江东
（云南大西洋焊接材料有限公司，云南 昆明 650000）
【摘要】点焊在当前很多领域都有应用，电流检测是确保焊接质量的关键，必须有一套科学的检测仪器。本文介绍一种以MSP430单片机为基础的检测仪表，从系统设计总方案、硬件和软件设计几方面对其进行了分析。
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关键词 MSP430单片机；点焊电流检测仪；电流有效值
0引言
点焊是一种便于操作、高速经济，通过对焊件接头接触面上的关键点进行焊接而实现最终焊接效果连接方法，在航空航天、汽车机械制造等行业有着广泛应用，如发动机轴承座、加力燃烧室等构件。影响点焊质量的因素有很多，包括焊接电流、加压时间、电极压力等，尤其是焊接电流，直接决定着焊接效果。这就要求应通过电流检测实时了解电流的变化，而起电流是一种非正弦波形，检测难度很大。如何应用新技术对其进行精确地检测在当前备受重视。
1点焊电流检测仪器
1.1现状
点焊时产生的电流其实代表着对焊接对象的热输入量，其数值很大，而且焊接时间极短，电流波动一旦超过5%，焊接接头的强度就会受到明显影响。所以一般的电流表不可能完成其电流检测工作。行业内将点焊电流检测仪表分为通用和专用两大类，前者以光纤示波器为主，后者则主要是外接高精度传感器的仪表。当前使用最多的是专用仪表，具有成本低、精度高、结构紧凑、抗干扰能力强等诸多优势。其硬件结构有模拟电路和微处理器两大类。
1.2电流有效值
电流检测的关键有两点，一是采集电流信号，二是计算电流有效值。在有效值计算方面，常用的方法有两种：一是模拟法，需用到真有效值转换器、平均值转换器等，由于电路复杂，运算量大，且焊接时有各种不固定因素，致使最终计算结果往往与实际值有很大误差；二是数字法。又可细分为逐点积分法、导通角系数法和峰值角计算法三种，逐点积分法不存在原理误差，但必须保证数据采集的连续性，计算量很大，对仪器性能要求较高；另外两种方法虽然计算速度快，但存在误差且很容易有大的变动。
如今，微电子技术取得了很大进步，高性能16位单片机的应用就是最好的体现，大大提升了AD转换器和单片机的性能，弥补了逐点积分法对检测仪器要求的不足。所以，逐点积分法在当前应用越来越多。
2基于MPS单片机的点焊电流检测系统设计
2.1点焊过程
完成一个焊点要经历多道程序，一般而言，最关键的5道工序如下：①预压，主要是为了克服焊件本身的刚性；②通电，可作为预热，也可作为焊接电流；③间隙段。两次通电之间的时间，不能太长，否则会影响效率；④再次通电，可作为焊接电流，也可作为焊后热处理；⑤维持，焊接工作完成后，为防止熔核结晶飞溅，需维持一段时间。
2.2MSP430F135单片机
逐点积分法有一定的局限，此处选择的MSP430F135单片机属于MSP430flash系列，综合了高性能模拟电路、超低功率闪存、16位精简指令集CPU等现代化高新技术，工作电流很小，系统功耗较低，运算速度超快，指令周期可达125ns 。此外，该型号单片机还带有具备自动扫描、采样保持等功能的高速12位逐次逼近型ADC12，采样速率高达200k，足够弥补逐点积分法的缺陷。
2.3总体方案设计
为了提高点焊电流检测的精确度，在此设计了一套以MSP430F135单片机为基础的检测系统，框架图见右图，主要包括以下几部分：
①模拟部分。对接收到的电压信号进行分析处理，进入下一级积分电路后，实现电压信号到电流信号的转变；
②数字部分。电流信号进入AD转换器模拟信号输入端之后，单片机会对其进行接收、转换、分析处理，计算出电流值，与周波数一起发送至显示屏。该部分集成了JTAG接口，使得系统更加简化，降低了成本；
③电源电路。因为MSP430F135单片机功耗低，电源选择6V电池供电。
3基于MSP430单片机的点焊机电流检测仪器
此处主要对设计检测系统的硬件和软件进行分析，硬件是系统的物质基础，担负着一系列信号处理任务。软件系统要考虑硬件的简单化，尽可能地减少硬件部件。当然，硬件也必须和软件系统相匹配。
3.1硬件部分设计
3.1.1模拟电路设计
这一部分电路包括比例分压、积分电路、电容隔离等几部分，主要功能是完成信号的放大滤波。因选择的是低功耗单片机，为缩小仪器体积，便于携带，使用9V电池。输出电压后，经电压调节芯片会产生3.3V电压，芯片、运放正极和单片机都由此电压供电，同时负压输出芯片也会产生一股—3V的电压到运放负极。互感器在点焊时安装在焊接臂上，起的是电流互感器的作用，考虑到它输出的电压可能会超出基准范围，所以有比例分压电路，能够很好地保护单片机内部的AD。此外，互感器工作时先要经过运放积分电路还原，然后还要经过电容，直至将直流量全部滤除，得到积分信号。该信号一路作为输入AD的采样信号，另一路作为正弦半波的同步脉冲触发信号。
３．１．２数字电路设计
此处设计的电焊电流监测仪器使用的16位单片机有着极快的运算速度，采用RISC精简指令集结构，且内部AD、FLASH、计数器、乘法器等资源都足够，休眠模式也有多种，有利于降低功耗，使电池能够工作更长时间。
3.2软件部分设计
３．２．１主程序
主程序是整个检测系统中各个模块的功能能否充分发挥的基础，若主程序设计不合理，势必会影响到检测的精确度。此处设计的主程序简单明了，有上电复位、关闭看门狗、内部模块初始化、外围模块初始化、介绍界面、进入休眠等多道程序。这种设计模式的优势在于可以充分发挥MSP430单机片低功耗的特点，既能提高作业效率，快速完成各项任务，还能够节约电能。
３．２．２中断程序
由于本仪器采用的是MSP430单片机的低功耗方式工作,所以,所有任务都是在中断部分里完成的，中断在该仪器的整个软件部分里起核心作用在硬件设计中,如果点焊机没有信号时,光耦部分一直输出高电平信号，如果点焊机有脉冲信号时，光耦部分则输出同步方波脉冲做为测量点焊电流的触发信号，送到单片机的一个有中断功能的IO口(P1或P2口)。当单片机的 IO 口检测到有下降沿时则触发中断，然后执行中断程序里的任务。
３．２．３子程序
调用子程序, 会使得主程序结构更清晰易懂, 更具有逻辑性。在本仪器软件结构中, 由于液晶采用的是串行数据传输方式，所以有在 c lk的触发下一个字节8位二进制数的传输子程序,写液晶寄存器的命令和数据的子程序，清屏程序以及指定位置显示某个汉字或数字的程序。涉及到的程序还有延时程序，电流有效值相关数据的计算程序以及往 flash 里读写数据的程序等。所有这些子程序在主程序的调度下完成了本仪器要实现的数据采集、计算及显示功能, 也是整个软件系统的基础环节。
4结束语
从上述分析中可知，此处设计的点焊电流检测仪功耗低、运算速度快，且携带方便，具有诸多优势，能够较好地检测点焊时的电流，满足当前工作的要求。在今后推广应用中，还可做进一步完善。
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［责任编辑：杨玉洁］