基于PIC單片機的CO2焊機數字化控制系統

1 引言
CO2氣體保護焊自從上世紀五十年代問(wèn)世以來(lái)，就以高效、節能、低成本等特點(diǎn)受到人們極大的關(guān)注，已廣泛應用于汽車(chē)、造船、航空航天、石油化工機械、農機和動(dòng)力機械等制造部門(mén)[1]。目前使用的CO2焊機主要有抽頭式、晶閘管式和逆變式等幾種型式，其中，抽頭式焊機在國內仍占有不小的市場(chǎng)份額。近些年來(lái)，隨著(zhù)計算機和自動(dòng)控制技術(shù)的快速發(fā)展，現代CO2焊機已從傳統的分立元件控制向集成化、數字化和智能化控制方向轉變，以適應焊接技術(shù)不斷發(fā)展的需要。
本研究用性?xún)r(jià)比高、抗干擾能力強的PIC單片機來(lái)控制抽頭式CO2焊機，通過(guò)軟件實(shí)現對焊機送絲速度和工作時(shí)序的數字化控制，并使其具有點(diǎn)焊、斷續焊、二/四步控制等多種功能，以降低控制電路的復雜性、增強焊機的工作可靠性。
2 PIC單片機簡(jiǎn)介
PIC（Periphery Interface Chip）系列單片機是美國Microchip公司生產(chǎn)的產(chǎn)品[2, 3, 4]。PIC系列單片機的硬件系統設計簡(jiǎn)潔，指令精練，是一種與國內常用的MCS系列單片機截然不同的單片機。它采用哈佛總線(xiàn)結構、精簡(jiǎn)指令集RISC（Reduced Instruction Set Collection）技術(shù)，實(shí)現了指令的單字節化和單周期化，大大提高了CPU執行指令的速度和工作效率；它的I/O端口驅動(dòng)負載的能力較強，可以直接驅動(dòng)發(fā)光二極管LED、光電耦合器和小型繼電器等；并且這種單片機集成度高，可以最大限度地減少外圍擴展電路，實(shí)現純單片開(kāi)發(fā)應用，降低成本。
在本設計中，選用抗干擾能力強、I/O接口豐富的PIC16C711單片機作為控制系統的核心。這款單片機由68字節數據存儲器、1K×14個(gè)程序存儲器、4路A/D轉換通道、8個(gè)I/O口、1個(gè)定時(shí)/計數寄存器等組成，具有上電復位和降壓復位等功能。
3 系統硬件設計
根據CO2氣體保護焊工藝的要求，要求控制系統實(shí)現以下控制功能：
a) 焊接過(guò)程的時(shí)序控制；
b) 點(diǎn)焊/斷續焊/連續焊控制；
c) 焊接操作的二/四步控制；
d) 送絲電機的調速控制和能耗制動(dòng)控制。
設計的基于PIC單片機的控制原理框圖如圖1所示。在焊接過(guò)程中，單片機控制系統完成了送電、送氣、送絲、焊槍開(kāi)關(guān)狀態(tài)檢測、二/四步控制以及點(diǎn)焊/斷續焊/連續焊等的控制。

斷續焊長(cháng)度、斷續焊間距、送絲速度、滯后斷氣時(shí)間等的設定值經(jīng)過(guò)A/D通道讀入單片機，二/四步功能設定、焊槍開(kāi)關(guān)狀態(tài)檢測通過(guò)I/O口讀入單片機，焊機送氣、送電控制以及送絲電機的PWM調速控制與能耗制動(dòng)（停送絲控制）信號通過(guò)I/O口輸出。
因為在PIC16C711單片機中沒(méi)有直接輸出PWM信號的口，所以在設計時(shí)，把與送絲速度對應的數字量轉換成在RB2口輸出的周期一定、高低電平延遲時(shí)間不同的信號，形成PWM信號。另外，為了在焊接結束時(shí)避免焊絲直接插入熔池，電路設計有送絲電機能耗制動(dòng)快速停機功能。
4 軟件設計
本設計中控制軟件采用模塊化設計方法，以主程序為核心設置了許多功能子程序模塊，運行過(guò)程中通過(guò)主程序調用功能子程序模塊，簡(jiǎn)化了設計結構。主要的功能模塊有初始化程序、A/D轉換子程序、參數讀入子程序、時(shí)序控制子程序和各種延時(shí)子程序等。主程序流程框圖如圖2所示。
程序開(kāi)始時(shí)，焊機上電，單片機立即進(jìn)行各個(gè)端口的初始化工作，初始化完成后，單片機控制系統處于待命狀態(tài)，等待焊槍開(kāi)關(guān)按下。一旦焊槍開(kāi)關(guān)按下，焊接主電源接通，同時(shí)開(kāi)始送氣；延時(shí)一段時(shí)間后，調用焊接功能參數讀入子程序，即讀入事先在面板上設定的滯后斷氣時(shí)間，并判斷二/四步控制和焊接方式（點(diǎn)焊、斷續焊或連續焊）。然后，按照讀入的送絲速度開(kāi)始焊接。在焊接過(guò)程中，實(shí)時(shí)檢測送絲速度和焊接功能參數的變化，以便隨時(shí)調整送絲速度大小和焊接功能參數。焊接完成后，停止輸出PWM信號，通過(guò)能耗制動(dòng)迅速停止送絲，根據設定的滯后斷氣時(shí)間延遲斷氣，等待下一次焊接。
下面給出了PWM信號產(chǎn)生子程序的程序清單。