基于單片機(jī)系統(tǒng)的電子束焊機(jī)數(shù)字掃描信號發(fā)生器

1、第3期(總第148期)2008年6月機(jī)械工程與自動化MECHANICALENGINEERING&AUT0MAT10NNo3Jun文章編號：1672—6413(2008)03—0047—03基于單片機(jī)的電子束焊機(jī)數(shù)字掃描信號發(fā)生器岑藝，李少林(桂林電子科技大學(xué)機(jī)電3程學(xué)院，廣西桂林541004)摘要：簡述了電子束偏轉(zhuǎn)掃描原理和周期性波形設(shè)計方法，介紹了基于AT89S51單片機(jī)的雙通道數(shù)字掃描信號發(fā)生器的設(shè)計及其實現(xiàn)。利用串口通信，用戶可以

2、通過PC機(jī)選擇所需信號波形。關(guān)鍵詞：電子束焊機(jī)；單片機(jī)；信號發(fā)生器中圖分類號：TG4393文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A0引言電子束焊機(jī)被廣泛應(yīng)用于高能物理、冶金工業(yè)、微電子工業(yè)、機(jī)械工業(yè)和航天航空工業(yè)等各個領(lǐng)域，在國民經(jīng)濟(jì)中起著非常重要的作用。在電子束焊接過程中，需要對電子束的軌跡進(jìn)行精確控制，以達(dá)到一些特殊焊接工藝的要求，因此，要求電子束焊機(jī)具有掃描功能。電子束需掃描的圖形是多樣的，如點、線、圓、半圓、橢圓及矩形面等，這就要求電子束焊機(jī)的掃描信號發(fā)

3、生器能生成多種圖形的掃描信號。掃描信號發(fā)生器必須具有性能好、功能強(qiáng)和結(jié)構(gòu)簡單等特點，本文針對上述要求提出基于單片機(jī)的數(shù)字掃描信號發(fā)生器設(shè)計方法。1電子束掃描原理電子束以速度通過給定的均勻磁場，在洛侖茲力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)。電子束在磁場出口處的偏轉(zhuǎn)距離Y與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系如下：廠一Y一2BI√2E_m。(1)式中：——電子的電荷量；——電子的質(zhì)量；E——電場的加速電壓；——均勻磁場長度。由式(1)可知：電子束偏轉(zhuǎn)距離Y與磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比，

4、而與加速電壓的平方根成反比。在加速電壓一定的情況下，在電子束真空管、Y方向同時加上不同的磁場信號，則電子束在兩方向磁場作用下能產(chǎn)生各種圖形的電子束軌跡，如在、Y方向分別加上正弦、余弦磁場信號就能產(chǎn)生圓或橢圓軌跡。電子束焊機(jī)的掃描信號可采用集成模擬電路或數(shù)字電路來獲收稿日期：2007—1230；修回日期：2008—01—20作者簡介：岑藝(1983一)，女廣西寧明人碩士研究生取。集成模擬電路功能單一，一種電路產(chǎn)生的波形種類少，因而存在電路

5、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易調(diào)試、工作可靠性差等多種缺點；而數(shù)字電路具有結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、功能多樣、可產(chǎn)生多種波形信號、易于調(diào)試等多種優(yōu)點，能滿足電子束掃描焊接多種功能的要求。2周期性波形的設(shè)計思想根據(jù)電子束掃描原理，必須在、Y方向的線圈上施加不同類型或相同類型的周期性函數(shù)信號，才能獲得不同形狀的電子束掃描軌跡。因此，掃描電路必須能同時輸出兩路波形信號。為了實現(xiàn)以上目的，我們向單片機(jī)預(yù)置相應(yīng)波形的程序，通過D／A轉(zhuǎn)換和其它外圍電路以獲取27、Y方向上

6、的信號。具體的原理框圖見圖1。]廠]PC；j串口l_l機(jī)、通信『Ij重『——～——]片鍵盤電路=機(jī)顯示電路二：圖1周期性波形的產(chǎn)生原理框圖使用函數(shù)信號能夠得到很好的波形，但是在單片機(jī)CPU時鐘頻率沒有調(diào)到最高的情況下，得到的波形頻率只是在幾毫赫茲到幾十赫茲之間。為了提高波形頻率，需要免去單片機(jī)計算輸出波形的計算負(fù)擔(dān)，人為地對波形輸出點進(jìn)行計算，并轉(zhuǎn)化成D／A轉(zhuǎn)換器輸人數(shù)值，即波代碼，然后建立函數(shù)表，通過查表來進(jìn)行輸出。我們知道，一個正弦

7、函數(shù)的周期是360。，值域為維普資訊學(xué)兔兔www.xuetutu.com2008年第3期岑藝，等：基于單片機(jī)的電子柬焊機(jī)數(shù)字掃描信號發(fā)生器49轉(zhuǎn)換后的模擬信號是單極性電壓信號，需要濾波放大方可驅(qū)動電子槍的偏轉(zhuǎn)線圈，濾波放大電路見圖4。PlOPoo39／＼7DIOV(俐—3_一PllPO1暨3，＼DI1ILE4P12PO2要，DI2VREF95P13PO336／＼4DI3RtbP14P0435／＼16Lg356I—LP15P05絲／、壓D

8、I41廠刊P16PO633／＼14DI511■一32／＼13DI6Iout112—3廠—l—一P17P077Io—ut2一】一生__j。、，～rL一’1===聲一杰v面—一13INT1P2021J17：一墼12：INr0P2122XFERwR1～2315P222414ToIAT89S5125＼7—5VP2526＼6DIOv(]C31／VPP2627＼5DI1IL』E19P2728＼4DI2VREF9X1＼16DI3rfo18X2＼15D

9、I4LM356IRD17＼14DI51I812￡9RESET‘。IN——：16＼13DI6Iout111—一1DI7Iout2123且RXDALE／P3017：CSWR21_12v4一～L5_一XFERWR111TXDPSEN29U3DACG832I圖3D／A轉(zhuǎn)換電路硬件連接圖圖4濾波放大電路由于受到DAC0832分辨率的限制和內(nèi)部模擬電子開關(guān)時間不一致的影響以及開關(guān)接通、斷開時間的脈沖干擾，使得D／A轉(zhuǎn)換電路輸出存在尖峰干擾和毛刺現(xiàn)象

10、，為了避免尖峰和毛刺被放大難以濾除，先要對輸出波形進(jìn)行濾波。圖4中，接人7c型濾波器消除轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生的毛刺。為了使波形輸出零點對齊，首先要結(jié)合去直流電路把D／A轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的直流分量去掉，然后再把濾去直流分量的z方向電壓信號與電位器RP1上的分壓信號相加，即在原來波形上疊加一個直流恒定電壓信號以調(diào)節(jié)信號波形零點。調(diào)節(jié)電路中的電位器RP2，可以改變輸出波形幅值，這樣可得到放大后的z方向電壓信號。同理，可得到Y(jié)方向電壓信號的濾波放大信號。放大后

11、的輸出電壓信號驅(qū)動電子槍的偏轉(zhuǎn)線圈，使偏轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生正交均勻磁場，以控制電子束的掃描軌跡，從而實現(xiàn)特殊焊接工藝要求。36串行通信接口電路設(shè)計中，把AT89S51單片機(jī)與PC機(jī)接口COM1連接以進(jìn)行串行通信，并在VisualBasic環(huán)境下，利用現(xiàn)有MicrosoftCommControl控件實現(xiàn)可視化人機(jī)交互界面。通過PC機(jī)，用戶可以選擇所需波形，設(shè)置輸出波形信號的幅度、頻率值，并對波形進(jìn)行顯示、存儲等。為了能使單片機(jī)與PC機(jī)之間通信，采

12、用Rs一232C串行通信標(biāo)準(zhǔn)總線接口，以二芯屏幕電纜為傳輸介質(zhì)。鑒于單片機(jī)的串行口輸入輸出為TTI邏輯電平，高電平為38V左右，低電平為03V左右，而PC機(jī)的RS232C串行口則采用12V和一12V電平方式，采用RS一232C電平轉(zhuǎn)換器MAX232將二者之間的電平轉(zhuǎn)換。4結(jié)束語本文所設(shè)計的數(shù)字掃描雙通道波形信號發(fā)生器，采用軟硬件結(jié)合的方法簡化了硬件設(shè)備，波形參數(shù)(幅度、頻率)可以在一定范圍內(nèi)變化，通過VB實現(xiàn)可視化人機(jī)交互，操作方便。當(dāng)

13、然，這個波形信號發(fā)生器還存在不足之處，如產(chǎn)生高頻波形時頻率精度下降、濾波電路比較簡單，還有待于進(jìn)一步提高。參考文獻(xiàn)：[1]范玉殿電子束和離子束加工[M]北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1989[23韋壽祺一種新型的電子束焊機(jī)用多種掃描信號發(fā)生器[J]電焊機(jī)，1999(6)：17—1913]謝自美電子線路設(shè)計實驗測試[M]第2版武漢：華中科技大學(xué)出版社，2000[4]陶益凡基于DDS的信號發(fā)生器的研制[D]南京：南京信息工程大學(xué)，2006：1726