摘 要： 针对PE管件焊接的国际标准，研制了高性能PE管焊接系统。系统以89C51RD2单片机为控制核心，分析了热熔焊接" title="热熔焊接">热熔焊接系统的工作原理，利用中断和定时技术，以A/D" title="A/D">A/D采样反馈电压为比较条件，通过改变可控硅导通" title="导通">导通角的大小，实现了输出可调高精度焊接电压。
    关键词： 电压控制  单片机  热熔焊接

    城市燃气管道过去一直采用金属材料（钢、铸铁）。聚乙烯(PE)管作为一种质轻强度好的耐腐蚀新型材料，在国外已有完全取代金属管的趋势。这是因为PE管具有重量轻、柔性好、可缠绕、施工方便、耐腐蚀、管道内壁光滑压力损失小、气密性安全可靠、对地基沉降或震动有较强的适应性、化学性能优良、使用寿命长（寿命可达50年以上）等特点^[1]。由于PE管具有金属管道所没有的独特优点，所以在我国城镇燃气输配管网中， PE管已逐步得到应用。
    PE管件施工的主要难题之一是焊接。要求焊接过程定时输出高精度电压，而施工时往往在野外，使用自备发电机，电压不稳定。本文所研制的热熔焊接系统是按国家ISO9000标准设计，具有条码识别，有自动、手动和识别电阻三种焊接方式，中英文两种界面显示，大容量记录存储，可产生偏差为±0.1V高精度电压等特点。系统以单片机为核心，利用中断、定时技术产生脉冲控制双向可控硅来切换控制变压器，实现交流稳压。该稳压器响应速度快、精度高、动作准确可靠，可完成热熔焊接的各项指标。
1 PE管热熔焊接系统硬件设计
1.1 焊接系统工作原理
    PE管热熔焊接国际标准：
    标准电压输出：40V、39.5V；
    电压输出范围：8V～48V（可选）；
    电压波动：±0.5V；
    按国家标准规定^[2]，柴油发电机的电压调整率为：
   

    由以上标准可知，PE管件热熔焊接系统的主电路应输出可调节电压，且对柴油发电机的输出电压" title="输出电压">输出电压波动进行处理，使其电压波动小于±0.5V，调整脉冲宽度输出电压有效值" title="有效值">有效值波形如图1所示。利用双向可控硅的导通特性，通过改变导通角的大小，可提供从0V～50V的输出电压。每周期微调导通角，使其有效值稳定在要求的电压上，波动小于±0.5V。输出电压有效值和输出电流有效值分别为：
   

                         
1.2 主电路设计
    热熔焊接系统的主控电路如图2所示。电路将输入220V电压变为50V输出电压。双向可控硅串入220V回路中，虽然也可以串入到50V回路中进行控制，但由于电流大，器件选择困难，且体积过大，因此不宜采用。其栅极控制端脉冲驱动由单片机产生，控制电路与主电路由光藕MOC3021将强电与弱电隔开，起隔离保护作用。R4与C2组成吸收回路，以抑制施加到器件上dv/dt的值。当负载为感性时，在转换期间由于电流的延时作用，可能导致栅极信号无法控制，因此设计时需注意参数的选择^[3-4]。

                        
    同步信号电压过零时，可控硅关断，定时器开始定时，定时时间到时，单片机控制输出脉冲，可控硅的栅极信号为高，电路导通，电压再过零时可控硅关断。如此循环，定时器定时时间即为导通角α，通过改变α的大小，电压可在0V~50V任意输出。
1.3 系统硬件结构
    系统是以P89C51RD2为核心而设计的^[5]，其硬件结构如图3所示。主要包括A/D转换电路、外围设备接口、存储器、系统时钟模块及主电路驱动控制模块等。

                                 
    (1)A/D转换电路为系统最关键的模块之一，采用12位TLC2543转换芯片实现。该芯片将有效真值输入到直流转换的单片集成电路中；TLC2543直接计算包括交流和直流的任何复杂输入波形，它有峰值系数补偿配置，在峰值系数等于7时，测量误差只有1%；采集反馈电压、电流信号，根据采集的电压信号对输出脉冲导通角进行调整，以此来保证输出电压具有足够的精度。
    (2)外围设备接口电路包括键盘接口、打印机接口、LCD显示器接口和扫描笔接口。键盘和打印机由并行接口芯片8255A控制。键盘使用PB口，设置为输入工作方式。打印机使用PA口输出数据，PC口为控制信号输入和输出。扫描笔主要扫描PE管的条形码和工作人员工作条形码，利用RS232串行接口方式，串行接口芯片采用MAX232设计。本系统采用240×180点阵液晶显示器，由单片机直接输入命令和数据，使用自制点阵字库控制显示器，显示内容包括英文字符、汉字和图形等。
    (3)PE管件焊接要求环境温度为20℃，有些管件在环境温度高于或低于20℃时，要求在焊接时间上给于补偿。系统测量温度使用DALLAS公司生产的DS18B20温度传感器，DS18B20属于单总线器件，具有硬件设计线路简单、体积更小、适用电压更宽和测温准确等特点。由于DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此对读写的数据位有着严格的时序要求。软件设计主要有初始化时序、读时序和写时序。
    (4)可控硅驱动电路是系统的核心。利用同步信号过零时产生中断、关断可控硅，定时器开始定时、定时时间到后产生中断及开启可控硅。系统根据反馈电压与给定电压相比较的压差来改变定时时间，达到控制导通角、输出不同电压的目的。
    (5)其他模块主要有：①时钟模块。系统使用高性能的DS12887时钟芯片，其主要特点是地址/数据总线分时复用，自带晶体振荡器和电池，在没有外部电源的情况下可工作10年，内建128字节RAM，其中14字节时钟控制寄存器，114字节用于通用RAM。②存储器模块使用HK1245芯片，其存储空间为128KB，地址线17位，用来记录初始数据和焊接记录。③报警模块对系统非正常状态产生声光报警等。
2 软件设计
    系统软件的主要功能是:对电压、电流信号的数据采集、计算并对定时器的初值进行调整，改变可控硅控制脉冲的初始角，以达到电压的精确输出。软件流程图如图4所示。
                               

    软件开始对8255A、LCD等初始化，然后进入主循环。每次循环首先进行A/D采样，为提高采样数据的准确度，采用数字滤波技术和软件冗余方法，即采样10次，将极值去除后求平均值，以使干扰降为最低。TLC2543的采样及转换时间约为10μs，10次采样加上指令时间不超过1ms，而交流电半个周期为10ms，所以可满足半个周采样十次取有效值的要求。
    主程序的功能是以采样得来的电压为基准，改变触发脉冲导通角。当同步信号过零时，产生外部中断，使触发脉冲输出为低电平，可控硅关断；这时定时器开始定时计数，当定时器计数溢出时，产生定时中断，其定时中断服务程序是使触发脉冲输出为高电平，使可控硅导通。通过改变定时器的初值可改变导通角的大小，以输出不同的电压。为提高调节速度，使输出电压尽快达到要求的值，本文采用PID调节方法，即对测得电压与给定电压进行比较，当两者差值小于1V时，对定时器的初值每次加减定值5，确保输出电压稳定，进入微调阶段；当两者差值大于1V时，对定时器的初值采用二分调节法，使电压在几个周期内迅速达到要求值，然后进入微调阶段。
3 误差分析与抗干扰措施
    热熔管件焊接系统在实际应用中，因现场存在各种干扰，会出现测量误差，为此系统采取了如下抗干扰措施。
3.1 电源电路的抗干扰措施
    本系统通过柴油发电机供电，所以电网的噪声可通过电源电路干扰仪器电路，这是仪器电路受干扰的主要来源之一。其次电源电路本身也是一个干扰源，其产生的纹波、自激振荡等都可能对电子电路造成干扰。因此，在选用电源时，必须考虑其纹波电压的大小、电压是否稳定、隔离措施是否良好。本系统采用在强电和弱电之间加入光电隔离，电源电路外加屏蔽罩的抗干扰措施。
3.2 数字集成电路的抗干扰措施
    在数字集成电路的电源引入处，并接一个10μF左右的钽电容和一个0.01μF左右的陶瓷电容作为去耦电路，以防止因电源端电流变化对集成电路产生干扰。在布线上使集成电路外接定时电容和定时电阻，接点部分的引线尽可能短，电容的两根引线边到电路上所形成的环路面积要小，以防止耦合电磁场的噪声。
3.3 A/D转换电路的抗干扰措施
    管件上反馈电压为0～50V，通过分压电路转换为0～5V后送入到TLC2543转换芯片。由于系统是根据采集的电压信号对输出脉冲导通角进行调整的，因此，输入到A/D转换电路的电压应具有足够的精度，同时分压电路电阻应选用高精度电阻，其阻值的温度变化率、零漂都应相对稳定，以保障系统电压的稳定输出。
3.4 电路板设计
    印制电路板的设计是在考虑了整机的结构特点、电源的位置尺寸及各单元电路的相互关系后，从而确定电路板的安装位置及元器件在印制电路上的定位和布线。
    电路板采用双面印制板，一面作为电路连线用，另一面布放元器件。数字电路元件放在一起，模拟电路元件放在一起，放元件的一面整面以铜箔做地线，这样可使地电阻、地电感大大减小，使各接地点之间地电位基本相等。由于整个线路的元件与“地”紧挨着，因此一些干扰电场直接入了“地”，减弱了元件之间、走线之间以及走线与元件之间的串接或寄生耦合，有效地消除了脉冲串扰。印制电路板上数字地与模拟地分开，以减小数字集成电路的噪声干扰通过地电阻对模拟电路产生影响。输出匹配电路与其他单元电路分开制版，以减小其他电路分布参数对输出匹配电路部分的影响。根据印制电路板电流的大小，尽量加粗电源线宽度，减少环路电路。
    本系统采用以单片机为核心的控制方法，简化了控制电路，降低了成本，提高了系统的可靠性。在标准8V～48V电压焊接过程中，电压波动小、精度高，理论计算电压波动约等于±0.07V。经实测，电压波动小于±0.1V，优于PE管件国际焊接标准电压波动±0.5V的需求。但测试过程中发现，0～5V电压焊接时，可控硅出现断续现象，电压波动加大。其原因，一方面是由于A/D采样转换期间，在小电压时绝对误差不变，但相对误差变大；另一方面是由于负载为感性，电流滞后于电压，存在阻抗角?准=arctan(?棕L/R)，因此电路不可能在0～50V之间全程调节。本系统另一个特点是进入稳态快。由于采用二分调节法，电压经过不到10个周期的调节即可从0V调到40V，保证了焊接效果和质量。本系统与国外同类产品比较达到较先进水平，目前已形成产品并开始推广应用，且应用效果良好。

参考文献
[1] 阳代军.塑料压力管道的连接技术[J].焊接技术，2002,1):14-16.
[2] 陈新华.柴油发电机组-稳压调速控制系统的研究.山东矿业学院学报，1999,(1):45-47.
[3] 陈坚.电力电子学[M]. 北京：高等教育出版社，2002：217-229.
[4] 张立.现代电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，1990：198-207.
[5] 何立民.单片机应用系统设计[M]. 北京：北京航空航天大学出版社,1992：165-178.