李分秋 吴为麟
(浙江大学电气工程学院 杭州 310027)
摘 要：主要介绍了一种新型电熔焊机的智能控制系统的研制过程, 对硬件部分及软件部分分别进行阐述, 对调试过程中出现的问题也做了详细的分析。系统主要由微处理器(MCS251) , EEPROM (A T24C256) , 条形码扫描器, 汉字微型打印机,LCD 大屏幕液晶器以及其他外围电子线路组成。实验表明, 控制系统具有运行稳定, 界面友好, 人机对话更加方便等优点。
关键词：开关电源 智能控制 液晶显示 条形码扫描
1 引 言
随着经济的不断发展, 人们对大功率开关电源的要求也越来越高。传统电熔焊机控制系统能耗大, 并且输出电压一般采用交流, 对工作场地的电压稳定性要求过高, 抗干扰能力差, 亟待研究开发性能更好的智能控制板。电力电子技术和嵌入式系统的不断发展, 为研制大功率高频逆变电源奠定了基础。控制板采用精密数码测控技术, 智能诊断焊接工作参数及实时打印和记录数据; 良好的稳压系统, 不受工作环境限制, 欠压欠流自动保护功能, 自动进行温度补偿, 大屏幕液晶显示, 界面更友好, 人机对话更方便; 大容量存贮器, 可存储1000 个焊接记录, 随时提供查询; 可通过条形码扫描仪修改输出参数, 手动自动均可, 使用更方便。
2 控制系统硬件部分设计
硬件结构图如图1 所示, 系统主要包括微控制器(winbond78e58b) , 系统监控电路, 信号采样电路, 存储器(E2PROM ) , 条形码扫描以及大屏幕液晶显示电路等。下面对部分硬件的设计进行介绍。
2.1 CPU 介绍
CPU 使用的是WINBOND公司的高性能8位单片机W78e58b, 引脚与80c52兼容并提供256B的内部RAM以及32kB的FLASH EEPROM, 从而使系统不需扩展外部存贮器便可满足控制板程序的容量需求。
程序可以直接放入片内, 不必在片外另加ROM 存储器, 既缩小了电路板的面积又提高了程序的运行速度(程序在片内, 读取速度快)。
2.2 系统监控电路
使用大功率开关电源的场合, 干扰往往很严重, 主要是外部供电电源的工频干扰和高频开关电源的脉冲干扰, 微控制器有可能会受到这些干扰而不能正确执行指令, 甚至会陷入死循环。为了防止由此导致的系统瘫痪, 在控制系统中加了复位芯片X5045P, 它集成了看门构计数器、电压检测和4k的E2PROM 三种功能,降低了系统成本并节约了硬件电路空间。看门狗为微控制器提供了一个相对独立的保护系统, 可以根据设定计数器的溢出时间, 在主程序中在适当的位置设置喂狗指令, 如果程序超过预设的时间而没能执行这条指令, RESET 引脚便会输出高电平使与之相连的微控制器复位, 重新初始化并恢复到正常运行状态。
X5045P 还有低电压检测功能, 当电源电压低于限定值时, 整个系统复位, 直到电源电压恢复到正常值并保持稳定。
2.3 存贮器
系统中采用了I2C 总线扩展串行E2PROM AT24C256。AT24C256是256kb(32k×8位)串行存取的电擦除的只读存贮器, 每页可写32 字节, 具有二线串行接口, 在I2C 总线上做从件使用, 功耗低, 在电压低到118V 的情况下仍能正常工作, 广泛应用于工业领域。记录相关的控制参数, 包括设定的电压参数(电压值和持续时间) , 使用的时间日期, 环境温度等, 存贮读取的速度快, 容量大, 可以记录1000 个焊接记录, 掉电后信息不会丢失, 随时查询, 方便快捷。
2.4 条形码扫描仪
条形码扫描仪采用CIPHERLAB(串口) , 通过扫描预加热器件的条码来获取加热的参数(器件规格, 加热电压, 加热时间, 冷却时间等) , 它具有敏锐的条形码读取功能, 更强的恶劣环境适应性(温度, 湿度) 与抗震耐摔能力, 超高分辨率, 更适于读取高密度与低对比度条形码。
扫描仪与单片机的通信为串口通信, 因为扫描仪的电平不是标准TTL 电平, 因此要加一个电平转换接口电路, 在电路设计时可采用74hc04 做电平转换接口使其转换为0～ 5V 的标准TTL 电平, 使用之前应先设置好信的接口和通信波特率。
2.5 液晶显示部分
液晶提供了一个方便的人机交互接口, 它主要用来显示使用者的信息, 以及一些相应的信息显示, 如工号, 器件序号, 相应的电压及电流信息, 故障信息等。采用HG1926421 图形点阵液晶显示器, 它主要由行驱动器/列驱动器及192×64 全点阵液晶显示器组成, 可完成图形显示, 也可以显示12×4 (16×16 点阵) 汉字。与CPU 接口, 采用8 位数据总线, 并行输入输出和8 条控制线。首先要对液晶进行初始化设置, 包括显示模式设置, 显示开关设置, 显示缓冲设置。调试时应先调试单个字符显示和单个汉字显示, 然后调用这两个子程序调试字符串显示和多个汉字显示。
3 软件部分设计
3.1 功能子程序设计
软件部分由初始化程序, 功能子程序和主程序组成。调试时可针对硬件的某个部分进行有针对性的调试, 对将来的硬件改型和软件升级都提供了较大的方便。在实现所有的功能之后, 最重要的是如何构造一个有机的主程序模块, 将这些零散的模块组织起来, 进行系统的初始化工作, 功能子程序的结构如图2 所示。
3.2 电压和电流采样算法设计由于控制的对象为高频开关电源, 故其脉冲干扰比较严重, 如果对电压和电流信号采用一般的平均值法, 干扰会被“平均”到结果中去, 故平均值法不易消除由于脉冲干扰而引起的误差。为了加快测量的速度, 一般N的值取6, 剔除****值和最小值后还剩4个数, 然后进行算术平均, 即先对采样来的数值用“冒泡法”进行排序, 去掉两头的数值(****值和最小值) , 再对有效的4个数取平均:
式中: y (k)——第k次4个有效数值的算术平均值;x(i)——第i 个采样有效数值;
4 抗干扰设计
由于这种大功率开关电源多用于野外作业, 供电环境较为恶劣。大功率开关的通断, 电网上会出现尖峰脉冲, 这种尖峰脉冲经交流电源窜入计算机, 常使计算机程序跑飞, 出现莫名其妙的故障, 使系统处于瘫痪状态。此外, 还由于开关电源会发出电干扰和磁干扰, 信号线与电源线彼此感应产生干扰, 会使信号发生误差,甚至会使信号完全淹没等。尤其在D/A 和A/D 转换电路中要特别注意地线的正确连接, 否则干扰会很严重,D/A 中输出的参考电压偏差非常大, 导致开关电源实际输出的电压值出现严重偏差,D/A 芯片提供了独立的数字地和模拟地, 但数字地和模拟地必须连在一点上, 在其他的电路中不能再有公共点, 还有供电电源电压两端可以采用钽电容滤波, 并且尽量靠近芯片。具体的测试结果如表1、表2 所示。
优先采用抗干扰性能较好的串口通讯的外围元件, 同时减少外围元件, 使电路板布线简单, 稳定性提高。
电源设计方面采用开关电源, 并且要与被控制的开关电源相互独立, 220V输入之前加EMI滤波器, 可以很好的抑制输入端的瞬态干扰。
5 结 论
该智能控制系统经过测试表明, 性能稳定, 程序强健, 能适应恶劣的工作环境, 人机对话直观方便, 同时该设备还具有温度补偿; 数据存储、打印功能, 并提供条形码读入功能, 整体设计轻巧, 美观, 是燃气、供水、埋地输送聚乙烯管道及化工原料液体输送、污水处理等聚丙烯、天然气管道工、工程维修、路桥建设等野外无电源焊接作业的理想控制系统。 |
