基于Proteus的焊接電源人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 春，廖映華，張良棟，劉 明

(1.過(guò)程裝備及控制工程四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 自貢 643000；2.四川理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，四川 自貢 643000)

基于Proteus的焊接電源人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 春1，2，廖映華1，2，張良棟1，2，劉 明1，2

(1.過(guò)程裝備及控制工程四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 自貢 643000；2.四川理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，四川 自貢 643000)

焊接電源人機(jī)交互系統(tǒng)采用DSP+MCU雙處理器實(shí)現(xiàn)了焊接電源的數(shù)字化。在Proteus環(huán)境下結(jié)合Keil工具，對(duì)基于STC89C52單片機(jī)控制的人機(jī)交互界面系統(tǒng)進(jìn)行了電路設(shè)計(jì)、程序開發(fā)和仿真調(diào)試。用戶通過(guò)人機(jī)界面不僅可以設(shè)置焊接電流、焊接電壓、焊接速度等參數(shù)，而且還具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠滿足雙處理器焊接電源的設(shè)計(jì)要求，具有穩(wěn)定可靠、界面友好、操作方便等特點(diǎn)?？s短了開發(fā)時(shí)間、節(jié)約了開發(fā)成本，為以后實(shí)際的硬件電路設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

Proteus；DSP；人機(jī)交互；單片機(jī)

0 前言

隨著現(xiàn)代工業(yè)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化焊接電源已經(jīng)成為焊接工藝中的重要發(fā)展方向。焊接電源的數(shù)字化主要包括電源主電路的數(shù)字化、控制系統(tǒng)的數(shù)字化和人機(jī)交互系統(tǒng)的數(shù)字化[1]。

目前，焊接電源人機(jī)交互系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)主要有兩種方法：(1)利用LCD液晶或LED作為顯示界面，但硬件設(shè)備較為昂貴，而且只有當(dāng)PCB板和原型機(jī)制作以后才能進(jìn)行軟件開發(fā)和硬件調(diào)試[2]。(2)利用VB、VC等軟件進(jìn)行焊機(jī)管理界面設(shè)計(jì)，但開發(fā)的界面可視性不強(qiáng)，不能直觀、形象的進(jìn)行人機(jī)交互。除此之外還包括元器件選用、PCB制作、元器件焊接、程序燒錄等一系列問(wèn)題，任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)疏漏都會(huì)在時(shí)間上、經(jīng)濟(jì)上造成巨大的損失[2-3]。由此可見(jiàn)，人機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在整個(gè)焊接電源中非常重要。

基于此，首先采用Proteus與Keil軟件進(jìn)行整合，可以仿真相應(yīng)的接口器件，如LED顯示、LCD顯示、鍵盤、I／O、A／D、D／A等器件，還能看到運(yùn)行后輸入／輸出結(jié)果[4]。將人機(jī)交互系統(tǒng)的硬件電路構(gòu)建、程序調(diào)試在虛擬環(huán)境中開發(fā)成功以后再制作電路板，進(jìn)行實(shí)際的系統(tǒng)開發(fā)，可以縮短開發(fā)周期、提高設(shè)計(jì)效率、降低開發(fā)成本，提供有效的理論實(shí)踐基礎(chǔ)[2]。

1 基于Proteus的焊接電源人機(jī)交互系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

在MCU+DSP雙處理器焊接電源設(shè)計(jì)中，DSP主要負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)的數(shù)字化和主電源的數(shù)字化，包括焊接電流、電壓數(shù)據(jù)的采集和電機(jī)調(diào)速、控制等功能[5]。單片機(jī)負(fù)責(zé)人機(jī)交互系統(tǒng)的數(shù)字化，包括數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、參數(shù)設(shè)定、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能[5]。在通信協(xié)議的選擇上，近距離仿真調(diào)試時(shí)采用RS-232協(xié)議，在實(shí)際焊接過(guò)程中采用RS-485協(xié)議。

本設(shè)計(jì)是基于Proteus進(jìn)行界面設(shè)置，以Proteus器件庫(kù)里面的STC89C52為控制器，整個(gè)系統(tǒng)由鍵盤、LCD液晶顯示器、DS1032時(shí)鐘電路、復(fù)位和晶振構(gòu)成，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2 人機(jī)交互系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片的選擇

人機(jī)交互系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)為控制核心，其輸入／輸出口經(jīng)過(guò)特殊處理，每個(gè)I／O口均有對(duì)VCC、GND的二極管箝位保護(hù)，使得一些干擾不容易從I／O口進(jìn)入。而且具有8個(gè)中斷源，4個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，3個(gè)定時(shí)器，雙數(shù)據(jù)指針DPTR0和DPTR1。其最大的特點(diǎn)就是內(nèi)部有8 kB FLASH程序存儲(chǔ)器，擦寫次數(shù)為100 000次以上，從DSP通信來(lái)的數(shù)據(jù)可以存入單片機(jī)中，這樣就大大增強(qiáng)了單片機(jī)使用的靈活性，使得該芯片能夠滿足本設(shè)計(jì)所提出的控制要求。

2.2 鍵盤電路

界面進(jìn)行參數(shù)輸入時(shí)，需要數(shù)字鍵0～9、確定、返回、上下左右共十六個(gè)按鍵，因此采用4×4行列式鍵盤，采用掃描法進(jìn)行程序編制。行列式鍵盤的特點(diǎn)是：I／O端線分為行線和列線，按鍵跨接在行線和列線上，當(dāng)有鍵按下時(shí)，行線和列線就會(huì)出現(xiàn)短路現(xiàn)象[4]，此時(shí)說(shuō)明該鍵已經(jīng)按下，而按鍵的防抖動(dòng)功能由軟件部分實(shí)現(xiàn)，電路如圖2所示。

圖2 行列式鍵盤

2.3 液晶顯示電路

系統(tǒng)采用圖形點(diǎn)陣式液晶顯示，具有工作電壓低、功耗低、可顯示信息量大、分辨率高、不產(chǎn)生電磁干擾、可靠性高、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[6]。在Proteus軟件中選擇PG12864F型號(hào)LCD，與單片機(jī)的連接采用直接控制方式。該液晶模塊顯示為128×64點(diǎn)陣，顯示一般用16×16國(guó)標(biāo)漢字點(diǎn)陣，所以能顯示4行，每行8個(gè)漢字。當(dāng)片選信號(hào)有效時(shí)，液晶顯示模塊可以通過(guò)D0～D7與單片機(jī)的P0口進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。RD、WR為讀選通信號(hào)，低電平有效；CE為片選信號(hào)，也是低電平有效；C／O為通道選擇信號(hào)，1為指令通道，0為數(shù)據(jù)通道，液晶顯示電路如圖3所示。

2.4 通信電路

由于焊接電源采用的是MCU+DSP雙處理器，從DSP處獲取的焊接電流、電壓、速度等信息可存入到單片機(jī)的FLASH中，但畢竟容量有限，因此，作為人機(jī)交互界面主控芯片的單片機(jī)需要留有兩個(gè)通信口，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)中。但是研究表明，在雙處理器控制系統(tǒng)中采用RS-232數(shù)據(jù)傳輸慢、傳送距離短、各信號(hào)間容易產(chǎn)生干擾[6]。因此，在仿真調(diào)試時(shí)，采用的是RS-232協(xié)議通信，在實(shí)際焊接過(guò)程中，由于焊機(jī)與PC機(jī)距離較遠(yuǎn)，而且有電磁干擾，這時(shí)采用RS-485協(xié)議通信[7]。

2.5 其他輔助電路

在焊接過(guò)程中容易出現(xiàn)過(guò)電流、過(guò)電壓、欠電流、欠電壓等焊接異常，因此記錄這些異常情況發(fā)生的時(shí)間是非常必要的。DS1302可以用于數(shù)據(jù)記錄，特別是記錄某些具有特殊意義的數(shù)據(jù)點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與出現(xiàn)該數(shù)據(jù)的時(shí)間同時(shí)記錄。這種記錄對(duì)長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)測(cè)控系統(tǒng)結(jié)果的分析及查找異常數(shù)據(jù)出現(xiàn)的原因具有重要意義。出現(xiàn)異常情況以后必須復(fù)位單片機(jī)，本設(shè)計(jì)采用的是上電與按鈕復(fù)位，電路原理如圖4所示。

圖3 液晶顯示電路

圖4 DS1302復(fù)位電路

3 人機(jī)交互系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制程序采用模塊化設(shè)計(jì)，分為單片機(jī)主程序、鍵盤子程序、液晶顯示子程序、通信子程序等。單片機(jī)程序有兩個(gè)主要任務(wù)：一是LCD的顯示程序，二是不斷掃描鍵盤，用軟件延時(shí)的辦法來(lái)消除抖動(dòng)的影響。

上電后首先進(jìn)入友好初始界面，利用16個(gè)按鍵可以進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，利用上下左右鍵選擇菜單，再按確定鍵進(jìn)入子菜單，按返回鍵回到上一級(jí)菜單。當(dāng)有鍵按下時(shí)，判斷是參數(shù)設(shè)定、進(jìn)入下一頁(yè)或者返回等。進(jìn)入到參數(shù)設(shè)置頁(yè)面的時(shí)候可以用0～9數(shù)字鍵進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。在獲取漢字點(diǎn)陣時(shí)，采用漢字取模工具，輸入漢字生成相應(yīng)的漢字點(diǎn)陣，然后復(fù)制到編寫的程序中即可。圖5為單片機(jī)程序結(jié)構(gòu)，圖6為單片機(jī)主程序流程。

圖5 單片機(jī)程序結(jié)構(gòu)

圖6 單片機(jī)主程序流程

4 Proteus軟件與Keil聯(lián)合調(diào)試仿真

Keil是一款關(guān)于51系列單片機(jī)的開發(fā)工具，支持匯編、C語(yǔ)言和混合編程[8]，應(yīng)用廣泛。在Keil中對(duì)編寫的程序進(jìn)行編譯、調(diào)試，再生成HEX文件。隨后雙擊Proteus的單片機(jī)圖形，加載生成的HEX文件，點(diǎn)擊確定，表示程序已經(jīng)燒錄進(jìn)單片機(jī)中。

程序部分代碼如下[4]：

5 結(jié)論

Proteus軟件開發(fā)簡(jiǎn)單、界面友好、成本低、實(shí)驗(yàn)周期短、不受時(shí)間和空間的限制。只要硬件連接、軟件編寫正確就能觀測(cè)到實(shí)驗(yàn)效果，可以在前期檢驗(yàn)單片機(jī)主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性，更好地實(shí)現(xiàn)了焊接電源的數(shù)字化、自動(dòng)化，提高了數(shù)字化焊接電源的研究開發(fā)水平，為進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

[1]盧振洋，蔣觀軍，廖 平，等.數(shù)字化PMIG焊接電源人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電焊機(jī)，2006，36(2)：15.

[2]朱錦洪，丁書娜，李志剛，等.基于Proteus軟件的數(shù)字式等離子切割機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真[J].焊接學(xué)報(bào)，2009，30(2)：49-50.

[3]肖云茂，孫 毅，張華興.基于Proteus的PC機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制仿真[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009(4)：188.

[4]黃惟公，鄧成中，王 燕.單片機(jī)原理與應(yīng)用技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007.

[5]劉 偉，宋 政，華學(xué)明，等.基于多CPU數(shù)字埋弧自動(dòng)焊系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的實(shí)現(xiàn)[J].電焊機(jī)，2006，36(4)：22-23.

[6]李鶴岐，李春旭，高忠林，等.基于DSP-MCU實(shí)現(xiàn)焊接電源系統(tǒng)數(shù)字化控制的設(shè)計(jì)[J].焊接學(xué)報(bào)，2005，26(3)：18.

[7]姚河清，張振淑.全數(shù)字化多功能焊機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電焊機(jī)，2009，39(12)：73.

[8]伍馮潔，謝 斌.基于Proteus與Keil的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009，28(7)：126.

Design of welding power source man-machine interaction system based on Proteus

WANG Chun1，2，LIAO Ying-hua1，2，ZHANG Liang-dong1，2，LIU Ming1，2
(1.Sichuan Provincial Key Lab of Process Equipment and Control，Zigong 643000，China；2.Mechanical Engineering College，Sichuan University of Science＆Engineering，Zigong 643000，China)

This paper introduces the features of welding power source man-machine interaction system，which uses two-processor of DSP and MCU to achieve a digital welding power source.An STC89C52 MCU based on man-machine interaction system，which was designed，programmed，simulated and debugged by using Proteus and Keil.The user can set parameter，such as welding current，welding voltage and welding speed，besides also have realtime data display function by man-machine interface.Results verify that the design requirements of two-processor welding power source was met by this designed system，which have features of high-availability，friendly interface and easy operation.This method is provided a basis of the following actual hardware design，which reduces the cycle time and save costs.

proteus；DSP；man-machine interaction；MCU

TG409

A

1001-2303(2011)09-0081-04

2011-02-22

過(guò)程裝備及控制工程四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目(GK201001)；四川理工學(xué)院人才引進(jìn)科研啟動(dòng)項(xiàng)目(2010XJKRL012)

王 春(1984—)，男，四川自貢人，碩士，助教，主要從事工業(yè)過(guò)程監(jiān)控及焊接自動(dòng)化方面的研究工作。