??? 摘 要： 針對(duì)PE管件焊接的國際標(biāo)準(zhǔn)，研制了高性能PE管焊接系統(tǒng)。系統(tǒng)以89C51RD2單片機(jī)為控制核心，分析了熱熔焊接" title="熱熔焊接">熱熔焊接系統(tǒng)的工作原理，利用中斷和定時(shí)技術(shù)，以A/D" title="A/D">A/D采樣反饋電壓為比較條件，通過改變可控硅導(dǎo)通" title="導(dǎo)通">導(dǎo)通角的大小，實(shí)現(xiàn)了輸出可調(diào)高精度焊接電壓。
??? 關(guān)鍵詞： 電壓控制? 單片機(jī)? 熱熔焊接

??? 城市燃?xì)夤艿肋^去一直采用金屬材料（鋼、鑄鐵）。聚乙烯(PE)管作為一種質(zhì)輕強(qiáng)度好的耐腐蝕新型材料，在國外已有完全取代金屬管的趨勢(shì)。這是因?yàn)镻E管具有重量輕、柔性好、可纏繞、施工方便、耐腐蝕、管道內(nèi)壁光滑壓力損失小、氣密性安全可靠、對(duì)地基沉降或震動(dòng)有較強(qiáng)的適應(yīng)性、化學(xué)性能優(yōu)良、使用壽命長(zhǎng)（壽命可達(dá)50年以上）等特點(diǎn)^[1]。由于PE管具有金屬管道所沒有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，所以在我國城鎮(zhèn)燃?xì)廨斉涔芫W(wǎng)中， PE管已逐步得到應(yīng)用。
??? PE管件施工的主要難題之一是焊接。要求焊接過程定時(shí)輸出高精度電壓，而施工時(shí)往往在野外，使用自備發(fā)電機(jī)，電壓不穩(wěn)定。本文所研制的熱熔焊接系統(tǒng)是按國家ISO9000標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，具有條碼識(shí)別，有自動(dòng)、手動(dòng)和識(shí)別電阻三種焊接方式，中英文兩種界面顯示，大容量記錄存儲(chǔ)，可產(chǎn)生偏差為±0.1V高精度電壓等特點(diǎn)。系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，利用中斷、定時(shí)技術(shù)產(chǎn)生脈沖控制雙向可控硅來切換控制變壓器，實(shí)現(xiàn)交流穩(wěn)壓。該穩(wěn)壓器響應(yīng)速度快、精度高、動(dòng)作準(zhǔn)確可靠，可完成熱熔焊接的各項(xiàng)指標(biāo)。
1 PE管熱熔焊接系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1.1 焊接系統(tǒng)工作原理
??? PE管熱熔焊接國際標(biāo)準(zhǔn)：
??? 標(biāo)準(zhǔn)電壓輸出：40V、39.5V；
??? 電壓輸出范圍：8V～48V（可選）；
??? 電壓波動(dòng)：±0.5V；
??? 按國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定^[2]，柴油發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)整率為：
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??? 由以上標(biāo)準(zhǔn)可知，PE管件熱熔焊接系統(tǒng)的主電路應(yīng)輸出可調(diào)節(jié)電壓，且對(duì)柴油發(fā)電機(jī)的輸出電壓" title="輸出電壓">輸出電壓波動(dòng)進(jìn)行處理，使其電壓波動(dòng)小于±0.5V，調(diào)整脈沖寬度輸出電壓有效值" title="有效值">有效值波形如圖1所示。利用雙向可控硅的導(dǎo)通特性，通過改變導(dǎo)通角的大小，可提供從0V～50V的輸出電壓。每周期微調(diào)導(dǎo)通角，使其有效值穩(wěn)定在要求的電壓上，波動(dòng)小于±0.5V。輸出電壓有效值和輸出電流有效值分別為：
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1.2 主電路設(shè)計(jì)
??? 熱熔焊接系統(tǒng)的主控電路如圖2所示。電路將輸入220V電壓變?yōu)?0V輸出電壓。雙向可控硅串入220V回路中，雖然也可以串入到50V回路中進(jìn)行控制，但由于電流大，器件選擇困難，且體積過大，因此不宜采用。其柵極控制端脈沖驅(qū)動(dòng)由單片機(jī)產(chǎn)生，控制電路與主電路由光藕MOC3021將強(qiáng)電與弱電隔開，起隔離保護(hù)作用。R4與C2組成吸收回路，以抑制施加到器件上dv/dt的值。當(dāng)負(fù)載為感性時(shí)，在轉(zhuǎn)換期間由于電流的延時(shí)作用，可能導(dǎo)致柵極信號(hào)無法控制，因此設(shè)計(jì)時(shí)需注意參數(shù)的選擇^[3-4]。

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??? 同步信號(hào)電壓過零時(shí)，可控硅關(guān)斷，定時(shí)器開始定時(shí)，定時(shí)時(shí)間到時(shí)，單片機(jī)控制輸出脈沖，可控硅的柵極信號(hào)為高，電路導(dǎo)通，電壓再過零時(shí)可控硅關(guān)斷。如此循環(huán)，定時(shí)器定時(shí)時(shí)間即為導(dǎo)通角α，通過改變?chǔ)恋拇笮。妷嚎稍?V~50V任意輸出。
1.3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
??? 系統(tǒng)是以P89C51RD2為核心而設(shè)計(jì)的^[5]，其硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。主要包括A/D轉(zhuǎn)換電路、外圍設(shè)備接口、存儲(chǔ)器、系統(tǒng)時(shí)鐘模塊及主電路驅(qū)動(dòng)控制模塊等。

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??? (1)A/D轉(zhuǎn)換電路為系統(tǒng)最關(guān)鍵的模塊之一，采用12位TLC2543轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)。該芯片將有效真值輸入到直流轉(zhuǎn)換的單片集成電路中；TLC2543直接計(jì)算包括交流和直流的任何復(fù)雜輸入波形，它有峰值系數(shù)補(bǔ)償配置，在峰值系數(shù)等于7時(shí)，測(cè)量誤差只有1%；采集反饋電壓、電流信號(hào)，根據(jù)采集的電壓信號(hào)對(duì)輸出脈沖導(dǎo)通角進(jìn)行調(diào)整，以此來保證輸出電壓具有足夠的精度。
??? (2)外圍設(shè)備接口電路包括鍵盤接口、打印機(jī)接口、LCD顯示器接口和掃描筆接口。鍵盤和打印機(jī)由并行接口芯片8255A控制。鍵盤使用PB口，設(shè)置為輸入工作方式。打印機(jī)使用PA口輸出數(shù)據(jù)，PC口為控制信號(hào)輸入和輸出。掃描筆主要掃描PE管的條形碼和工作人員工作條形碼，利用RS232串行接口方式，串行接口芯片采用MAX232設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)采用240×180點(diǎn)陣液晶顯示器，由單片機(jī)直接輸入命令和數(shù)據(jù)，使用自制點(diǎn)陣字庫控制顯示器，顯示內(nèi)容包括英文字符、漢字和圖形等。
??? (3)PE管件焊接要求環(huán)境溫度為20℃，有些管件在環(huán)境溫度高于或低于20℃時(shí)，要求在焊接時(shí)間上給于補(bǔ)償。系統(tǒng)測(cè)量溫度使用DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20溫度傳感器，DS18B20屬于單總線器件，具有硬件設(shè)計(jì)線路簡(jiǎn)單、體積更小、適用電壓更寬和測(cè)溫準(zhǔn)確等特點(diǎn)。由于DS18B20是在一根I/O線上讀寫數(shù)據(jù)，因此對(duì)讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時(shí)序要求。軟件設(shè)計(jì)主要有初始化時(shí)序、讀時(shí)序和寫時(shí)序。
??? (4)可控硅驅(qū)動(dòng)電路是系統(tǒng)的核心。利用同步信號(hào)過零時(shí)產(chǎn)生中斷、關(guān)斷可控硅，定時(shí)器開始定時(shí)、定時(shí)時(shí)間到后產(chǎn)生中斷及開啟可控硅。系統(tǒng)根據(jù)反饋電壓與給定電壓相比較的壓差來改變定時(shí)時(shí)間，達(dá)到控制導(dǎo)通角、輸出不同電壓的目的。
??? (5)其他模塊主要有：①時(shí)鐘模塊。系統(tǒng)使用高性能的DS12887時(shí)鐘芯片，其主要特點(diǎn)是地址/數(shù)據(jù)總線分時(shí)復(fù)用，自帶晶體振蕩器和電池，在沒有外部電源的情況下可工作10年，內(nèi)建128字節(jié)RAM，其中14字節(jié)時(shí)鐘控制寄存器，114字節(jié)用于通用RAM。②存儲(chǔ)器模塊使用HK1245芯片，其存儲(chǔ)空間為128KB，地址線17位，用來記錄初始數(shù)據(jù)和焊接記錄。③報(bào)警模塊對(duì)系統(tǒng)非正常狀態(tài)產(chǎn)生聲光報(bào)警等。
2 軟件設(shè)計(jì)
??? 系統(tǒng)軟件的主要功能是:對(duì)電壓、電流信號(hào)的數(shù)據(jù)采集、計(jì)算并對(duì)定時(shí)器的初值進(jìn)行調(diào)整，改變可控硅控制脈沖的初始角，以達(dá)到電壓的精確輸出。軟件流程圖如圖4所示。
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??? 軟件開始對(duì)8255A、LCD等初始化，然后進(jìn)入主循環(huán)。每次循環(huán)首先進(jìn)行A/D采樣，為提高采樣數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，采用數(shù)字濾波技術(shù)和軟件冗余方法，即采樣10次，將極值去除后求平均值，以使干擾降為最低。TLC2543的采樣及轉(zhuǎn)換時(shí)間約為10μs，10次采樣加上指令時(shí)間不超過1ms，而交流電半個(gè)周期為10ms，所以可滿足半個(gè)周采樣十次取有效值的要求。
??? 主程序的功能是以采樣得來的電壓為基準(zhǔn)，改變觸發(fā)脈沖導(dǎo)通角。當(dāng)同步信號(hào)過零時(shí)，產(chǎn)生外部中斷，使觸發(fā)脈沖輸出為低電平，可控硅關(guān)斷；這時(shí)定時(shí)器開始定時(shí)計(jì)數(shù)，當(dāng)定時(shí)器計(jì)數(shù)溢出時(shí)，產(chǎn)生定時(shí)中斷，其定時(shí)中斷服務(wù)程序是使觸發(fā)脈沖輸出為高電平，使可控硅導(dǎo)通。通過改變定時(shí)器的初值可改變導(dǎo)通角的大小，以輸出不同的電壓。為提高調(diào)節(jié)速度，使輸出電壓盡快達(dá)到要求的值，本文采用PID調(diào)節(jié)方法，即對(duì)測(cè)得電壓與給定電壓進(jìn)行比較，當(dāng)兩者差值小于1V時(shí)，對(duì)定時(shí)器的初值每次加減定值5，確保輸出電壓穩(wěn)定，進(jìn)入微調(diào)階段；當(dāng)兩者差值大于1V時(shí)，對(duì)定時(shí)器的初值采用二分調(diào)節(jié)法，使電壓在幾個(gè)周期內(nèi)迅速達(dá)到要求值，然后進(jìn)入微調(diào)階段。
3 誤差分析與抗干擾措施
??? 熱熔管件焊接系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中，因現(xiàn)場(chǎng)存在各種干擾，會(huì)出現(xiàn)測(cè)量誤差，為此系統(tǒng)采取了如下抗干擾措施。
3.1 電源電路的抗干擾措施
??? 本系統(tǒng)通過柴油發(fā)電機(jī)供電，所以電網(wǎng)的噪聲可通過電源電路干擾儀器電路，這是儀器電路受干擾的主要來源之一。其次電源電路本身也是一個(gè)干擾源，其產(chǎn)生的紋波、自激振蕩等都可能對(duì)電子電路造成干擾。因此，在選用電源時(shí)，必須考慮其紋波電壓的大小、電壓是否穩(wěn)定、隔離措施是否良好。本系統(tǒng)采用在強(qiáng)電和弱電之間加入光電隔離，電源電路外加屏蔽罩的抗干擾措施。
3.2 數(shù)字集成電路的抗干擾措施
??? 在數(shù)字集成電路的電源引入處，并接一個(gè)10μF左右的鉭電容和一個(gè)0.01μF左右的陶瓷電容作為去耦電路，以防止因電源端電流變化對(duì)集成電路產(chǎn)生干擾。在布線上使集成電路外接定時(shí)電容和定時(shí)電阻，接點(diǎn)部分的引線盡可能短，電容的兩根引線邊到電路上所形成的環(huán)路面積要小，以防止耦合電磁場(chǎng)的噪聲。
3.3 A/D轉(zhuǎn)換電路的抗干擾措施
??? 管件上反饋電壓為0～50V，通過分壓電路轉(zhuǎn)換為0～5V后送入到TLC2543轉(zhuǎn)換芯片。由于系統(tǒng)是根據(jù)采集的電壓信號(hào)對(duì)輸出脈沖導(dǎo)通角進(jìn)行調(diào)整的，因此，輸入到A/D轉(zhuǎn)換電路的電壓應(yīng)具有足夠的精度，同時(shí)分壓電路電阻應(yīng)選用高精度電阻，其阻值的溫度變化率、零漂都應(yīng)相對(duì)穩(wěn)定，以保障系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定輸出。
3.4 電路板設(shè)計(jì)
??? 印制電路板的設(shè)計(jì)是在考慮了整機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、電源的位置尺寸及各單元電路的相互關(guān)系后，從而確定電路板的安裝位置及元器件在印制電路上的定位和布線。
??? 電路板采用雙面印制板，一面作為電路連線用，另一面布放元器件。數(shù)字電路元件放在一起，模擬電路元件放在一起，放元件的一面整面以銅箔做地線，這樣可使地電阻、地電感大大減小，使各接地點(diǎn)之間地電位基本相等。由于整個(gè)線路的元件與“地”緊挨著，因此一些干擾電場(chǎng)直接入了“地”，減弱了元件之間、走線之間以及走線與元件之間的串接或寄生耦合，有效地消除了脈沖串?dāng)_。印制電路板上數(shù)字地與模擬地分開，以減小數(shù)字集成電路的噪聲干擾通過地電阻對(duì)模擬電路產(chǎn)生影響。輸出匹配電路與其他單元電路分開制版，以減小其他電路分布參數(shù)對(duì)輸出匹配電路部分的影響。根據(jù)印制電路板電流的大小，盡量加粗電源線寬度，減少環(huán)路電路。
??? 本系統(tǒng)采用以單片機(jī)為核心的控制方法，簡(jiǎn)化了控制電路，降低了成本，提高了系統(tǒng)的可靠性。在標(biāo)準(zhǔn)8V～48V電壓焊接過程中，電壓波動(dòng)小、精度高，理論計(jì)算電壓波動(dòng)約等于±0.07V。經(jīng)實(shí)測(cè)，電壓波動(dòng)小于±0.1V，優(yōu)于PE管件國際焊接標(biāo)準(zhǔn)電壓波動(dòng)±0.5V的需求。但測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)，0～5V電壓焊接時(shí)，可控硅出現(xiàn)斷續(xù)現(xiàn)象，電壓波動(dòng)加大。其原因，一方面是由于A/D采樣轉(zhuǎn)換期間，在小電壓時(shí)絕對(duì)誤差不變，但相對(duì)誤差變大；另一方面是由于負(fù)載為感性，電流滯后于電壓，存在阻抗角?準(zhǔn)=arctan(?棕L/R)，因此電路不可能在0～50V之間全程調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)另一個(gè)特點(diǎn)是進(jìn)入穩(wěn)態(tài)快。由于采用二分調(diào)節(jié)法，電壓經(jīng)過不到10個(gè)周期的調(diào)節(jié)即可從0V調(diào)到40V，保證了焊接效果和質(zhì)量。本系統(tǒng)與國外同類產(chǎn)品比較達(dá)到較先進(jìn)水平，目前已形成產(chǎn)品并開始推廣應(yīng)用，且應(yīng)用效果良好。

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