱電偶負極 3t + k 型熱電偶正極 4 v c c正電源端 5s c k 串行時鐘輸入 6c s 片選端，c s 為低時鐘、啟動 7s o 。 串行數(shù)據(jù)輸出 8n c 空引腳 3 、工作原理： m a x 6 6 7 5 的內(nèi)部結 構如圖2 一1 1 所示。該器 件是復雜的單片熱電 偶數(shù)字轉換器，內(nèi)部具有 信號調(diào)節(jié)放大器、1 2 位的 模擬數(shù)字化熱電偶轉換 器、冷端補償傳感和校 正、數(shù)字控制器、1 個s p i 兼容接口和一個相關的 邏輯控制。 1 ) 溫度變換圖2 - 1 im a x 6 6 7 5 芯片內(nèi)部結構 第二章單片機系統(tǒng)總體電路設計 m a x 6 6 7 5 內(nèi)部具有將熱電偶信號轉換為與a d c 輸入通道兼容電壓的信號調(diào)節(jié) 放大器，t + 和t 二輸入端連接到低噪聲放大器a 1 ，以保證檢測輸入的高精度，同時使 熱電偶連接導線與干擾源隔離。熱電偶輸出的熱電勢經(jīng)低噪聲放大器a 1 放大，再經(jīng) 過a 2 電壓跟隨器緩沖后，被送至a d c 的輸入端。在將溫度電壓值轉換為相等價的 溫度值之前，它需要對熱電偶的冷端溫度進行補償，冷端溫度即是m a x 6 6 7 5 周圍溫 度與0 * c 實際參考值之間的差值。對于k 型熱電偶，電壓變化率為4 1 i 】v * c ，電壓可 由線性公式v o u t - - ( 4 1 p v * c ) x ( t r - t a m b ) 來近似熱電偶的特性。上式中，v o u t 為熱電偶 輸出電壓( m v ) ，t r 是測量點溫度；t a m b 是周圍溫度。 2 ) 冷端補償 熱電偶的功能是檢測熱、冷兩端溫度的差值，熱電偶熱節(jié)點溫度可在o + 1 0 2 3 7 5 c 范圍變化。冷端即安裝m a x 6 6 7 5 的電路板周圍溫度，此溫度在2 0 。c + 8 5 c 范圍內(nèi)變化。當冷端溫度波動時，m a x 6 6 7 5 仍能精確檢測熱端的溫度變化。 m a x 6 6 7 5 是通過冷端補償檢測和校正周圍溫度變化的。該器件可將周圍溫度通 過內(nèi)部的溫度檢測二極管轉換為溫度補償電壓，為了產(chǎn)生實際熱電偶溫度測量值， m a x 6 6 7 5 從熱電偶的輸出和檢測二極管的輸出測量電壓。該器件內(nèi)部電路將二極管 電壓和熱電偶電壓送到a d c 中轉換，以計算熱電偶的熱端溫度。當熱電偶的冷端與 芯片溫度相等時，m a x 6 6 7 5 可獲得最佳的測量精度。在實際測溫應用時，應盡量避 免在m a x 6 6 7 5 附近放置發(fā)熱器件或元件，否則會造成冷端誤差。 3 ) 熱補償 在測溫應用中，芯片自熱將降低m a x 6 6 7 5 溫度測量精度，誤差大小依賴于 m a x 6 6 7 5 封裝的熱傳導性、安裝技術和通風效果。為降低芯片自熱引起的測量誤差， 可在布線時使用大面積接地技術提高m a x 6 6 7 5 溫度測量精度。 4 ) 噪聲補償 m a x 6 6 7 5 的測量精度對電源耦合噪聲較敏感。為降低電源噪聲影響，可在 m a x 6 6 7 5 的電源引腳附近接入1 只0 1 肛陶瓷旁路電容。 5 ) 測量精度的提高 熱電偶系統(tǒng)的測量精度可通過以下預防措施來提高： 盡量采用不能從測量區(qū)域散熱的大截面導線； 如必須用小截面導線，則只能應用在測量區(qū)域，并且在無溫度變化率區(qū)域用 擴展導線； 避免受能拉緊導線的機械擠壓和振動： 當熱電偶距離較遠時，應采用雙絞線作熱電偶連線： 在溫度額定值范圍內(nèi)使用熱電偶導線； 第二章單片機系統(tǒng)總體電路設計 避免急劇溫度變化； 在嚴劣環(huán)境中，使用合適的保護套以保證熱電偶導線； 僅在低溫和小變化率區(qū)域使用擴展導線； 保持熱電偶電阻的事件記錄和連續(xù)記錄。 6 ) s p i 串行接口 m a x 6 6 7 5 采用標準的s p i 串行外設總線與m c u 接口，且m a x 6 6 7 5 只能作為 從設備。m a x 6 6 7 5s o 端輸出溫度數(shù)據(jù)的格式如表2 2 所示，m a x 6 6 7 5s p i 接口時 序如圖2 1 2 所示。 表2 - 2m a x 6 6 7 5s o 端輸出數(shù)據(jù)的格式 卜 空標熱電偶設備 1 2 位溫度讀狀態(tài) 志位輸入身份 l 位 1 51 41 31 21 1 1 0 9 8 76543 2 1o i m s bl s b 0 三態(tài) 岱弋廠 。c k幾幾幾幾幾幾幾r n 幾幾幾n 幾nn s o c 二= ) ( = k ) o o c o ( c 3 ( ) ( 3 l ，、 d 1 5 d 3 d 2d 1d o 圖2 。1 2m a x 6 6 7 5s p i 接口時序 m a x 6 6 7