教学仪器设备的改造

摘 要：介绍了教学设备NBC系列抽头式气体保护焊机中控制板的改进、设计与实现过程,在保持原焊机控制板功能的前提下,为焊机交流控制、出气机构、送丝装置提供更可靠、稳定的控制信号.同时,确保硬件更简化,实现了“智能化”控制,在软硬件方面都做了改进、设计,同时对其他部分进行设计、选型、优化.

关 键 词 ：气保焊 控制板 单片机控制

教学仪器设备改造与设计是长期的多方有利的工作,主要介绍以下几方面：主控电路达到最简,主控器件使用单片机最小系统,简化了电路的设计,使主控系统达到最优.

1.系统简述

1.1 NBC系列抽头式焊机简述

图1 NBC-250/350结构简图

由NBC-250/350结构框图（如图1所示）可见,该系列气体保护焊机主电路由三相动力电经交流接触器接通后,由三相主变压器降压后,再经三相全桥整流,滤波电路滤波后,提供焊接电源.而控制电路板要控制交流接触器、送丝装置,使整机系统协调工作.

本文围绕此控制板进行分析、设计、改进.

1.2 改进前的焊机控制板简述

原控制板主要由电源电路、PWM产生电路、逻辑判断电路、功率驱动电路、交流控制电路等组成.

电源电路为常见的三端稳压电路,24 VAC电源,经整流、滤波后,经7812稳压、滤波后,形成稳定的直流电源,给主要控制部分提供持续可靠的电源.

控制板驱动直流电机欠稳定,造成吐丝不匀、丝红热等现象.硬件复杂,故障率较高.控制板成本较高.软件升级困难.鉴于控制板的以上不足,决定调整其结构.

1.3 改进、设计、调整后的方案概述

调整后的控制板,主要由电源电路、主控器件、驱动电路、开关控制电路等组成.

电源电路与原控制板方案相似,都是采用78系列三端稳压形成直流电源,主控器件采用R芯片—ATtiny26,ATtiny26是基于增强R RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器.数据吞吐率高达 1MIPS/MHz,从而解决了系统在功耗和处理速度之间的矛盾.具有一整套的编程与系统开发工具,包括：宏汇编、程序调试器/软件仿真器、仿真器及评估板.

驱动电路选用的场效管,具体型号为IRFP250,IRFP9140,正常工作情况下,IRFP250接受主控芯片ATtiny26送来的PWM信号而决定自身的通断,IRFP250饱和导通时直流电机吸收能量加速,IRFP250截止时直流电机释放能量减速.当焊机停止送丝时,IRFP250截止,而IRFP9140导通,以短路直流焊机,起到刹车作用.IRFP9140的驱动信号由主控芯片ATtiny26经内部运算给出.

开关控制电路采用交流固态继电器代替原系统电磁继电器,使其工作更稳定、寿命更长.

1.4 方案比较及确定（见表1）

由表1可见,调整后方案所用的硬件数量要比原系统少很多,这就大大简化了控制板的硬件电路,降低了成本,而且实现了硬件的可再升级功能.

注：R代表电阻,C代表电容,D代表二极管,V代表三极管,IC代表集成电路

驱动控制部分,改进、调整前采用达林顿对管,这样造成其需要的驱动信号大,给逻辑判断电路带来不必要的负载,抗干扰能力也差.驱动部分由达林顿管改为IFR系列开关场效管,驱动电路直接与单片机接口,进一步简化了硬件电路.

把改进、调整前复杂的逻辑判断电路功能交给主控芯片ATtiny26完成,其内含11路单通道AD、两路高速PWM、2K的Flash存储器等资源,可以完成系统所需的功能.

开关部分采用固态继电器,可与单片机直接接口,最大优点就是没有机械触点、寿命长、可靠性高、响应快.可以解决此部分故障率高的缺陷.

综合改进、调整前控制板,分析及实验可得出调整、设计后方案有以下优点：

（1）硬件电路简单,开发成本低；

（2）维护、维修方便,可利用软件升级产品；

（3）器件可靠性提高,各部分故障率降低；

基于以上优点,最终确定了改进、设计后控制板方案.

2.硬件电路设计部分

系统的组成如图2所示：

2.1 主控芯片、交流开关驱动器件的选取及介绍

ATtiny26有一个片内的10位AD转换器,可以实现7路AD输入,片内有一个PLL可以产生64 MHz的高频PWM时钟频率,有ISP口支持在线编程,是精简指令集处理器,选定ATtiny26作为主控器件.

原系统采用的普通电磁继电器故障率高,选用交流固态继电器控制.

设计中此部分控制器件要用单片机控制,固态继电器可以用单片机直接控制,输入、输出隔离,抗干扰能力较强.最终选定交流固态继电器GTJ11-1,参数见表2.

2.2 电机驱动器件的选取及设计

原系统采用达林顿对管组成直流电机驱动电路,而本设计的选型为IRF系列大功率场效应管.

根据开关管数据手册,选择了IRFP250,IRFP9140.其中IRFP250为N沟道场效应管,IRFP9140为P沟道场效应管,由输出特性曲线可知,此两种型号的场效应管以作开关为主要用途,开关特性非常好,自身功耗较低,最大的优点是可以直接与单片机接口,驱动速度快,信号稳定,可以与主控芯片协调工作.

其中焊机附带的直流电机的参数为65 W,24 VDC,通过比对得到结论,该选型符合要求,选型合理.

2.3 电源电路的设计

设计中采用的电源稳压电路为常见电源电路,采用常见的7805三端集成稳压电路,外加较少的器件,用合成的全桥整流器,经其整流后,电容滤波,送入7805输入端,再经电容滤波,最终输出稳定的5 V直流电源.

2.4 控制板总体布局设计

本设计布局原则为“强弱隔离,减少干扰”.尽量减少信号之间的干扰,减少电路板上打孔的数目,使制作成形的电路板布局合理,外观简单,原控制板的PCB面积为192 cm2,调整后PCB面积为110 cm2,减小了82 cm2,大大降低了设计成本.

3.软件部分

本设计采用结构化程序设计,这种程序便于编写、阅读、修改和维护,减小了程序出错的几率,提高了程序的可读性,保证了程序的质量.实施方法为：自顶向下；逐步细化；模块化设计；结构化编程.程序流程图如图3所示.

4.实验部分结果及分析

调整前控制板理论频率为1 kHz,实验结果是低速、高速时频率较稳定,但中速波动较大,频率跳跃到10 kHz左右.

调整后控制板频率稳定在20 kHz,误差较小.

由实验结果得出：调整后的控制板驱动电机性能较好（如图4a和图4b所示）.

5.结束语

主要介绍了教学仪器改进与设计,包括硬件、软件以及重要的布局处理.

在硬件方面,充分考虑各方面因素,选型时将安全系数适当提高,保证硬件的可靠持续运行,在程序方面,采用结构化程序设计,自顶向下,逐步细化,模块化设计,结构化编程.这样的程序便于编写、阅读、修改和维护.减少了程序出错的几率,提高了程序的可读性,保证了程序的质量.教学仪器设备的改进使教学实验设备各项性能得到了较大的提升,应用于实验教学中,提升了实验教学水平和教学质量,效果良好.