毕业设计-基于电磁兼容分析的数字化NBC逆变焊接电源单片机控制和显示电路的原理和设计

本科毕业设计(论文)题目基于电磁兼容分析的数字化NBC逆变焊接电源单片机控制和显示电路的原理和设计学院名称专业班级学生姓名导师姓名二〇一三年六月十日基于电磁兼容分析的数字化NBC逆变焊接电源单片机控制和显示电路的原理和设计作者姓名专业指导教师姓名专业技术职务目录摘要 摘要焊机数字化是目前焊机发展的主流方向，与原来模拟焊机相比，其采用可编程器件控制，实现了控制的柔性化，调节参数更加细致，功能更加强大，控制精度以及系统稳定性更是大幅提高。而IGBT逆变焊机大多采用PWM脉宽调制技术，此过程会产生很多电磁的干扰。由于电磁兼容性的危害严重，所以在设计焊机时必须采用相应的解决措施来降低电磁干扰。高效率、低谐波、低电磁污染、自动控制的智能型绿色焊接设备已成为未来焊机的发展方向。NBC逆变焊就是半自动熔化极气体保护焊，其采用可熔化的焊丝与工件之间的电弧作为热源来熔化焊丝与母体金属，并向焊接区输送保护气体，使电弧、熔化的焊丝、熔池及附近的母材金属免受周围空气的有害作用。本文在详细分析了逆变焊接电源电磁兼容性的基础上，利用AVR单片机（ATmega64）实现对电源的控制，主要体现在逻辑控制、按键处理、程序存储等功能。通过设计出单片机与控制面板键盘扫描、数码管驱动等硬件电路，实现使逆变焊接电源和控制面板正常工作的目的。关键词：数字化电磁兼容IGBT逆变电源AVR单片机ABSTRACTThemainstreamdirectionofthedevelopmentofthedigitalweldingmachineistheweldingmachine,comparedwiththeoriginalanalogweldingmachine,itadoptsprogrammablecontroldevice,realizesthecontrolflexibility,adjusttheparametermoremeticulous,morepowerful,controlaccuracyandsystemstabilityisgreatlyincreased.TheIGBTinverterweldingmachinemostlyadoptsthePWMpulsewidthmodulationtechnology,theprocesswillproducealotofelectromagneticinterference.Asthedangersofelectromagneticcompatibility,sowhendesigningtheweldermustadoptcorrespondingmeasurestoreduceelectromagneticinterference.Electromagneticpollution,highefficiency,lowharmonic,lowautomaticcontrolintelligentgreenweldingequipmenthasbecomethefuturedevelopmentdirectionofweldingmachine.NBCinverterweldingismeltsemi-automaticgasshieldedwelding,itsusecanbemoltensolderwirearcasheatsourcetomeltbetweenworkpieceandweldingwireandbasemetal,andtransmissionofprotectivegastotheweldingarea,makethearcandmoltensolderwire,moltenpool,andfromthebasemetalneartheharmfuleffectsofthesurroundingair.Thisarticleintheinverterweldingpowersourceareanalyzedindetail,onthebasisofelectromagneticcompatibility,usingAVRmicrocontrollerATmega64controlsystemforthepowersupply,mainlyreflectedinthelogicalcontrol,keyprocess,programstorage,etc.Throughthedesignthesingle-chipmicrocomputerandthecontrolpanelkeyboardscanning,digitaltubedriver,suchashardwarecircuit,makingthepurposeoftheinverterweldingpowersourceandthenormalworkofthecontrolpanel.Keywords：Digitalization;EMC(ElectroMagneticCompatibility);IGBT;Inverter;AVRSinglechip第一章绪论1.1逆变焊机技术的发展现状和趋势逆变焊接电源重量轻、体积小，既节能又省材，特别是拥有良好的控制性能，动态响应较快，易于对焊接过程进行实时的控制，在性能上有很大的潜在优势。国内外焊机界已经广泛采用逆变电源，特别是数字化逆变焊接电源。1.1.1逆变焊机的发展历史作为焊接过程主要设备的焊接电源，已有百年的发展历史。焊机电源先后经历了弧焊发电机，二极管整流电源，可控硅整流电源，以及现阶段主要流行的逆变焊接电源的发展过程。随着科学技术的日益进步，逆变焊接电源中的功率器件也由最初的半控器件（SCR）发展为现如今的全控型器件，如MOSFET（功率场效应管）、IGBT（绝缘栅晶体管）等。在我国，逆变焊机的逆变频率也由最初80年代的2kHz~5kHz提升至现在的20kHz~50kHz。1.1.2逆变技术的应用现状逆变焊接电源主要有单端式、半桥式、全桥式以及组合式等几种电路形式。控制策略一般以PWM为主，功率开关器件多为IGBT，逆变频率为20kHz，输出电流也达到了2kA，功率器件的工作方式也有硬开关工作方式和软开关工作方式两种。但是，硬开关工作方式功率器件开关应力大，损耗大，可靠性低，同时，逆变回路向外界的电磁辐射干扰也大。相比之下，软开关工作方式利用LC谐振的方法，零电压（流）关断，零电压（流）开通，开通损耗为零，开关应力也几乎消除，可靠性得到了显著地提高。特别是数字化技术在逆变焊机上的成功应用，对焊机的发展起到很重要的意义。焊机数字化是目前焊机的发展方向，它是在原来模拟焊机的基础上，采用可编程控制器件，并结合目前焊机的一些不足进行了数字化改造，数字化焊机实现了柔性化控制，调节参数更加细致，功能更加强大。具有控制精度高，系统稳定性好，产品一致性好，功能升级方便，良好的人机界面，能与上位机通讯等优点。1.1.3逆变焊机的发展方向逆变式焊机总的发展趋势是向着大容量、轻量化、高效率、模块化、智能化发展并以提高可靠性、焊接性能及拓宽用途为核心，愈来愈广泛应用于各种弧焊、电阻焊、切割等等工艺中。1）采用混合FPGA开发的专用控制芯片，继续提高电焊机的可靠性。根据不同的焊接材料和工艺建立专家系统，进行焊接特性精细控制，提高焊接效率。方波电源向低噪声，多波形方向发展。气体保护焊机向低飞溅、高熔敷率发展，实现高效率双丝脉冲MIG，交流MIG，脉动送丝与溶滴过渡协同控制等焊接方式。2）国内电焊机的逆变频率基本上是20KHz，20KHz的逆变频率已经不能满足精细控制的动特性要求，提高逆变器的工作频率，提高动特性成为焊接电源特性进一步提升的途径。3）逆变式弧焊设备在工作时会产生较大的谐波污染，目前在欧盟市场销售的弧焊设备及辅助设备必须通过CE认证，其所依据的标准即包含电磁兼容(EMC)的要求。因此针对于逆变式弧焊设备的测试和研究非常迫切和重要。4）嵌入式系统在电焊机上的应用，实现友好的人机界面，具有网络接口进行数据交换。5）机器人配套焊接电源。1.2电磁兼容性分析在数字逆变焊机电源设计中的必要性1.2.1电磁兼容性概念分析电磁兼容性（EMC）是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。因此，EMC包括两个方面的要求：一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值；另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性。所谓电磁干扰是指任何能使设备或系统性能降级的电磁现象。习惯上说，EMC包含EMI（电磁干扰）和EMS（电磁敏感性）两个方面。由上分析，我们便可以知道，逆变焊机中的电磁兼容既包括电磁干扰对焊机本身的影响（电磁敏感性），又包括焊机对外界的影响（电磁干扰）。1.2.2电磁干扰的危害随着电力电子器件的不断问世和新型焊机的不断涌现，出现了晶闸管整流焊机、模拟式逆变焊机和数字化逆变焊机等，弧焊电源向着高效化、智能化和大容量化的方向发展，同时也产生了大量电磁干扰问题：如高频噪声、谐波、切断设备时产生的瞬时噪声和接通负载时的冲击电流等。这不仅影响了焊接设备自身工作的可靠性，同时也对电网造成了污染。以焊机中心器件单片机为例，电磁干扰对单片机系统的作用主要体现在三个部位。第一个部位是输入，电磁干扰使模拟信号失真，数字信号出错；第二个部位是输出，电磁干扰使输出信号混乱，不能反映真实的输出；第三部位是系统内核，电磁干扰使三总线上的信号混乱。以上影响会导致控制失误，程序出错，造成一系列严重后果。由于电磁兼容性的危害严重，所以在设计焊机时必须采用相应的解决措施来降低电磁干扰。高效率、低谐波、低电磁污染、自动控制的智能型绿色焊接设备已成为未来焊机的发展方向。1.3设计方案NBC逆变焊就是半自动熔化极气体保护焊，其采用可熔化的焊丝与工件之间的电弧作为热源来熔化焊丝与母体金属，并向焊接区输送保护气体，使电弧、熔化的焊丝、熔池及附近的母材金属免受周围空气的有害作用。1.3.1熔化极气体保护焊的组成半自动熔化极气体保护焊一般由焊接电源、送丝机构、焊枪、气表等器件构成。图1-1工作接线图其工作时一般采用反接法，工件接负极，焊接时，飞溅小，焊接效果好；采用正接法时，飞溅较大，焊接电源不稳定。1.3.2焊机控制面板介绍焊机的控制面板用于焊机的功能选择和部分参数设定。控制面板包括数字显示窗口、调节旋钮、按键和发光二极管指示灯。图1-2焊机控制面板图1）功能选择区【2】焊丝直径选择按钮可根据焊丝直径选择φ1.0、φ1.2、φ1.6，相应指示灯亮。【3】工作方式选择按钮二步工作方式：按下焊枪开关可正常焊接，松开开关即可停止焊接。适合于段焊缝焊接；四步工作方式：按下焊枪开关引弧成功后，可松开开关正常施焊。当再次按下焊枪开关后，则转入前面板旋钮设定的收弧焊接规范，松开开关时停止焊接。适合于长焊缝焊接。图1-34/2步工作方式时序图点焊工作方式：按下焊枪开关引弧成功后，经过点焊时间后自动停止焊接。如果在点焊期间松开开关，则马上停止焊接。【4】调节方式选择按钮选择分别、一元化调节方式。分别调节时，电压电流分别由送丝机控制器对应旋钮调节；一元化调节时，电压随电流给定自动匹配，用电压给定旋钮可进行电压微调。【5】实芯/药芯焊丝选择按钮【6】气检按钮按下该按钮送气30秒，30秒内再次按下时，停止送气。【7】丝检按钮按下该按钮时送气，松开时停止送气。参数设定区【8】电感旋钮该旋钮可以改变焊接稳定性、熔深和飞溅量。【9】收弧电压旋钮四步时，调节收弧电压。【10】收弧电流/点焊时间旋钮四步时，调节收弧电流。点焊时调节点焊时间：0.5~5秒。3)存储/显示区【1】电压显示数码管显示电感、电压（空载时显示预置电压，焊接时显示实际焊接电压）。【14】通道显示数码管显示0~9通道号，用户根据需要存储、调用10套焊接规范。【15】电流显示数码管显示送丝速度、电流、点焊时间。【16】焊接状态指示灯调节焊接规范参数时，焊接指示灯亮，数码管显示焊接规范；调节收弧规范参数时，收弧指示灯亮，数码管显示收弧规范；停止调节3秒后，收弧指示灯熄灭，数码管显示焊接规范。组合键功能介绍图1-4组合键示意图【】提前送气、滞后停气时间调节组合键调节提前送气或滞后停气的时间。同时按下“电感”旋钮和“气检”按钮，进入提前送气时间调节功能菜单，此时电流显示数码管显示功能代码“P03”，“S”指示灯亮。调节“收弧电压”同时按下“电感”旋钮和“气检”按钮两次，进入滞后停气时间调节功能菜单，此时电流显示数码管显示功能代码“P04”，“S”指示灯亮。调节“收弧电压”【】慢送丝速度、回烧时间调节组合键调节不同焊丝直径的回烧时间或慢送丝速度。同时按下“电感”旋钮和“焊丝直径”按钮，进入慢送丝速度调节功能菜单，此时电流显示数码管显示功能代码“P02”，“M/Min”指示灯亮。调节“收弧电压”调节范围0.8焊丝：0.5～2.9M/Min1.0焊丝：0.5～2.9M/Min1.2焊丝：0.5～4.2M/Min1.6焊丝：0.5～2.9M/Min同时按下“电感”旋钮和“焊丝直径”按钮两次，进入回烧时间调节功能菜单，此时电流显示数码管显示功能代码“P01”，“S”指示灯亮。调节“收弧电压”【】显示预置电流和预置送丝速度切换组合键切换显示预置电流和预置送丝速度同时按下“收弧电流”和“收弧电压”旋钮1秒，电流显示数码管将在显示预置电流和预置送丝速度之间切换。【】调用当前焊丝直径标准规范组合键调用当前焊丝直径标准规范。同时按下“收弧电压”旋钮和“电感”旋钮1秒，当前所选用焊丝直径标准规范被调用，有助于用户试用及维修焊机。按下调用键退出。【】恢复出厂设置合键焊接参数恢复出厂设置。同时按下“收弧电流”旋钮和“电感”旋钮3秒钟，焊接参数均恢复到出厂设置。第二章电磁兼容性分析逆变焊机是当今焊机发展的潮流，而逆变焊机的电磁兼容性是制约其发展的一个重要因素。电磁兼容性的研究，是指使电子设备在电磁场环境中能相互兼顾并能正常工作。随着电力电子器件的不断问世和新型焊机的不断涌现，数字化逆变焊机随之诞生。随之而来的是大量的电磁干扰问题，这在数字化逆变焊机中尤为突出。如高频噪声、谐波、切断设备时产生的瞬时噪声和接通负载时的冲击电流等。这不仅影响了焊接设备自身工作的可靠性，同时也对电网造成了污染。由于电磁兼容性的危害严重，所以在设计焊机时必须采用相应的解决措施来降低电磁干扰。高效率、低谐波、低电磁污染、自动控制的智能型绿色焊接设备已成为未来焊机的发展方向。2.1硬件系统的电磁兼容性分析2.1.1逆变焊机电磁骚扰的主要来源1)输入整流引起的低频谐波骚扰图[2-1]是IGBT逆变焊机主电路简图，由图可知三相380V电源进入焊机首先要经过三相整流桥QL1整流和C2滤波，滤波电容器的等效容量一般在50～1000µf之间，在采用大电容器滤波的整流滤波电路中，整流二极管导通时间较短，滤波电容充电电流瞬时峰值大，电流波形为近似尖脉冲，使50Hz正弦电流波形发生畸变，产生谐波电流。图2-1全桥逆变焊机简图由逆变器引起的高频骚扰大多数工业应用的IGBT逆变焊机主电路采用了20kHz全桥或半桥逆变电路，焊机的逆变器开关器件、快恢复整流管、主变压器在运行时均会产生频率较高的电磁骚扰，高频骚扰可通过线路和多种途径耦合传输以外，以电磁场的形式向外辐射的强度远大于低频谐波骚扰，对使用金属外壳的焊机而言，由于机壳的屏蔽作用，这些有害辐射的受害者往往是焊机本身，向外辐射一般只能通过输入电缆、焊接电缆实现。在IGBT逆变焊机中，IGBT在很高的电压下以高频开关方式工作，开关电压、电流均接近方波，方波含有丰富的高次谐波，其频谱可达基波频率的1000次以上，辐射能力大大提高。用于次级整流的快恢复二极管也是产生高频骚扰的一个重要原因，整流管工作于高频开关状态时，由于二极管的引线寄生电感、结电容的存在，以及反向恢复电流的影响，使之工作在很高的电压及电流变化率下，且产生高频震荡。由次级整流快恢复二极管产生的高频骚扰很容易通过焊机输出端馈出。2.1.2逆变焊机电磁骚扰的解决办法无源LDC滤波电路无源滤波一般由电感、电容组成的LC滤波网络来实现。为了解决LC滤波电路的潜在谐振问题，在输入滤波电感上并联一续流二极管D1，可抑制LC振荡的产生，故称之为LDC滤波电路。LDC滤波电路由L1、C1、D1组成，电路结构如图[2-2]所示。图2-2加装LDC滤波电路的逆变焊机主电路无源滤波电路材料成本低，运行稳定可靠，容量大，适用于大部分逆变焊机，虽然其谐波滤除率一般只有80％，对基波的无功补偿也是有限的，但通GB15579.10-2008规定的电流谐波畸变率测试已卓卓有余，是目前解决IGBT逆变焊机谐波电流发射最简单、有效的手段之一。软开关逆变技术逆变电源的软开关工作方式是指利用LC谐振的方法，在开关过程中使开关管两端电压或开关管中的电流为零，使其开关损耗约为零。不仅降低了期间运行时的结温，更是减少了电磁干扰，从根本上克服了硬开关IGBT逆变电路的缺点。图2-3带有软开关的移相谐振式逆变电路如图[2-3]所示，Q3Q4为超前臂，Q1Q2为滞后臂，Q1Q2Q3Q4选用大功率IGBT管。C10C11为超前臂并联电容，C7为抑制环流电容，L3为饱和电感，T1为变压器。与传统的移相谐振式电路不同点是：主回路是不对称电路，传统的移相谐振式电路谐振电容是相等的，而这个电路中，超前臂并联电容，滞后臂无并联电容，在主变压器原边回路中增加了抑制环流电容C7和饱和电感L3，用来产生零电流关断和零电流开通的条件。软开关实现的驱动波形如下图所示：图2-4驱动波形图其工作过程大致分为八个阶段，前四个和后四个是对称的。阶段1Q1，Q4导通，电流通路为:阶段2Q4截止，电流通路为：Q4两端电压上升，电流由支路Q4转到支路C11。阶段3当Q4两端电压至E时，D3（Q3内部反并联二极管）导通，电流通路为：阶段4Q1截止。另外半个周期的工作状况是对称的。单路转双路的脉冲分频电路在AVR内部的PWM模块产生一路频率恒定、占空比可调的PWM后，可以输入可编程逻辑器件（GAL）后经内部分频输出两路PWM，再经驱动电路输出到功率开关器件。PWM转化电路如图[2-5]所示，D触发器为一个基本分频单元，输入端D与输出反相端～Q相连，就组成了对输入PWM脉冲进行二分频的分频器。转换器件主要是D触发器和与非门。图2-5PWM转化原理图软硬件相结合，通过对单路PWM信号分频实现双路脉冲输出，提高了电源抗干扰性能，增强了焊机可靠性和稳定性。4)选择适当的电路参数和功率器件首先应该IGBT、FRD（快恢复二极管）或FRED（外延型快恢复二极管）吸收、保护电路的参数进行优化设计，并通过实验验证，把IGBT、FRED关断时的dv/dt、尖峰电压限值在尽量低而合理的水平上，为了取得良好的效果，吸收、保护电路的电阻应为无感电阻，电容器应采用凸波吸收电容器。快恢复二极管反向恢复造成的电磁骚扰还可以通过选择恢复时间短、恢复特性软的器件获得一些改善，例如FRED就较一般的FRD在恢复时间、反向电压等方面有一定的优势。另外，二次整流滤波部分增加机架电容版的架设可以有效防止电缆上的干扰信号窜入焊机，导致反馈信号不准确。线路中加入小磁环，也可以很大程度上较少信号干扰的危害。5)PCB电磁兼容性的有效注意措施PCB设计中存在的电磁干扰主要有传导干扰、传音干扰和辐射干扰等三种，为了有效抑制这些干扰的影响，我们一般需做如下处理：旁路电容、去耦电容和储能电容的合理加入；合理分层，PCB的合理分层不但可以降低系统的射频发射，更可以提高系统的性能，最典型的就是保证信号的完整性；合理布局，印制电路板上各种单元的相互位置直接影响电路的电磁兼容性，因此要根据单元电路在使用中对电磁兼容性的敏感程度的不同进行分组，按组对电路板进行分割，让同组元器件放在一起，这样在空间上可以保证各组之间不产生相互干扰；合理布线，电源线、信号线、地线都应得到合理的布局。2.2基于电磁兼容性的软件系统分析软件抑制干扰同样有多种方法，常用的方法有以下几种：数字滤波模拟信号必须经A/D转换为数字子信号后才能为单片机接受。当模拟信号受到干扰作用后，A/D的转换结果将偏离实值。仅采样一次，结果不可靠，必须经多次采样，得到A/D转换的数据系列，再通过数字滤波，才能获得可信度较高的结果。指令冗余指令冗余可以在CPU受到干扰，引起程序混乱时尽快将程序纳入正轨。其方法是在编程时尽量多采用单字节指令，且在关键地方人为地插入一些单字节指令（NOP），或将有效单字节指令重复书写。在双字节指令和三字节指令后面插入两条NOP指令不被拆撒，而被完整执行，使程序恢复正常。常在一些对程序流向起决定作用的指令前插入两条NOP指令，以保证跑飞的程序回归正确轨道。3)软件陷阱指令冗余使跑飞的程序恢复正常应具备两个条件：第一，程序跑飞后仍落在程序区；第二，必须执行到所设置的冗余指令。当地一个条件不满足时，可以采取设立软件陷阱的方法进行补救。软件陷阱安排在以下地方：未使用的中断向量区。未使用的大片ROM空间。表格。程序区。当第二个条件不满足时，程序陷入一个临时形成的死循环，软件陷阱将失去作用。这时可以采用设置软件监视定时器（软件看门狗）的方法使程序回归正规。通常程序都是循环执行，且每次执行时间基本相同。监视定时器的作用就是用于监视程序执行时间，一旦程序因某些原因运行超时，则强行将程序转到初始化重新启动。2.3逆变焊机在实际使用过程中相关的电磁兼容注意事项1)概述焊接会引起电磁干扰，通过采取适当的安装方式和正确的使用方法，可使弧焊设备的干扰发射减到最小。数字化NBC逆变焊接电源属A类设备（适用于除由公用低压电力系统供电的居民区之外的所有场合），不适用于由公用低压电力系统供电的居民住宅。由于传到和辐射骚扰，在这些地方难以保证电磁兼容性。环境评估建议在安装弧焊设备前，用户应对周围环境中潜在的电磁骚扰问题进行评估。考虑事项如下：在弧焊设备上下和四周有无其他供电电缆、控制电缆、信号和电话线等；有无广播和电视发射和接收设备；有无计算机及其他控制设备；有无高安全等级设备，如工业防护设备；要考虑周围工作人员的健康，如有无戴助听器的人和用心脏起搏器的人；有无用于校准或检测的设备；要注意周围其他设备的抗扰度。用户应确保周围使用的其他设备是兼容的，这可能需要额外的保护措施；进行焊接或其他活动的帮助。所考虑环境的范围依据建筑物结构和其他可能进行的活动而定，该范围可能会超出建筑物本身的边界。减少发射的方法弧焊设备应按照制造商推荐的方式接入公用供电网络；弧焊设备应按照制造商推荐的方法进行例行维护；焊接电缆应尽量短并相互靠近，紧靠或贴近地面走线；一定要注意周边环境中所有金属物体的搭接问题，等电位搭接；工件尽量直接接地或按照有关规定接地；对周围设备和其他电缆有选择的进行屏蔽，以减少电磁干扰。第三章系统硬件设计3.1主要元器件的选型与介绍3.1.1单片机型号的选择单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路，即片上外设部分）通过总线集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统。图3-1单片机构成示意图AVR单片机是由ATMEL公司研制开发的，具有增强型内置Flash的RISC（ReducedInstructionSetCPU）精简指令高速8位单片机。AVR单片机可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通信设备、家用电器等各个领域。概述低开发成本；安全、高速、低功耗的性能；A/D转换功能：AVR单片机内带模拟比较器可以进行A/D转换；（51系列单片机需要扩展）具有较强驱动力的I/O口：工业级产品具有大电流10~40mA，可直接驱动可控硅或继电器；精简指令集；内部包含计时器外部中断、PWM、异步通讯URAT接口、SPI同步传输功能。选型AVR单片机系列功能齐全，可适应各种不同场合的要求。AVR单片机大致有以下3个档次：低挡Tiny系列AVR单片机，主要有Tiny11/12/13/15/26/28等；中档AT90S系列AVR单片机，主要有AT90S1200/2313/8515/8535等；高档ATmega系列AVR单片机，主要有ATmega8/16/64/128等。本次设计选用ATmega64AVR单片机。ATmega64单片机特点产品特性：高性能、低功耗的8位AVR微处理器先进的RISC结构130条指令，大多数指令执行时间为单个时钟周期32个8位通用工作寄存器全静态工作工作于16MHz时性能高达16MIPS只需两个时钟周期的硬件乘法器非易失性程序和数据存储器64K字节的系统内可编程Flash擦写寿命:10000次具有独立锁定位的可选Boot代码区通过片上Boot程序实现系统内编程真正的同时读写操作2K字节的EEPROM擦写寿命:100000次4K字节片内SRAM64K字节可选外部存储空间可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密通过SPI接口进行系统内编程JTAG接口(与IEEE1149.1标准兼容)符合JTAG标准的边界扫描功能支持扩展的片内调试功能通过JTAG接口实现对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程外设特点两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器两个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的扩展16位定时器/计数器具有独立振荡器的实时计数器RTC两路8位PWM通道6路编程分辨率从1到16位可变的PWM通道8路10位ADC8个单端通道7个差分通道2个具有可编程增益（1x,10x,或200x）的差分通道面向字节的两线接口可编程的串行USART可工作于主机/从机模式的SPI串行接口具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器片内模拟比较器特殊的处理器特点上电复位以及可编程的掉电检测片内经过标定的RC振荡器片内/片外中断源6种睡眠模式:空闲模式、ADC噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby模式以及扩展的Standby模式软件选择时钟频率熔丝位选择的ATmega103兼容模式全局上拉禁止I/O和封装53个可编程的I/O口64引脚TQFP封装，与64引脚MLF封装工作电压ATmega64L：2.7-5.5VATmega64：4.5-5.5V速度等级ATmega64L：0-8MHzATmega64：0-16MHzATmega64ATmega64图3-2ATmega64引脚4)ATmega64单片机引脚说明VCC数字电路的电源GND地端口A(PA7...PA0)端口A为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口A处于高阻状态。端口B(PB7...PB0)端口B为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口B处于高阻状态。端口C(PC7...PC0)端口C为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口C处于高阻状态。在ATmega103兼容模式下，端口C仅作为输出，且在复位状态下，端口C不是高阻态。端口D(PD7...PD0)端口D为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口D处于高阻状态。端口E(PE7...PE0)端口E为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口E处于高阻状态。端口F(PF7...PF0)端口F作为A/D转换器的模拟输入端。当不使用A/D转换器时，端口F为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口F处于高阻状态。如果JTAG接口使能，即使复位出现引脚PC7(TDI)、PC5(TMS)与PC4(TCK)的上拉电阻被激活。除去移出数据的TAP态外，TD0引脚为高阻态。端口F也是JTAG接口。在ATmega103兼容模式下，端口F仅作为输入。端口G(PG4...PG0)端口G为5位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口G处于高阻状态。端口G也可以用做其他不同的特殊功能。在ATmega103兼容模式下，这些引脚仅作为外部存储器的选通信号及32kHz振荡器的输入，复位后，即使时钟还未起振，异步状态下，引脚初始值为PG0=1、PG1=1、PG2=0。PG3与PG4为振荡器引脚。RESET复位输入引脚。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。持续时间小于门限间的脉冲不能保证可靠复位。XTAL1反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。XTAL2反向振荡放大器的输出端。AVCCAVCC是端口F与A/D转换器的电源。不使用ADC时，该引脚应直接与VCC连接。使用ADC时应通过一个低通滤波器与VCC连接。AREFA/D的模拟基准输入引脚。PENSPI串行编程模式的编程使能引脚。在上电复位时保持该引脚为低，芯片进入SPI串行编程模式，在正常工作时，PEN无效。3.1.2数码管驱动及键盘控制芯片CH4511)概述CH451是一个整合了数码管显示驱动和键盘扫描控制以及μP监控的多功能外围芯片。CH451内置RC振荡电路，可以动态驱动8位数码管或者64位LED，具有BCD译码、闪烁、移位等功能；同时还可以进行64键的键盘扫描；CH451通过可以级联的串行接口与单片机等交换数据；并且提供上电复位和看门狗等监控功能。图3-3CH4512)特点显示驱动●内置大电流驱动级，段电流不小于25mA，字电流不小于150mA。●动态显示扫描控制，直接驱动8位数码管或者64位发光管LED。●可选数码管的段与数据位相对应的不译码方式或者BCD译码方式。●数码管的字数据左移、右移、左循环、右循环。●各数码管数字独立闪烁控制。●通过占空比设定提供16级亮度控制。●支持段电流上限调整，可以省去所有限流电阻。●扫描极限控制，支持1到8个数码管，只为有效数码管分配扫描时间。键盘控制●内置64键键盘控制器，基于8×8矩阵键盘扫描。●内置按键状态输入的下拉电阻，内置去抖动电路。●键盘中断，低电平有效输出。●提供按键释放标志位，可供查询按键按下与释放。其他●高速的4线串行接口，支持多片级联，时钟速度从0到10MHz。●串行接口中的DIN和DCLK信号线可以与其它接口电路共用，节约引脚。●完全内置时钟振荡电路，通常不需要外接晶体或者阻容振荡。●内置上电复位和看门狗Watch-Dog，提供高电平有效和低电平有效复位输出。●支持低功耗睡眠，节约电能，可以被按键唤醒或者被命令操作唤醒。

●支持3V～5V电源电压。

●提供SOP28和DIP24S两种无铅封装，兼容RoHS。

●引脚及功能基本兼容4线接口方式的CH452芯片。3.2逆变电源单片机的控制电路设计3.2.1主回路设计与分析1)数字化逆变焊机基本工作原理先将三相380V交流电进行整流，经功率因数校正器校正后成为520V左右的直流电，再通过IGBT逆变器逆变成为20kHz中频交流电,经过变压器降压,二次整流成直流输出供焊接使用。本系统采用电压电流双闭环反馈,恒压输出。3-4工作原理框图简图3-5数字控制原理框图2)数字化逆变焊机主回路电源电路3-6数字化逆变焊机主回路电源电路3.2.2各组成部分分析1)输入整流滤波部分图3-7输入整流滤波部分电路图空气开关采用动力型（D系列），以免电容充电或短时间过流时造成瞬时电流过大导致跳闸。压敏电阻起到过压保护的作用，当直流母线电压过高时，保护其他器件不会被击穿。滤波电容在不同场合选择的电容类型不同，一般情况下，均采用聚丙烯电容滤波：在发电机供电的场合，需要加装电解电容滤波。为减少输入整流引起的低频谐波骚扰，图中特意增加了无源LDC滤波电路，L5、D5、C16示。2)逆变电路部分图3-8逆变部分电路图Q3、Q4为超前臂，Q1、Q2为滞后臂，Q1、Q2、Q3、Q4选用大功率IGBT管。C10、C11为超前臂并联电容，C7为抑制环流电容，L3为饱和电感，T1为变压器。与传统的移相谐振式电路不同点是：主回路是不对称电路，传统的移相谐振式电路谐振电容是相等的，而这个电路中，超前臂并联电容，滞后臂无并联电容，在主变压器原边回路中增加了抑制环流电容C7和饱和电感L3，用来产生零电流关断和零电流开通的条件。电流互感板的作用是检测流过IGBT中的电流。详细工作过程在第二章中已经介绍过，在此便不再赘述。（参见P9~P10）二次整流滤波部分图3-9二次整流滤波部分电路图二次整流采用中心轴头式全波整流电路，与全桥整流相比，即可以节省两只二极管，有减少焊机自身的损耗，提高焊机效率。换流电感（L4）为超前臂电容放电，防止超前臂导通时将并联电容的能量加在IGBT上，导致IGBT损坏。机架电容版（EMC）可以防止电缆上的干扰信号窜入焊机，导致反馈信号不准确。供电电路部分首先通过电源变压器降压，输出低压交流电。然后再经过控制板整流桥整流，三端稳压器输出。图3-10供电电路保护电路部分焊机中的保护主要有：过热保护、过流保护、过压保护措施。过热保护通过温度继电器实现，保护IGBT、快恢复二极管等器件，一般采用常闭温度继电器，当温度过高时，温度继电器断开，光耦断开，过热信号为高电平，切断至驱动板的信号，逆变器停止工作，同时保护灯亮。图3-11过热保护电路过流保护通过电流互感板检测过流IGBT中的电流，与驱动板中的三角波进行比较，当IGBT中的电流过大时，脉冲将被限制输出，达到保护IGBT的目的。图3-12过流保护电路3.3数字化控制面板电路的设计原理框图（单片机功能：是整个系统的大脑，主要起逻辑控制、按键处理、程序存储等作用）：图3-13总体构架图单片机系统图3-14单片机系统电路图中分别设计了单片机的下载口、晶振、复位电路等最小系统。2）数码管驱动图3-15数码管驱动CH451对数码管和发光管采用动态扫描驱动，顺序为DIG0至DIG7，当其中一个引脚吸入电流时，其它引脚则不吸入电流。CH451内部具有大电流驱动级，可以直接驱动0.5英寸至2英寸的共阴数码管，段驱动引脚SEG0～SEG6分别对应数码管的段A～段G，段驱动引脚SEG7对应数码管的小数点，字驱动引脚DIG0～DIG7分别连接8个数码管的阴极。3）键盘扫描原理图键盘扫描：单片机控制图3-16键盘扫描原理图4）LED显示原理图LED显示：单片机控制图3-17LED显示原理图5）旋转编码器原理图旋转编码器：用于电流、电压参数的调节，及面板参数选择。按下时：4-5触电通，旋转时，1、2、3脚起作用。旋转时测量1-2或3-2，电压会随着转速的提高而降低（供电电压为DC5V）。图3-18旋转编码器原理图第四章系统软件设计4.1焊接主程序框图在焊接主程序里完成以下工作：1)输入输出初始化设置；2)通过查询方式,捕捉开始焊接信号；3)结束焊接中断设置；4)焊接过程的顺序控制；5)调用焊接过程控制程序。将程序的控制权交给焊接控制程序；6)程序跳转到1)。图4-1焊接主程序流程图4.2焊接控制程序框图1）控制时序及状态（自锁）：图4-2控制时序图t1-t2：前气时间(0.1s)。t2-t3：开关按下，无电流，开始慢送丝。t3-t5：慢送丝100ms。t3-t4：有电流，引弧输出，大小决定于焊丝直径及送丝速度。t4-t5：引弧电流衰减，输出电压小于15V或到达t5时刻时，转为正常焊接。t5-t6：正常工作。t6-t7：开关松开，仍然正常工作。t7-t8：开关再次按下，转为收弧状态。t8-t10：回烧和去球时间（0.3s），电压衰减到14V。非自锁时：时序参见上图，焊枪开关通时起弧焊接，断开时熄弧、去球、停机。2）焊接控制程序如图[4.2-2]所示,其中完成以下工作：预置的给定焊接参数采集。起弧控制按照预置的参数,输出合适的PWM（PWM输出程序详见附录2）,以便顺利完成焊接起弧。燃弧控制按预置参数输出合适的燃弧PWM脉宽，采集输出电压。根据采集到的电压判断系统是否处于熄弧状态，如果处于熄弧状态，程序重新跳转到(2)；系统是否处于燃弧状态，如果没有处于燃弧状态，程序跳转到(4)。否则焊接采样电压与给定电压做比较，根据比较结果调整PWM的脉宽。程序跳转到(3)。短路控制按预置参数输出合适的短路PWM脉宽，采集输出电流。依据采样焊接电流判断系统是否处于熄弧状态，如果处于熄弧状态，程序跳转到(2)；系统是否处于短路状态，如果脱离短路状态，程序跳转到(3)；输出电流是否已达最大，如果最大，输出PWM的维持脉宽；否则作此次采样焊接电流与上次采样焊接电流之差，依据差值输出PWM的脉宽。同时，在短路中判断焊接是否结束，以实现收弧控制。在焊接控制程序设计中，通过简单易行的电流、电压检测，判断实时状态及其可能的变换,相应地分别实现短路电流和燃弧电压控制。焊接控制程序运行完毕，断点返回，程序的控制权重新转到焊接主程序。如果在焊接控制程序里焊枪开关动作，将进入焊接结束中断程序，禁止PWM输出、结束焊接时序控制和设置焊接结束标志，断点返回，重新回到焊接控制程序中。图4-3焊接控制程序4.3旋转编码器流程图旋转编码器流程图如下：图4-4旋转编码器流程图4.4键盘扫描流程图键盘扫描流程图：图4-5键盘扫描流程图第五章总结与展望5.1总结数字化逆变焊机较之模拟焊机，面板上电流、电压调节采用旋转编码器，取代原来的电位器。轻触开关取代船型开关，一体化的控制面板取代分立器件组成的面板。电流反馈采用霍尔电流传感器，与主回路电路完全隔离。并且参数调节更加方便，功能更加强大，能够以简单的硬件电路通过编程完成较为复杂的控制功能。依靠简单的硬件电路，全部功能由控制程序决定，这实现了系统的柔性化。最重要的，其功能的升级不再依靠硬件电路的改变，而是通过软件编程的升级，节省了大量人力、财力，使升级变得更容易。本设计在实现数字化NBC逆变焊接电源控制和显示的基础上，着重分析了焊接电源的电磁兼容性问题。通过在硬件上添加无源LDC滤波电路、单路转双路的脉冲分频电路，以及软开关逆变技术的使用和PCB设计技巧的应用等途径；软件上，数字滤波、指令冗余、软件陷阱等措施的加入；以及在实地焊接应用过程中所要注意的具体事项等，均分别从低、高频干扰着手分析，一一解决，最大程度上增加了数字化NBC逆变焊机的电磁兼容性（EMC）。5.2展望逆变式焊机总的发展趋势是向着大容量、轻量化、高效率、模块化、智能化发展并以提高可靠性、焊接性能及拓宽用途为核心，愈来愈广泛应用于各种弧焊、电阻焊、切割等等工艺中。我国逆变焊机近几年取得了长足的进步，但是应该清醒的认识到与欧美发达国家的先进逆变焊机还有不小的差距，需要加快赶超世界先进水平的步伐。数字化焊机实现了柔性化控制，调节参数更加细致，功能更加强大。具有控制精度高，系统稳定性好，产品一致性好，功能升级方便，良好的人机界面，能与上位机通讯等优点。随着科学技术的提高以及生产的需要，数字化逆变焊机应向着低飞溅，高焊速，提升逆变工作频率，增强电磁兼容性，生产管理网络化，配套机器人智能化的方向发展。总的来说，数字化逆变焊机是未来焊接设备发展的必然趋势。数字化逆变焊机的可靠性在技术上已得到了充分的保证，大面积的推广应用的时代已经到来！ 齐鲁工业大学2013届本科毕业设计（论文）附录1、数码管显示子程序#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint//变量类型的宏定义ucharconstSEG7[16]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71};//共阴极数码管0～E的字形码ucharconstACT[2]={0xfe,0xfd};//数码管的个、十位位选码voiddelay_ms(uintk)//定义毫秒级的延时子函数{uinti,j;for(i=0;i<k；i++"">{for(j=0;j<1141;j++);}}voidmain(void)//定义主函数{uchari,counter=0;//定义无符号字符型变量i、counterDDRA=0xff;//将PA端口设为输出DDRC=0xff;//将PC端口设为输出DDRD=0x00;//将PD端口设为输入PORTA=0x00;//PA端口初始化输出00000000PORTC=0xff;//PC端口初始化输出11111111PORTD=0xff;//PD端口初始化输出11111111while(1)//无限循环{ if((PIND&0x10)==0)//如果S1键按下{if(counter<99)counter++;}//计数值递增，计数值范围00～99if((PIND&0x20)==0)//如果S2键按下{if(counter>0)counter--;}//计数值递减，计数值范围00～99for(i=0;i<100;i++)//for循环语句，循环100次（约0.2s）{ PORTA=SEG7[counter%10];//输出计数值的个位字形码 PORTC=ACT[0];//点亮个位数码管 delay_ms(1);//维持点亮1ms PORTA=SEG7[counter/10];//输出计数值的十位字形码 PORTC=ACT[1];//点亮十位数码管 delay_ms(1);//维持点亮1ms}}}2、PWM脉宽调制程序uintADC_Convert(ucharCH){intResult;ADMUX=CH;//ADC通道选择Result=(uintU)(ADCL+(ADCH<<8));//读取转换结果returnResult;}intmain(){uintx=0,PRE_ADC_Result=0;//floatDuty=1.0;//占空比DDRA=0x00;//配置端口PORTA=0xFF;DDRD=0xFF;PORTD=0xFF;DDRC=0xFF;ADCSRA=0xE6;//10位ADC转换置位，启动转换，64分频delay_ms(3000);//延时等待系统稳定TCCR1A=0x83;//10PWM（1023），正向PWMTCCR1B=0x02;//时钟8分频，PWM频率：F_CPU/8/2046while(1){x=ADC_Convert(7);if(x!=PRE_ADC_Result)//如果A/D转换值变化则修改OCR1A{PRE_ADC_Result=x;