单片机应用原理及特点

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：目前在单片机市场上，8位单片机和32位的ARM嵌入式微处理器占据的市场份额达70%以上。在单片机市场中，代表性的产品有MCS-51系列产品，其中ATMEL公司的AT89C51/C52两个系列8位单片机在焊接领域应用较为广泛。1994年ATMEL公司以其E2PROM和Intel公司的80C31单片机核心技术进行交换，从而取得80C31核的使用权。

单片机具有3个基本功能，即数值计算、数值分析和实时控制功能。采用单片机控制后，通过不同的控制算法可以获得弧焊电源的各种外特性；通过编程可实现任意复杂工艺的顺序控制；可以采用各种控制算法实现焊接参数的最优控制和匹配；利用现场通信技术可进行双机协同控制，实现双丝高速焊接；通过以太网IP接口技术可以实现焊接电源设备的远程管理、维护和升级。

1.单片机的选型

自从1975年世界上第一台单片机诞生以来，已经发展了四代。按数据总线的位数来分，将单片机分为4位、8位、16位和32位机。20世纪70年代后期，开始出现第一代4位单片机，它们是采用NMOS制造的，如INTEL公司的MCS-48系列。20世纪80年代初期，第二代8位单片机，采用CMOS工艺制造，并逐渐被高速、低功耗的HMOS工艺代替，如MCS-51，目前仍是市场的主流产品之一。第三代单片机出现了新特点：由可扩展总线型向纯单片型发展；多个CPU集成到一个MCU中；从并行总线发展出各种串行总线；工作电压降到3.3V，功耗更低、可靠性更高。FLASH的使用，标志着MCU技术进入了第四代。目前在单片机市场上，8位单片机和32位的ARM嵌入式微处理器占据的市场份额达70%以上。

总体上看，美国著名公司的单片机技术仍处在领先的地位，特别是在高端产品方面，高性能的单片机新产品不断推出。而日本在单片机制造业方面也有相当的优势，也在积极争夺家电产品的大客户。韩国及我国台湾地区的一些公司在引进消化美国技术的基础上，以低价位的兼容产品占领市场。美国的8位单片机有68HC05和升级产品68HC08，16位机68HC16，32位单片机683XX系列；由于Intel公司在嵌入式应用方面将重点放在186、386、奔腾等与PC类兼容的高档芯片的开发上，8051类单片机主要由Philips、三星、华邦等公司接产；Scenix单片机在I/O模块的处理上引入了虚拟I/O的新概念；Zilog面向低端应用的低价位Z8单片机；ATMEL公司的AVR单片机；STC的8051兼容的STC89单片机；日本NEC单片机8位78K系列单片机，NEC着重于服务大客户；东芝的特点是从4位机到64位机门类齐全。

在焊接过程控制中最常采用8位单片机，一是其价格低廉，二是其性能可满足大多数焊接方法的控制需求。在单片机市场中，代表性的产品有MCS-51系列产品，其中ATMEL公司的AT89C51/C52两个系列8位单片机在焊接领域应用较为广泛。1994年ATMEL公司以其E²PROM和Intel公司的80C31单片机核心技术进行交换，从而取得80C31核的使用权。AMTEL公司把自己先进的Flash技术和80C31核相结合，从而生产出了Flash单片机。

MCS-51单片机具有以下特点：集成了对事件控制专门优化过的8位CPU，可方便地用于需要事件控制的场合；均具有布尔处理能力，使工业现场经常需要的位运算和操作变得非常简单；片上集成有多种外设，例如定时/计数器、串行口、可编程计数器阵列（PCA）等，为低成本、低芯片连线数设计提供了可能。MCS-51有经典系列和扩展系列两大类，经典系列的主频为12MHz和16MHz；扩展系列在代码和引脚上和经典系列完全兼容，主频为24MHz和32MHz。在MCS-51系列的基础上又发展了8XC51RA/RB/RC，与经典MCS-51相比，具有以下特点：片内又增加256B的RAM，使片内RAM达到512B；增加了硬件看门狗定时器，使硬件设计更加可靠、更符合规范。

PIC单片机具有RISC的哈佛总线结构。数据线和指令线是完全分开的，程序和数据的存储可以采用不同的宽度，实现单字节指令，可以对程序和数据同时进行访问，其指令包含更多的处理信息，执行效率更高，速度也更快。与传统的采用CISC结构的8位单片机相比，可以达到2∶1的代码压缩，速度提高4倍。该芯片采用二级流水线结构，实现了单周期指令，大大提高了程序的执行能力。同时，该芯片还有保密性好、带看门狗定时器用来提高程序运行的可靠性、带有睡眠和低功耗模式的特点。

2.单片机控制实现的功能

焊接过程采用单片机控制后，通过软件编程，大大丰富了控制系统的功能，增加了控制系统的灵活性和适应性，其主要功能如下：

（1）外特性控制通过不同的算法可获得恒流特性、恒压特性、不同的斜率外特性、组合的外特性和输出线能量的任意控制，以满足各种弧焊方法和应用场合的需要。

（2）动特性控制通过软件编程可以实现PI或PID调节器，在反馈量中加入电流变化率（di/dt），可以控制电流的上升速度，使其符合焊接工艺的动态性能特征，使熔滴过渡稳定和减少飞溅。控制电流的变化率就相当于在电路回路里串联了一个可变的电抗器，也称为电子电抗器。软件编程更加灵活，不仅能改善系统的动态性能，还能减小弧焊电源体积和重量。

（3）预置焊接参数可以将焊丝材料与直径、工件材质与板厚、保护气体成分等预置在单片机系统的ROM存储器中。焊接时，操作人员可通过面板选择具体的焊接参数，单片机系统根据记忆再现，并在焊接过程中监控这些焊接参数。

（4）实现“一元化”调节功能针对某一焊接方法，在不同焊接规范下进行大量的焊接工艺试验，找出焊接参数之间的最佳匹配。在焊接时，仅用单旋钮选择焊接电流（送丝速度），其他焊接参数与之配合实现一元化调节，而不必逐个调节焊接参数。

（5）对焊接电流波形的控制通过软件编程实现PID、模糊逻辑等控制算法，在焊接过程实时采集电流波形，可以实现CO₂焊的STT波形控制，脉冲MIG焊的脉冲参数控制等。

（6）对焊接工艺程序的控制和焊接故障报警如对先通气后通电、引弧、电流的递增和衰减等工艺程序进行控制，以及对焊接过程中可能产生的粘丝、熄弧、过流、过压、过热、触嘴等故障进行诊断和报警。

3.单片机控制的特点

焊接过程采用单片机控制后，性能更好，功能更全，与传统焊接过程控制相比，具有以下特点：

（1）便于采用各种先进的控制算法采用软件编程，不仅可以实现常规PID控制算法，而且可以实现自调整参数PID、自适应控制等更加先进、更加智能化的控制算法，从而提高弧焊电源的控制精度和抗干扰的能力，智能化水平更高。

（2）控制更加灵活、系统升级方便采用单片机控制后，弧焊电源的许多控制功能可以通过软件编程实现，便于升级，只要修改软件，不必改硬件，大大缩短了设计开发周期，节约研发成本。

（3）控制电路的元器件数量明显减少随着单片机的集成度的不断提高，以前需要专用IC和分立元件实现的功能，可以在一块单片机内实现，有的甚至配有多通道PWM、CAN总线控制器，这样，只要很少的外围电路就能实现所需的各种控制功能。

（4）控制系统的可靠性高且易于实现标准化采用单片机后，许多模拟信号的处理被数字信号处理所代替，使控制系统的可靠性得到大大提高。对于某一系列的产品，可以采用同一套硬件控制电路板，而软件可以采用模块化设计，提高生产效率。在产品开发时，根据不同的焊接方法，修改有关参数，并将所需要的软件模块组合起来即可实现相应的焊接工艺。软硬件均可方便地实现标准化。

（5）存储能力强且便于实现一机多用多数单片机中集成了多种大容量的存储器，如RAM、ROM、EEPROM、FLASH等。在控制系统中就可以存放不同的焊接工艺应用程序及控制参数，这样就可以实现一机多用。

（6）系统一致性好且便于生产制造采用单片机实现信号的数字化处理，不会出现模拟器件中因温飘和时飘等带来的差异问题，使产品的一致性好，便于调试和生产制造。

4.单片机控制的原理

焊接过程控制主要可分为以下几个模块：焊接参数控制；信号检测电路；故障报警与处理电路；人机界面；通信电路。单片机在控制电路中处于核心地位，是控制系统的中枢大脑，它控制着几个模块按一定的规则协调有序地工作。

焊接过程单片机控制系统是由模拟量输入输出通道、数字开关量输入输出通道、键盘输入和数字显示输出通道、通信接口等组成，各部分的功能如下：

1）模拟量输入通道：电弧电压、焊接电流、焊接速度等模拟量的实值检测。

2）模拟量输出通道：电弧电压、焊接电流、送丝速度、焊接速度及备用通道。

3）开关量输入通道：用于检测过流、过压、过热、缺相和风机停转等各种故障信号。

4）开关量输出通道：用于启动、应答、送气、送电、引弧、送丝及停止、故障报警等程序控制。

5）通信接口：与机器人、专机或PC微机进行通信的串行接口，有SPI、I²C以及高速CAN总线通信。

6）人机接口：键盘显示、参数给定等。

如图5-1-1所示为采用STC公司89C58RD+作为主控芯片进行焊接过程控制的系统结构图。这款单片机是STC推出的新一代超强抗干扰、高速、低功耗产品，具有以下特点：指令代码完全兼容传统8051单片机，工作频率可达50MHz以上。配置包括36个I/O口，32K的Flash程序存储空间，16K+的E²PROM，片上集成1280字节的RAM，ISP功能，UART，8路A/D通道，看门狗，内部集成MAX810专用复位电路等。

图5-1-1 STC 89C58RD+结构图

MCU及外围电路包括供电设计、AD芯片、DA芯片、UART串口设计，以及气阀开关、送丝开关的设计。单片机控制过程如下：由键盘直接输入焊接参数，或借助于多圈电位器从基准电源产生电压信号，并经过A/D转换输入焊接过程的焊接参数，然后通过键盘或控制开关发出焊接指令。这时，单片机接上弧焊逆变器、送丝机、保护气体等设备的有关控制通道，并发出提前送气指令，然后是引弧指令，引弧成功后，单片机自动把电流从小递增到预定值。若是TIG焊，焊接电流通过电流反馈实现恒流特性控制。若是熔化极气体保护焊，微机控制系统通过对电弧电压、焊接电流信号的采集比较，使焊接速度和电弧电压调节到预定值。待工件预热（工件厚度和电弧电压较大时才需预热）到一定时间后，单片机发出启动行走机构指令，并输出一定数值的焊接速度信号，开始正常焊接。在焊接过程中，单片机实时数字显示焊接电流及电弧电压值（包括空载电压），自动进行焊接过程中的焊接参数变换。收弧时，单片机发出收弧指令，进行收弧处理（包括电流衰减、滞后送气等）。收弧完毕，单片机进入焊接结束状态，并关闭所有通道。若在焊接过程中或焊接结束后检测到故障信号，则以中断方式供单片机进行处理，中断一切工作，发出报警信息，并显示故障原因，以便操作者查找并排除故障，待故障排除后方可以再次进行焊接。

5.单片机控制系统的实现

在单片机控制的弧焊电源中要执行多重控制任务，如时序控制、波形控制、通信、键盘显示、故障报警等，运算量较大，对实时性要求很高，因此对单片机控制系统有以下要求：

1）单片机系统有较高的运算速度，由于系统运行的是实时多任务软件，要对焊接电流、电弧电压进行控制，需要实时采集电弧电压、电流信号，并对数据进行计算处理，发出相应的控制量。因此要综合考虑微处理器的指令处理速度、主频、A/D、D/A、片上存储器速度的适当匹配。

2）对于熔化极气体保护焊，送丝系统除保证其快速的动态响应性能以及送丝平稳等要求外，还要使其速度可调范围宽、结构简单可靠。

3）弧焊电源本身是一个强干扰源，加之焊接环境条件差，外界干扰源多，必须采取合理的抗干扰措施，才能保证控制系统的正常工作。

4）在设计单片机控制系统时，要综合考虑控制器的成本、性能价格比、体积等因素。

为了提高系统的可靠性，系统采用功能模块化设计、模块功能单一化等措施。弧焊电源单片机控制系统的硬件设计包括以下方面：

1）单片机控制系统输入输出模拟量和开关量及其通道数量的确定。

2）单片机控制系统的硬件结构。

3）弧焊电源与微机的接口。

单片机系统控制的对象是弧焊电源及设备，为了确保安全可靠工作，实现高质量焊接，需要对输入输出模拟量和开关量及其通道数进行合理设计。

单片机控制的多功能数字化焊机主要由主电路、驱动电路和控制电路组成。主电路的主要功能是将电网的三相交流380 V整流后进行中频桥式逆变，再经二次整流后输出，输出电流可高达500A。驱动电路主要功能是驱动逆变回路中的绝缘栅型大功率晶体管（IGBT），同时具有过热、过流等情况时封锁脉冲的保护功能。控制系统为焊机的核心部分之一，实现焊机工作的工艺时序和控制功能，如起弧、焊接、收弧、热起弧和短路控制等。

图5-1-2为单片机控制的弧焊电源硬件系统结构框图，包括由整流滤波电路、IGBT全桥构成的逆变主电路、控制电路、送丝驱动、人机交互系统等部分。

图5-1-2 单片机控制的弧焊电源硬件系统结构框图

单片机应用原理及特点

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