陆夏良，夏咸龙，王昌龙，陈靖芯，邵子恒
(扬州大学 机械工程学院，江苏 扬州 225127)
摘要：在分析塑料焊接原理的前提下，设计了热塑性塑料焊接的温度工控装置。阐述了其工控原理，设计了由STC12C5410AD单片机及外围功能电路组成的工控系统，通过该系统实现了对焊接温度的自动化控制；采用LabVIEW设计上位机软件，实现了PC机对温度的实时监测及各参数数据的及时处理。系统运行稳定、响应快、焊接效果良好。
关键词：热塑性塑料；塑料焊接；自动控制；单片机
目前大多数塑料包装袋焊接厂家都是由工人凭借操作经验人工开关闸刀来控制加热时间，这种焊接方法的温度难以得到准确地控制，生产效率低下，自动化程度低，不利于我国焊接技术朝自动化方向发展。本文研究的装置的焊接机理与热板焊接相同，都与塑料的黏性稳态流动有关，即与待焊接区黏度场有关；整个物理过程一般可以认为由一维热传导和二维塑料熔体流动两过程组成，前者决定后者[1-2]。本设计是在传统塑料焊接机的基础上植入单片机技术，采用STC12C5204AD单时钟单片机，另外增加了检测环节以及设定功能，节约能源[3-4]；温度采集过程通过K型热电偶和12位高精度热电偶数字转换芯片MAX6675实现，焊接装置可以记录生产过程中的主要参数，实现了设备智能化，且结构简单、造价低、操作稳定方便。
结合工业生产实际，为提高可靠性与实用性，降低成本，我们选择了基于单片机技术的温度控制方案，可以对热塑性塑料进行焊接。其焊接温度控制原理是：由单片机根据读取的焊接瞬间电阻带表面温度与设定温度相比较来控制固态继电器的快速通断，对电阻带进行控温加热。具体过程是：热电偶与电阻带表面直接接触，将热电偶直接连接到MAX6675芯片，在芯片内部完成信号放大滤波、冷端温度补偿。单片机直接通过SPI接口读取温度值，对来自MAX6675的信号进行处理，与设定值进行比较后，控制固态继电器的通断，从而控制电阻带两端的工作电压，影响加热过程，实现对热塑性塑料焊接的全程控制。实际工作装置是温度控制在电阻带上方依次放置特氟龙高温布、镀铝膜塑料袋、特氟龙高温布、装置主体铝合金块，而在其下方是多层隔热材料和装置主体铝合金块。
2.1 总体方案
热塑性塑料焊接机构的温度控制系统硬件主体部分包括作为温度传感器的细丝状镍铬-镍硅热电偶、温度数据处理模块MAX6675、主控单元8位单片机STC12C5410AD、加热电阻带、输入键盘、LCD显示器SMG12864SL及相关辅助电路等，如图1所示。
针对塑料焊接机需操作方便而直观这一特点，本系统设计了4个按键用于设置操作系统的各个功能参数：通电后确认键按下用于设定系统按照上次设定的工艺参数进行工作；设定键按下用于重新设定加工工艺参数；增加键和减少键配合使用用于增减加热温度和加热时间或冷却温度和冷却时间。温度测量采用镍铬-镍硅热电偶，测量温度范围为-200 ℃～+1 300 ℃，其优点是测温范围很宽、热电动势与温度关系近似线性、热电动势大、高温下抗氧化能力强等。温度处理模块采用MAX6675芯片，它是带有冷端补偿、线性校正、热电偶断线检测的串行K型热电偶模数转换器，它的温度分辨能力为0.25 ℃，冷端补偿范围为-20 ℃～+80 ℃，工作电压为3.0 V～5.5 V。输出控制模块采用SSR-10DA单相交流固态继电器控制变压器的通断，其1、2引脚之间可接24 V～380 V交流电压，3、4引脚之间输出3 V～32 V直流电压，一种无触点通断电子开关，可达到无触点无火花地接通断开电路的目的，具有工作可靠、寿命长、对外界干扰小、能与逻辑电容兼容、开关速度快和使用方便等优点。
2.2 外围电路构建
2.2.1 电源电路
单片机系统电源一般采用+5 V直流电源，因此需将实验室220 V交流电经过变压器变压和电桥整流后变为12 V直流电，然后再由MC7805ACT实现稳定的+5 V直流输出，为MAX6675、STC12C5410AD等单电源芯片供电。电阻带工作电压为36 V，采用JBK3-2000机床控制变压器将220 V变为36 V提供给电阻带工作。 分开供电采用稳压芯片的设计有效改善了电源不稳定易干扰的缺点，提高了系统稳定性。
图1 温度控制系统硬件总成
2.2.2 功能按键
为实现人机互动，装置安排了4个按键。其中，设定键接单片机外部中断0，由单片机P3.2口检测其引脚电压确定设定键是否按下；其他3键接P1.5，其是否按下由接口进行电压检测确定。为确定哪个按键被按下，本设计设定电压值在0 mV～40 mV之间表示确认键被按下，40 mV～500 mV之间表示减少键被按下，500 mV～800 mV之间表示增加键被按下，同时由于人的反应时间有限，本设计采用了延时子函数来实现按键去抖。通电后系统工作状态运行时，液晶显示上一次工作状态的各个参数，此时按下设定键系统进入单片机外部中断执行中断程序。液晶屏显示电阻带所需加热温度的设置值，通过增加减少键确定加热温度值。按下确认键，液晶显示恒定温度设置，同样由增加减少键来设定最终值。以此类推再次按下确认键，可设定加热时间、冷却温度、冷却时间等。
2.2.3 液晶显示
为了对塑料焊接过程进行实时跟踪，使各种参数直观化，本系统采用了SMG12864SL液晶显示器来显示系统工作时的加热温度、时间等参数，并且还可实现生产过程中温度—时间拟合曲线的动态显示，通过在8的整数倍处显示纵向图形(图形为宽度一列的8个点，两点温度相差10 ℃)，实现了加工过程各参数的全程观察。
3.1 主程序及相关子函数设计要求
主程序及相关子函数设计要求为：①主程序完成对输入信号的处理并输出相应控制信号实现对焊接过程中电阻带温度的控制，由液晶显示标志位决定液晶显示与否；②完成相关模块子函数的编写，如液晶初始化及显示子程序、MAX6675温度数据的模数转换子函数、控制继电器通断实现加热与冷却子程序以及4个按键的中断调用程序；③通过可图形化编程软件LabVIEW，采用RS485串口通信协议构建起上位机系统，完成相关串口通信子程序。
3.2 单片机主程序设计
主程序主要实现将采集到的温度与设定值进行比较，进而输出控制信号的大循环及系统初始化两部分，主程序流程如图2所示。
对按键子程序模块设计时，由程序将之前设置过的所有温度数据都写入单片机内部的EEPROM只读存储器中，之后每次读取之前设置过的温度值时，只需要从EEPROM中读取数据，即系统具备记忆功能。下次开机后若工艺参数不变，则系统可直接按照上一次的参数进行工作无需重复设置。为增加系统的可靠性，防止单片机程序跑飞，引进看门狗，让MCU定期按照一定要求访问看门狗，相关指令可通过特殊功能寄存器WDT_CONTR设置。
图2 主程序流程图
3.3 上位机软件设计
单片机与PC机进行数据传送可以通过串口实现。利用LabVIEW软件自带的VISA函数与串行接口进行通讯，其函数主要包括VISA配置串口、VISA写入、VISA读取和VISA关闭，通过VISA写入发送命令到设备，后由VISA读取从设备上读取所测数据。VISA程序框图如图3所示。
实验室测试的主要内容是：在220 V电压输入、室温22 ℃左右的情况下，该装置能否满足工作要求。实验环境的相关参数为：加热温度150 ℃，加热时间9 s，冷却温度65 ℃，冷却时间16 s。工作时间总计25 s，设定单片机每秒存储一个温度数值，一个工作周期结束后人工将25个数据发送到PC机，通过LabVIEW软件接收显示。实验室条件的温度时间关系如图4所示。
图3 VISA程序框图
图4 实验室条件下温度-时间关系
通过数据分析可以看出，该装置可以实现快速加热保温以及快速冷却的功能。但是在9 s之内，电阻带没有达到设定温度，这与工作电压有关，实验室电压为220 V而工业用电是380 V，两者存在较大差距，功率相差3倍。另外，根据放入实验装置的塑料袋来看，它的粘接状态良好，粘接处牢固平整，符合生产要求。
温控系统利用单片机作为核心处理器，设置了键盘、液晶显示、继电器、模数转换、热电偶温度采集等模块，利用可视化的人机交互界面能方便调节各焊接参数，从而实现对焊接过程的实时控制。
参考文献：
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[6]陈诚，李言武，葛立封.基于LabVIEW的单片机串口通信设计.现代计算机，2009(1)：198-200.
文章编号：1672-6413(2016)04-0151-03
收稿日期：2015-10-08；
修订日期：2016-05-15
作者简介：陆夏良(1990-)，男，江苏苏州人，在读硕士研究生，研究方向：单片机测控技术。
中图分类号：TP273∶TQ320.67+4
文献标识码：A
LU Xia-liang, XIA Xian-long, WANG Chang-long, CHEN Jing-xin, SHAO Zi-heng
(College of Mechanical Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225127, China)
Abstract： On the premise of analyzing the principle of plastic welding, a temperature control device of industrial thermoplastic welding was designed. The working principle of the control system based on chip microcontroller STC12C5410AD was introduced, and the other additional circuits were designed. The system realized the automatic control of the welding temperature. The PC software was designed by LabVIEW, the real-time monitoring of temperature was realized. The system is of stable operation and rapid responses, and the welding effect is good.
Key words： thermoplastic; plastic welding; automatic control; MCU
*江苏省科技厅产学研联合研究资金——前瞻性联合研究项目(BY2012160)
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