单片机在超声波恒功率控制中的应用

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压控放大电路 图3 ;>’#’ 封装及等效电路
电阻 & # 为压控电阻， 其阻值受控制电压 # ( 的控制 而变化 ! 放大电路的电压增益 ! % 与压控电阻 &# 近 万方数据 似成反比， 通过改变控制电压 # ( 的数值而可以控制 放大电路的电压增益 ! % ! 显然， ! % ! #! 控制电压 # ( 由单片机产生 ! 单片机通过检测超声波的实际输出 功率并与设定功率值作比较， 计算出输出功率偏差， 产生相应的控制电压 # (， 调节放大电路的电压增益， 使电路的输出功率趋近设定值 ! 在改造前， 超声波焊 接机遇到不正常焊接点时， 焊接阻抗增高， 会造成输 出功率不足， 导致焊接不良 ! 改造后， 对于大多数正 常焊接点， 电路只需按照设定的恒定电压输出即可， 此时， 单片机控制放大电路的电压增益 ! % ) #， 即相 当于改造前的工作模式； 只有当遇到不正常焊接点 时， 单片机控制放大的电路电压增益 ! % * #， 自动地 保证焊接质量良好 ! + , - 转换器 （#） + , - 转换器 ! 采用 ./0"1’& 具有两路输入的 分别对输出电压和电流进 1 位串行控制模数转换器， !"$ 行转换 ! 其工作电压由单一 2 3 " 4 供电， 双模拟通 道输入， 输入范围 " 5 3" 4， 与 ..0 或 /678 兼容， 转 换时间 ’&"! 9， 1 位分辨率 ! 该 + , - 转换器与单片机 接口非常方便， 只占用 ’ 根 : , 7 线 ! （&） 输出控制部分 ! - , + 转换器将单片机计算结 果转换成控制电压， 对压控放大器进行增益调节 ! 为 了简化电路， 采用精度为 1 位二进制的电压输出型 - , + 转换器 6+;3&&! !"% 给定值的设定
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存在问题与解决方法
机器面板上有输出功率调节旋钮， 由人工根据不
同的焊点来选择不同的焊接功率 ! 输出的功率调节 实际上是通过增益控制环节来控制输出超声波的电 压来实现， 本质上属于输出电压调节， 即恒压输出 ! 在通常情况下， 有经验的操作工能够根据焊点的特点 选择好焊接功率就能够正常焊接 ! 在实际焊接过程 中， 往往由于少数焊点表面清洁度不够高或表面光洁 度不够高， 使这些焊点的焊接负载阻抗偏高， 从而造 成输出功率减小， 焊接不良 ! 由于焊点是个别存在 的， 而且凭目视不易发现， 因而不易也不便通过人工 针对个别焊点调节输出电压 ! 通过以上分析不难看出， 由于焊点的阻抗不同导 致焊接功率的不稳定， 造成焊接质量的不稳定 ! 所 以， 如果能够控制焊接的功率恒定， 将可以克服以上 问题， 使所有的焊点都能够焊接良好 ! 于是我们对原 万方数据 焊接机电路进行了改造， 增加恒功率控制电路 !
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单片机恒功率控制电路
恒功率控制系统 恒功率控制系统框图电路如图 " 所示， 它的核心
控制部件采用 #$%&’ 单片机 ! 采样电路由精密检波、 有源滤波、 放大电路组成， 它将检测到的超声波输出 信号电压和输出信号电流通过 ( ) * 转换器送入单片 机， 计算出实际功率， 并与设定值功率相比较， 计算出 偏差和控制指令 ! 控制指令通过 * ) ( 数模转换器输 出控制电压， 此电压控制压控放大器电压增益， 使输出 功率始终稳定地保持在给定功率， 保证焊接质量 !
在集成电路芯片焊接工艺中， 目前国内有相当数 量的工厂使用采用模拟电子技术的超声波焊接机 ) 这 些焊接机的输出电压采用人工调节、 恒压输出， 其性能 在一般情况下能满足焊接要求 ) 在实际焊接过程中， 由于受少数焊点表面清洁度不够高等因素的影响， 使 该焊点的焊接负载阻抗偏高， 从而造成输出功率减小， 焊接不良 ) 针对上述问题， 我们采用单片机控制技术， 将原恒压输出改为恒功率输出， 以克服由于焊点负载 阻抗变化造成的焊接不良的问题 )
调整是通过 * ) ( 转换器对输出 电 压 的 调 整 来 实 现 的 ! * ) ( 转换器的输出电压控制压控放大器的增益， 对压控放大器的输出交流信号电压幅值进行实时调
第 &$ 卷
第C期
潘
明等
单片机在超声波恒功率控制中的应用
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整， 使输出功率稳定在设定值的范围内， 从而实现在 整个焊接脉冲高电平期间具有恒功率输出的效果 ! 压控放大器在控制电压为 " 时输出增益为 #! 当检测 到脉冲信号为低电平时， 表明机器停止焊接， 则单片 机停止对电压、 电流的检测和功率计算及控制 ! 压控放大器 !"# 压控放大电路如图 $ 所示， 该电路由运放同相放 大电路构成 ! 电路的电压增益为 !% " #" && " #% #$ &# （’）
收稿日期： !""!#"$#%" 作者简介： 潘 明 （%&$’ ( ） ， 男， 高级工程师， 硕士 )
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三峡大学学报 （自 然 科 学 版）
".." 年 ’" 月
出时间 ! 正弦信号经前置放大和功率放大后输出， 经 换能器转换成焊接能进行焊接 !
获得负载回路的电流值 ! 负载上的电压即功率放大 器的输出电压， 可直接测量 ! 通过分别对超声波输出 电流 ! 和输出电压 " 的检测， 经单片机计算可得到输 出功率 # + ! , " ! 超声波信号源输出的信号是频率约 为 -.!/01 的正弦波电压 ! 因此在进行 ( ) * 转换之前 要进行检波、 滤波和放大， 再将交流信号变为平滑的直 流信号 ! 本系统中采用由运算放大器组成的精密检波 电路和低通有源滤波器对被测信号进行前端处理 ! "#" 单片机控制程序 单片机中的程序主要分为两部分： 主程序和检测 控制处理程序 ! 在主程序中进行系统初始化、 读出数 据存储器串行 23456"7%." 中的功率设定值 #. ， 存 入单片机内部 4(6 相应单元 ! 单片机工作时进行按 键扫描， 如果有按键按下则进行相应的键处理， 修改 设定参数、 并存入串行 23456 中， 通过数码管显示功 率参数和脉宽参数 ! 在焊接过程中， 由传感器发出的触发信号接入触 发电路的同时， 通过单片机中断口 ) 89:. 和 ) 89:’ 接 入单片机， 分别作为 ’ 焊和 " 焊的控制信号 ! 当检测 到这两个信号时， 单片机分别对 ’ 焊和 " 焊的输出功 率进行检测、 计算和控制 ! 在脉冲信号高电平期间， 单片机通过两路 ( ) * 不断地对功率输出端的电压和 电流进行检测， 计算出当前输出功率为 # $ ! % " 并与设定值 #. 进行比较， 即 （’）
单片机在超声波恒功率控制中的应用
潘 明 梁维铭
$*%""*） （桂林电子工业学院 计算机系，广西 桂林
摘要： 介绍一种单片计算机控制的恒功率控制超声波焊接加工电路 ) 在原恒压输出电路基础上， 增 加单片计算机控制的恒功率控制电路， 实时检测输出功率， 调节控制压控放大器增益， 控制电路的 输出电压， 实现输出超声波功率保持恒定 ) 消除由于焊接点表面阻抗不稳定对焊接质量的影响 ) 采用偏差算法， 控制响应快速， 效果良好 ) 关键词：超声波； 恒功率； 控制； 压控放大器； 单片机 中图分类号：+,-./ 文献标识码：0 文章编号： （!""!） %""’#’"/% ".#"$!"#"-
图 % 超声波信号源电路结构框图
超声波发生器含有频率调整电路和锁相环， 能够
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超声波信号源工作原理
输出频率稳定的超声波正弦波信号 ) 超声波正弦波信 号经过射极跟随器进行电流放大后， 通过增益控制电 路分为两路送到多路开关， 触发脉冲控制多路开关选 择输出相应的超声波信号， 脉冲持续时间即超声波输
超声波信号源电路结构如图 % 所示 ) 焊接过程 中， 当焊头接触集成电路芯片时， 传感器发出触发信
低 电 平 有 效； ;>’#’ 引 脚 说 明： , /8 为 片 选 端， “增加” 输入端， 负边沿触发； , :@/为 ? , - 为 ’ A 方向 控制端 ! ? , - 为高电平， ’ A 向阻值增加方向滑动； ?, - 为低电平， ’ A 向阻值减小方向滑动 ! ;>’#’ 输入逻辑真值表如表 # 所示 !
!""#$%&’$() (* +$),#-./0$" 1$%2(%(3"4’-2 ’( 5#’2&6()$% /()6’&)’ 7(8-2 /()’2(##$),
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表& , /8 0 0 # B # , :@/ " " B ; 0 ;’!&! 输入逻辑真值表 ?, B 0 ; ; ; 方向 向上滑动 向下滑动 存储滑动位置 等待电流 不存储， 返回等待
在原电路中， 通过两个普通电位器调节波形发生 器输出正弦波的输出电压， 控制超声波输出电压， 从 而调节焊接芯片和焊接 </= 板时的输出功率 ! 采用 单片机控制以后， 要对给定值进行检测， 为满足数字 控制的需要， 我们采有具有 ’& 个抽头的数字电位器 通过单片机直接对其进行控制， 使检测控制 ;>’#’! 电路进一步简化， 更加便于控制 ! ;>’#’ 封装及等效电路如图 3 所示 ! ;>’#’ 是一个包含有 ’# 个电阻的电阻阵列 ! 在 每个单元之间和两个端点都有可以被滑动单元访问 的抽头点 ! 滑动单元位置由 , /8、 ? , - 和 , :@/ 三个输 入控制端 ! 滑动端的位置可以被存储在一个非易失存 储器中， 因而在下一次上电工作时可以被重& # 则应提高输出功率； 若 !# < .， 则应减小 若 !# ; .， 输出功率 ! 图 = 为中断子程序流程图 ! 输出功率的
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单片机恒功率控制系统框图
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输出功率检测 我们在功率放大器的输出端与换能器之间串接
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中断子程序流程图
一个采样电阻， 检测通过该电阻上两端的电压值间接