??? 摘 要： 針對PE管件焊接的國際標準，研制了高性能PE管焊接系統(tǒng),。系統(tǒng)以89C51RD2單片機為控制核心,，分析了熱熔焊接" title="熱熔焊接">熱熔焊接系統(tǒng)的工作原理,，利用中斷和定時技術，以A/D" title="A/D">A/D采樣反饋電壓為比較條件,，通過改變可控硅導通" title="導通">導通角的大小,，實現了輸出可調高精度焊接電壓。
??? 關鍵詞： 電壓控制? 單片機? 熱熔焊接
??? 城市燃氣管道過去一直采用金屬材料（鋼,、鑄鐵）,。聚乙烯(PE)管作為一種質輕強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,。這是因為PE管具有重量輕、柔性好,、可纏繞,、施工方便、耐腐蝕,、管道內壁光滑壓力損失小,、氣密性安全可靠,、對地基沉降或震動有較強的適應性、化學性能優(yōu)良,、使用壽命長（壽命可達50年以上）等特點[1],。由于PE管具有金屬管道所沒有的獨特優(yōu)點，所以在我國城鎮(zhèn)燃氣輸配管網中,， PE管已逐步得到應用,。
??? PE管件施工的主要難題之一是焊接。要求焊接過程定時輸出高精度電壓,，而施工時往往在野外,，使用自備發(fā)電機，電壓不穩(wěn)定,。本文所研制的熱熔焊接系統(tǒng)是按國家ISO9000標準設計,，具有條碼識別，有自動,、手動和識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,，可產生偏差為±0.1V高精度電壓等特點,。系統(tǒng)以單片機為核心，利用中斷,、定時技術產生脈沖控制雙向可控硅來切換控制變壓器,，實現交流穩(wěn)壓。該穩(wěn)壓器響應速度快,、精度高,、動作準確可靠，可完成熱熔焊接的各項指標,。
1 PE管熱熔焊接系統(tǒng)硬件設計
1.1 焊接系統(tǒng)工作原理
??? PE管熱熔焊接國際標準：
??? 標準電壓輸出：40V,、39.5V；
??? 電壓輸出范圍：8V～48V（可選）,；
??? 電壓波動：±0.5V,；
??? 按國家標準規(guī)定[2]，柴油發(fā)電機的電壓調整率為：
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??? 由以上標準可知,，PE管件熱熔焊接系統(tǒng)的主電路應輸出可調節(jié)電壓,，且對柴油發(fā)電機的輸出電壓" title="輸出電壓">輸出電壓波動進行處理，使其電壓波動小于±0.5V,，調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通特性，通過改變導通角的大小，可提供從0V～50V的輸出電壓,。每周期微調導通角,，使其有效值穩(wěn)定在要求的電壓上，波動小于±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 主電路設計
??? 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動由單片機產生,，控制電路與主電路由光藕MOC3021將強電與弱電隔開,，起隔離保護作用。R4與C2組成吸收回路,，以抑制施加到器件上dv/dt的值,。當負載為感性時，在轉換期間由于電流的延時作用,，可能導致柵極信號無法控制,，因此設計時需注意參數的選擇[3-4]。
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??? 同步信號電壓過零時,，可控硅關斷,，定時器開始定時，定時時間到時,，單片機控制輸出脈沖,，可控硅的柵極信號為高，電路導通,，電壓再過零時可控硅關斷,。如此循環(huán)，定時器定時時間即為導通角α,，通過改變α的大小,，電壓可在0V~50V任意輸出。
1.3 系統(tǒng)硬件結構
??? 系統(tǒng)是以P89C51RD2為核心而設計的[5],，其硬件結構如圖3所示,。主要包括A/D轉換電路、外圍設備接口,、存儲器,、系統(tǒng)時鐘模塊及主電路驅動控制模塊等,。
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??? (1)A/D轉換電路為系統(tǒng)最關鍵的模塊之一,，采用12位TLC2543轉換芯片實現,。該芯片將有效真值輸入到直流轉換的單片集成電路中；TLC2543直接計算包括交流和直流的任何復雜輸入波形,，它有峰值系數補償配置,，在峰值系數等于7時，測量誤差只有1%,；采集反饋電壓,、電流信號，根據采集的電壓信號對輸出脈沖導通角進行調整,，以此來保證輸出電壓具有足夠的精度,。
??? (2)外圍設備接口電路包括鍵盤接口、打印機接口,、LCD顯示器接口和掃描筆接口,。鍵盤和打印機由并行接口芯片8255A控制。鍵盤使用PB口,，設置為輸入工作方式,。打印機使用PA口輸出數據，PC口為控制信號輸入和輸出,。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設計,。本系統(tǒng)采用240×180點陣液晶顯示器,，由單片機直接輸入命令和數據，使用自制點陣字庫控制顯示器,，顯示內容包括英文字符,、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,，要求在焊接時間上給于補償。系統(tǒng)測量溫度使用DALLAS公司生產的DS18B20溫度傳感器,，DS18B20屬于單總線器件,，具有硬件設計線路簡單、體積更小,、適用電壓更寬和測溫準確等特點,。由于DS18B20是在一根I/O線上讀寫數據，因此對讀寫的數據位有著嚴格的時序要求,。軟件設計主要有初始化時序,、讀時序和寫時序。
??? (4)可控硅驅動電路是系統(tǒng)的核心。利用同步信號過零時產生中斷,、關斷可控硅,，定時器開始定時、定時時間到后產生中斷及開啟可控硅,。系統(tǒng)根據反饋電壓與給定電壓相比較的壓差來改變定時時間,，達到控制導通角、輸出不同電壓的目的,。
??? (5)其他模塊主要有：①時鐘模塊,。系統(tǒng)使用高性能的DS12887時鐘芯片，其主要特點是地址/數據總線分時復用,，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，內建128字節(jié)RAM,，其中14字節(jié)時鐘控制寄存器,，114字節(jié)用于通用RAM。②存儲器模塊使用HK1245芯片,，其存儲空間為128KB,，地址線17位，用來記錄初始數據和焊接記錄,。③報警模塊對系統(tǒng)非正常狀態(tài)產生聲光報警等,。
2 軟件設計
??? 系統(tǒng)軟件的主要功能是:對電壓、電流信號的數據采集,、計算并對定時器的初值進行調整,，改變可控硅控制脈沖的初始角，以達到電壓的精確輸出,。軟件流程圖如圖4所示,。
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??? 軟件開始對8255A、LCD等初始化,，然后進入主循環(huán),。每次循環(huán)首先進行A/D采樣，為提高采樣數據的準確度,，采用數字濾波技術和軟件冗余方法,，即采樣10次，將極值去除后求平均值,，以使干擾降為最低,。TLC2543的采樣及轉換時間約為10μs，10次采樣加上指令時間不超過1ms,，而交流電半個周期為10ms,，所以可滿足半個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，改變觸發(fā)脈沖導通角,。當同步信號過零時,，產生外部中斷，使觸發(fā)脈沖輸出為低電平,，可控硅關斷,；這時定時器開始定時計數,，當定時器計數溢出時,，產生定時中斷，其定時中斷服務程序是使觸發(fā)脈沖輸出為高電平,，使可控硅導通,。通過改變定時器的初值可改變導通角的大小，以輸出不同的電壓,。為提高調節(jié)速度,，使輸出電壓盡快達到要求的值，本文采用PID調節(jié)方法,，即對測得電壓與給定電壓進行比較,，當兩者差值小于1V時，對定時器的初值每次加減定值5,，確保輸出電壓穩(wěn)定,，進入微調階段；當兩者差值大于1V時,，對定時器的初值采用二分調節(jié)法,，使電壓在幾個周期內迅速達到要求值，然后進入微調階段,。
3 誤差分析與抗干擾措施
??? 熱熔管件焊接系統(tǒng)在實際應用中,，因現場存在各種干擾，會出現測量誤差,，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)電機供電，所以電網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干擾源，其產生的紋波,、自激振蕩等都可能對電子電路造成干擾,。因此，在選用電源時,，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 數字集成電路的抗干擾措施
??? 在數字集成電路的電源引入處，并接一個10μF左右的鉭電容和一個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集成電路產生干擾,。在布線上使集成電路外接定時電容和定時電阻，接點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,，以防止耦合電磁場的噪聲。
3.3 A/D轉換電路的抗干擾措施
??? 管件上反饋電壓為0～50V,，通過分壓電路轉換為0～5V后送入到TLC2543轉換芯片,。由于系統(tǒng)是根據采集的電壓信號對輸出脈沖導通角進行調整的，因此,，輸入到A/D轉換電路的電壓應具有足夠的精度,，同時分壓電路電阻應選用高精度電阻，其阻值的溫度變化率,、零漂都應相對穩(wěn)定,，以保障系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定輸出。
3.4 電路板設計
??? 印制電路板的設計是在考慮了整機的結構特點,、電源的位置尺寸及各單元電路的相互關系后,，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,，使各接地點之間地電位基本相等。由于整個線路的元件與“地”緊挨著,，因此一些干擾電場直接入了“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擾,。印制電路板上數字地與模擬地分開，以減小數字集成電路的噪聲干擾通過地電阻對模擬電路產生影響,。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對輸出匹配電路部分的影響,。根據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)采用以單片機為核心的控制方法，簡化了控制電路,，降低了成本,，提高了系統(tǒng)的可靠性。在標準8V～48V電壓焊接過程中,，電壓波動小,、精度高，理論計算電壓波動約等于±0.07V,。經實測,，電壓波動小于±0.1V，優(yōu)于PE管件國際焊接標準電壓波動±0.5V的需求,。但測試過程中發(fā)現，0～5V電壓焊接時,，可控硅出現斷續(xù)現象,，電壓波動加大。其原因,，一方面是由于A/D采樣轉換期間,，在小電壓時絕對誤差不變，但相對誤差變大,；另一方面是由于負載為感性,，電流滯后于電壓，存在阻抗角?準=arctan(?棕L/R),，因此電路不可能在0～50V之間全程調節(jié),。本系統(tǒng)另一個特點是進入穩(wěn)態(tài)快。由于采用二分調節(jié)法,，電壓經過不到10個周期的調節(jié)即可從0V調到40V,，保證了焊接效果和質量。本系統(tǒng)與國外同類產品比較達到較先進水平,，目前已形成產品并開始推廣應用,，且應用效果良好。
參考文獻
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