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1、本 科 毕 业 论 文 （设 计） 题 目 基于单片机的自动化点焊控制系统 姓 名 学 号 专业年级 通信工程 指导教师 职 称 2009 年 4 月 8 日目 录绪论 (1)1 设计要求(1)1.1技术概要(1)1.2 系统实现功能(1)2 设计原理(2)2.1 硬件设计及实现 (2)2.1.1 结构框图(2)2.1.2 中央处理单元(3) 2.1.2.1 MCU的管脚图(3)2.1.2.2 MCU与电源(3) 2.1.2.3 MCU与晶振(4) 2.1.2.4 MCU与接近开关(4) 2.1.2.5 MCU与步进电机(5)2.1.3 反馈单元(6)2.1.4 焊接单元(6)2.1.5 按键
2、控制单元(7)2.1.6 液晶显示单元(8)2.2 界面设计与实现(9)2.2.1按键分布与功能说明(9) 2.2.1.1按键分布图(9) 2.2.1.1按键功能说明(9)2.2.2界面显示与按键操作(9)2.2.2.1 界面关系图(9)2.2.2.2 主界面(10) 2.2.2.3 采点时的选点界面(11) 2.2.2.4采点显示界面(11) 2.2.2.5 设置时的选择界面(12) 2.2.2.6 焊点选择界面(12)2.2.2.7 焊点参数设置界面（13)2.2.2.8 汽缸选择界面(13) 2.2.2.9 汽缸参数设置界面(14) 2.2.2.10 操作界面(15) 2.2.2.11
3、复位界面(15)2.3软件设计及实现(16)2.3.1软件功能(16)2.3.2重要程序设计举例(16) 2.3.2.1 按键程序设计(16) 2.3.2.2 液晶显示程序设计(16) 2.3.2.3 电机和汽缸运的程序设计(18) 2.3.3软件程序流程图设计(19)3设计总结(19)3.1设计成果(19)3.2 设计中的不足以及改进方向(19)参考文献(20)附录A(21)附录B (23)附录C (26) 基于单片机的自动化点焊控制系统摘 要点焊在汽车制造业和其他一些需要精密焊接的领域中发挥着重要作用。在许多没有实现自动化焊接的工业领域，采用了大量的人工焊接的方法。由于人工操作的随机性，漏
4、点、漏焊现象时有发生。这又需要增加大量的品质人员，以便对点焊质量进行检查和巡查。采用单片机实现焊接控制的自动化，可以有效地改变这一现状，减少人力并提高焊接质量。本研究根据上海保隆汽车科技股份有限公司对自己生产线上焊接工艺进行改进的要求，采用位移传感器，X/Y轴步进电机等器件，和单片机一起构成闭环控制系统，完成了自动化点焊控制系统的软件和硬件设计，为公司节省成本和人力资源，提高焊接质量和效率，创造了可观的经济效益。本文着重论述了界面设计和相关程序的编写.主要采用单片机技术、液晶显示（LCD）技术、脉宽调制（PWM）技术,完成焊接操作机的数字控制和自动化焊接,实现焊点的精确定位与界面程序的编写。
5、【关键词】 点焊 自动化 闭环控制 液晶显示（LCD） 脉宽调制（PWM）MCU-based automatic control system for spot-weldingAbstractSpot-welding in the automotive manufacturing and other areas of needing exact welding plays an important role. There is no automatic welding in many industrial areas of welding, using a large number of me
6、thods with manual welding. Because of the randomicity in the manual operation, the phenomenon of leak and leakage in the welding occur from time to time. And again, this needs to increase a large number of personnel who examine product qualities, to carry out spot checks and inspections of the quali
7、ty. Adopting single-chip computer control to achieve welding automation is an effective way to change this status quo, to reduce the manpower and improve the welding quality. In this study, according to the request for their production lines to improve the welding process in Shanghai Baolong Automot
8、ive Technology Co., Ltd., the components of displacement sensors, X / Y-axis stepper motor devices and so on, constitute a closed-loop control system with single-chip computer. And we use them to complete the software and hardware designs of the automated spot-welding control system ,in order to sav
9、e costs & human resources for the company, to improve the quality and efficiency of welding, thus creating a considerable economic benefits. This article focuses on the interface design and related procedures for the preparation. Mainly we have adopted single-chip technology, liquid crystal display（
10、LCD）technology and pulse width modulation（PWM）technology to complete the digital control and automatic welding with the welding operation machine, to achieve precise position of the solder joint and to write interface procedures. 【Key words】 spot-welding automation closed-loop controlliquid crystal
11、display（LCD） pulse width modulation（PWM） 绪论在科学技术飞速发展的今天,自动化控制领域已受到国内外越来越多人的关注。自动化技术的发展，特别是计算机的诞生，推动了现代机器人的发展。目前，机器人已在工业领域得到了广泛的应用，尤其在焊接业。焊接已经从一种传统的热加工工艺发展到了集结构、力学、电子等多门类科学为一体的综合工程学科。焊接产业急需提高自动化程度，满足高效率化的要求。因此，国内外在自动化焊接领域作了大量研究，取得了许多成果。 随着焊接在生产建设中广泛的应用，点焊在汽车制造业中发挥着重要作用。在没有完全实现机器人自动化焊接时，需要大量的人工焊接。由于人工
12、操作的随机性，漏点、漏焊现象时有发生。要解决这一问题，需要增加大量的品质人员对点焊的操作进行检查和巡查。为了改变这一现状，根据焊接设备的发展方向，现已有一种可以提高生产过程中焊接质量与效率的方法-用单片机实现焊接控制自动化。在各种焊接设备所采用的微机控制系统中，单片机是以工业控制为目而设计的，它将计算机的一些功能集成在一块芯片上，体积小且价格便宜，其运算和逻辑功能，可以有效地满足各种复杂生产过程的控制要求，同时，它的高速度足以对各种控制模式作出实时响应，并赋于它与许多控制回路进行信息交换和进行控制调整的功能，其性能已远远超过以分立元件为主的控制电路。特别是单片机通过修改软件，可使设备快速、方便
13、地获得新的功能，所以单片机用在焊机上的性能价格比较高，为设备本身自动化和生产过程自动化，提供了性能优良的控制装置。 在此方案中，主要采用单片机技术、液晶显示技术、脉宽调制技术等,完成了焊接操作机的数字控制。焊接操作机所有动作控制全部采用固态继电器,用单片机控制,焊接速度采用单片机进行脉宽控制,真正实现位置控制,具有控制精度高,稳定。并可以数值设置及实时显示:焊接速度、行走距离、横梁上升时间、横梁后退距离等参数。该装置中单片机控制点焊过程，键盘控制输入参数，LED动态显示。采用该控制器可改善焊接循环，提高焊接电流和焊接时间的控制精度，工作性能稳定，程序编制灵活，试验表明，其性能稳定可靠，并具备进
14、一步扩展，开发的能力.1 设计要求 1.1 技术概要在此方案中1，主要采用单片机技术、液晶显示技术、脉宽调制技术等,完成了焊接操作机的数字控制。采用位置传感器，构成闭环系统，实现焊点的精确定位。1.2 系统功能在系统运作过程中主要实现如下功能：1.2.1 电动机的采点作用。电动机在设置参数之前可自动对欲焊接点进行系统坐标定位。1.2.2 数值设置及液晶显示作用。通过按键设备及显示设备可实现参数的设置及显示。主要设置如下参数：目标焊点位置、预热时间及出锡时间。并且可通过MCU来对所设参数进行存储（至少可存储10个点）。且程序启动后可任意调用某个点的参数。1.2.3 接近开关的检测作用。当检测到有
15、被焊对象进入预定位置后，整个装置即启动。1.2.4 电动机的自动焊接作用1） 电动机动作及反馈作用：与机器人手臂相连的烙铁在X、Y轴方向两个电动机的共同作用下，到达以前预设的坐标点时停住（停留时间可调）。由于系统为闭环系统，故烙铁到达坐标点后，由位置传感器检测烙铁是否到达目标点。若到达，则开始焊接动作；若未到达，则通过程序进行细调。当位置传感器检测到烙铁已到达目标点 时，则细调停止，开始焊接动作。2） 焊接动作：当电动机带动烙铁到达目标点停住后，Z轴方向的汽缸将向下移,使烙铁接触欲焊点。系统将根据设置的时间完成预热及另外的汽缸控制的出锡动作。3) 第二点的焊接同第一点，依此类推。4） 焊接完成
16、后，汽缸动作，释放被焊对象，等待下一个被焊对象的到来，进入下一个焊接循环。2 设计原理焊接操作机中，烙铁的上下移动由汽缸控制，机器人手臂的平面运动由X/Y轴两路步进电机控制，焊接速度采用单片机脉宽控制，位置显示采用位移传感器控制。其中，单片机控制焊接过程，键盘控制输入参数，LCD动态显示操作当前状态。平面运动控制系统由三部分构成：单片机、驱动器、步进电机。单片机用于将运动指令下达给驱动器，同时检测和显示运动状态，运动控制器根据主机的运动命令对各轴电机驱动系统发出脉冲/方向命令，并对I/O口和其他信号进行管理。驱动器的作用是根据控制器发来的脉冲/方向指令控制电机线圈的电流以及相应的电磁场和电磁力
17、矩，从而使得电机转轴执行与脉冲/方向指令相对应的转动，步进电机配步进驱动器。执行电机在驱动器的推动下，通过转轴的旋转来控制机械装置（运动轴）的位置和速度。2.1 硬件设计及实现2.1.1 结构框图硬件系统主要由中央处理单元、反馈单元、焊接单元、按键控制单元、LCD显示单元五个部分组成。如下面模拟框图所示2:液晶显示器LCD位移传感器三端稳压器 LM7805 微控制器 MCU步进电机驱动器AKS230X轴步进电机 继电器驱动器ULN2003汽缸1继电器1继电器2汽缸2Y轴步进电机步进电机驱动器AKS230汽缸3继电器3外部晶振 接近开 关 键 盘 3 * 3 2.1.2 中央处理单元由单片机(M
18、CU)、步进电机驱动器、步进电机组成。2.1.2.1 MCU的管脚图3: 主控制器采用摩托罗拉半导体公司的M68HC908LJ12单片机芯片。它具有低成本、高性能的特点，采用增强的M68HC08中央处理器，配有FLASH闪存模块。且具有灵活的定时器功能及A/D转换功能，同时含有OSD模块及键盘中断KBI模块，可自行驱动LCD。它采用5V电压供电，本系统中采用LM7805把24V直流电压转化为5V直流电压，而24V直流电压可以从开关电源处取得。2.1.2.2 MCU与电源1) MCU与电源的连接框图 2） LM7805说明4 LM7805是常用的三端稳压器，一般使用的是TO-220封装，能提供D
19、C 5V的输出电压，应用范围广，内含过流和过载保护电路。带散热片时能持续提供1A的电流。在本系统中，24V电源可从开关电源处获得，经转换后得到的5V电压直接给单片机供电。 2.1.2.3 MCU与晶振 1） MCU与晶振的连接框图 2）晶振的使用说明5 MCU 内部有一个高增益的反相器，用于构成振荡器，引脚OSC1 和OSC2分别是此放大器的输入端和输出端。在引脚OSC1 和OSC2两端跨接晶体或陶瓷振荡器，就构成了稳定的自激振荡器。其发出的脉冲直接送入内部时钟发生器，如上图所示。外接晶振时，电容C1、C2值通常选择为25pF左右，晶振选为 9.8304 MHz。为了减少寄生电容，更好地保证振
20、荡器稳定可靠地工作，谐振器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近。 2.1.2.4 MCU与接近开关 1） MCU与接近开关的连接框图 2） 接近开关说明6 接近开关可以检测传送带上的物件是否到达焊接系统所在的位置，到达时会给MCU一个反馈信号，此时可以启动系统。2.1.2.5 MCU与步进电机1) MCU与步进电机的连接图2) 步进驱动器AKS230说明7：步进驱动器是步进系统中核心组件之一。本系统采用两相混合式步进电机，使用简单，成本低，可靠性高，它按照控制器发来的脉冲/方向指令（弱电信号）对电机线圈电流（强电）进行控制，使其绕组按一定的时序正反转，从而控制电机转轴的位置和速度。两相步进电机
21、绕组的通电方向顺序按照AC BD CA DB四个状态周而复始进行变化，每变化一次，电机运转一步。该驱动芯片采用美国高性能专用微步距电脑控制芯片AKS230,它的细分数可根据用户需求专门设计, 该控制器适合驱动中小型的任何两相或四相混合式步进电机。由于采用新型的双极性恒流斩波技术，使电机运行精度高, 振动小, 噪声低,运行平稳。3） 管脚定义：1 1 VCC+，GND端为外接直流电源，直流电压范围为+12V+45V。注：切忌超过40V，以免损坏模块.2 2 A+，A-端为电机A相。3 3 B+，B-端为电机B相。4 4 CP+、CP-：步进脉冲输入端（上升沿有效，持续时间10S）。5 5 CW+
22、、CW-：电机运转方向控制，通过控制该端子电平可改变电机运行方向。6 6 REST+、REST-：急停复位。 4） 控制信号 驱动器接收的脉冲信号为脉冲+方向8，信号图如下：CP-： CW-： 正向 反向 例如X轴坐标定位： 一端口用于 定时器产生脉冲序列CP-，上升沿触发电机转动，根据定位坐标决定脉冲个数。 另一端口用于改变电机转向，TTL电平驱动。5） 步进电机的运动原理： 步进电机会在方波信号的作用下转动，一个脉冲走一步，每一步的距离由驱动器的细分数确定。方波信号由MCU产生，经管脚输出给驱动器，由驱动器控制步进电机转动。 2.1.3 反馈单元 由单片机及位移传感器组成反馈系统。 1）
23、MCU 与位移传感器的连接图 2) JJX光栅位移传感器的使用说明9： 光栅尺可应用于数控加工中心，机床，金属板压制和焊接机，机器人和自动化科技，生产过程测量机器, 直线马达, 直线导轨定位等方面。它的一般性能有： （1）高分辨率：0.005mm（选购0.0001,0.0002,0.0005,0.001mm)（2）精密准确度：0.002,0.0 03,0.005mm（3）测量行程：3 - 30000mm（4）输出信号： TTL（方波），RS232，RS485 2.14 焊接单元1）由汽缸、烙铁、出锡装置组成。 2） MCU与汽缸的连接图 注：汽缸在继电器的作用下开始工作，即下移或上移。继电器采
24、用ULN2003驱动。3） 继电器驱动器ULN2003说明10： ULN2003 是高耐压、大电流达林顿阵列，由七个硅NPN 达林顿管组成。24V供电，最大输出电流为500毫安。ULN2003 采用DIP-16 塑料封装。 4）继电器驱动器 ULN2003管脚定义：(1) ULN2003的A0-A2接MCU的输出端口PTD1-PTD3。(2) YK0-YK2接继电器的线圈引脚一端。(3) COM接24V电源，从开关电源处获得。(4) K接地。 5） 电磁继电器说明11：电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。它是一种电子控制器件，即用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。在
25、电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。6） 电磁继电器管脚定义： （1） 本系统中采用欧姆龙5管脚继电器，24V电压供电， （2） 当MCU输出高电平时，由于ULN2003的非门作用使得继电器吸合，故而整个电路导通。 （3） 在本系统中采用其中的三个管脚，管脚1接入ULN2003管脚。 （4） 管脚2接24V电压，从开关电源处获得。 （5） 管脚3接汽缸的输入端。2.1.5 按键控制单元 1） MCU与键盘的连接图2） 按键分布如下12： 3） 按键说明: 按键操作采用键盘扫描方式，其中PTA0-PTA2为输入端口，PTA3-PTA5为输出端口。在硬件电路中，每一个会被编号，将直接对应
26、键盘显示分布模块中的各个功能按键。2.1.6 液晶显示单元 1） MCU 与液晶显示器（LCD）连接图 2） YM1604AP-1说明13： (1) 本系统所采用的为字符型液晶显示器，5V供电。其中1管脚接地，2、3管脚与2k的电阻串联后接5V电源，其他管脚与单片机相连，如上图所示，15管脚接5V电源，16脚接地。(2) 液晶显示器上Vss为接地端，V为电源端，V为液晶显示器的驱动电压， EN为使能端，RS为寄存器选择端，RW为读写选择端DB0-DB7为数据端口，A为背光输入正极性端，输入低电平，则显示器无背光；输入高电平，则显示器有背光，K为背光输入负极性端。 2.2 界面设计及实现2.2.
27、1 按键分布与功能说明2.2.1.1 按键分布图On/Off +/y+ STOPH /x+ OK V /x_ Dul-by /y_ RESET 2.2.1.2 按键功能说明 1）“On/Off ”键： 当开关电源接通后，短按该键（约2-4秒钟），单片机上电，液晶显示器开始工作，显示主界面；当单片机开始上电后，任何时刻长按该键（约5-8秒钟），停止给单片机和液晶显示器供电，各芯片停止工作，电机停止运动，液晶显示器黑屏。 2）“ +/y+ ” 键： 当进入设置界面以后，进行数值设置时，按下该键一次，屏幕上的光标所指数的数值加1，其变换模式为 “01234567890 ”； 当进入采点界面以后，进行
28、采点时，按下该键一次，Y轴电机前进一步，长按时Y轴电机一直前进。3）“ STOP ”键： 任意时刻按下该键，单片机立即停止工作，液晶显示器黑屏，电机停止运动。4）“ H /x+ ”键： 当按下该键一次 ，屏幕上的光标下移一行，其移动模式为 “12341”； 当进入采点显示界面后，按下该键一次，X轴电机前进一步，长按时X轴电机一直前进；直到到达最远点为止。 5）“ OK ” 键： 按下该键一次，执行屏幕上光标所在行的相应操作或直接返回主界面。6）“ V /x_ ”键： 当按下该键一次 ，屏幕上的光标右移一列，其移动模式为“123456789101”或“123451”； 当进入采点显示界面后，按下
29、该键一次，X轴电机后退一步，长按时X轴电机一直后退；直到回到原点为止。 7）“Dul-by ”键：当进入采点显示界面后，按下该键一次，屏幕上的第四行最后一位数加1，完成倍乘数的选择，其循环模式为“0120”。8）“/y_ ”键： 当进入设置界面以后，进行数值设置时，按下该键一次，屏幕上的光标所指数的数值减1，其变换模式为 “09876543210 ”； 当进入采点界面以后，进行采点时，按下该键一次，Y轴电机前进一步，长按时Y轴电机一直前进，直到到达最远点为止。9）“RESET ”键：任意时刻按下该键时，执行复位功能，两路电动机开始向原点运动；回到原点后，屏幕自动回到主界面，程序处于下一个循环的
30、等待状态。 2.2.2界面显示与按键操作2.2.2.1 界面关系图 根据界面显示与按键顺序的如下关系图：采点时的选点界面主界面设置时的选择界面操作界面复位界面焊点选择界面汽缸选择界面采点显示界面焊点参数设置界面汽缸参数设置界面2.2.2.2 主界面当短按“On/Off ”键时，系统上电；屏幕初始光标在第一行，指向采点，屏幕显示主界面， 如图(1)所示：CollectSetStartReset 图1 当“H /x+ ” 键按下一次，屏幕上的光标下移一行，其移动模式为 “12341”。 当光标在第一行，指向Collect(采点)时，按下“OK”(确定)键一次后，进入采点时的选点界面，屏幕显示如图1
31、.1所示。当光标在第二行，指向Set (设置) 时，按下“OK”(确定)键一次后，进入设置时的选择界面，屏幕显示如图1.2 所示。当光标在第三行，指向Start(开始) 时，按下“OK” (确定)键一次后， 电机开始运动，进入焊接时的操作界面，屏幕显示如图1.3所示。当光标在第四行，指向Reset(复位)时，按下“OK” (确定)键一次后，执行复位程序，进入复位时的复位界面，屏幕显示如图1.4 所示。2.2.2.3 采点时的选点界面：Choose Point123456789 10BackChoose Point 123456789 10Back 图1.1 当“H /x+ ” 键按下一次，屏幕
32、上的光标下移一行，其移动模式为 “12341”。 当“V /x_ ” 键按下一次，屏幕上的光标右移一列 ，其移动模式为 “123456789101”。 当光标在第一行，指向Choose Point(选点)时，按下“OK”(确定)键一次后，屏幕显示不变。当光标在第二行，指向 123456789 10 时，可以进行列选择， 按下“OK”(确定)键一次后，采所选择的点，如选择5 点，屏幕显示如图1.1.2所示。当光标在第三行，指向（空白行）时，按下“OK”(确定)键一次后，屏幕显示不变。当光标在第四行，指向Back ( 返回 ) 时，按下“OK”(确定)键一次后，则返回上一层界面，即主界面，如图1 所示。 2.2.2.4 采点显示界面:Collecting X5 : 0 0 0 mm Y5 : 0 0 0 mmStep as 10 0Back 图1.1.2 当“Dul-by”键按下一次，屏幕上的第四行最后一位数加1，完成倍乘数的选择，其循环模式为“0120”。当倍乘数选定后，此时在键盘上可以进行采点操作，并通过屏幕实时显示点的坐标，即：按“H/x+”键按一次，X轴电机前进一步，
