CN106444905A - 一种高温超导焊接温度同步测量控制器 - Google Patents

一种高温超导焊接温度同步测量控制器 Download PDF

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刘承连
宋云涛
冯汉升
丁开忠
周挺志
陆坤
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    • G05D23/19—Control of temperature characterised by the use of electric means
    • G05D23/20—Control of temperature characterised by the use of electric means with sensing elements having variation of electric or magnetic properties with change of temperature

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Abstract

本发明公开了一种高温超导焊接温度同步测量控制器，是一种采用单片计算机进行温度测量与控制的智能控制器，可同时测量三个温度传感器数据，并能根据前两路数据进行同步加热控制。本发明包括硬件电子线路与单片计算机软件程序两部分。电子线路包括1mA高精度恒流源、多路复用电路、差分电压信号放大、16位A/D转换、单片计算机及***电路、RS232通讯电路、声音报警电路、控制信号输出电路、键盘输入与双排数码管显示电路、电源等构成。软件程序主要由各个设备的驱动程序、A/D输入数据拟合计算、带比例死区与积分分离的增量式PID控制算法、毫秒级定时控制程序等组成。本发明结构小巧，成本低廉，读数可靠，控制稳定，用途较广。

Description

一种高温超导焊接温度同步测量控制器
技术领域
本发明涉及测量控制器领域，具体是一种高温超导焊接温度同步测量控制器。
背景技术
现在市场上有很多电阻式温度传感器的测量显示仪器，部分也可以根据预设温度进行一定范围内的温度上下限通断控制或PID调节，但一般都是对单路温度进行测量控制，尚无对多路温度进行测量并能同步控制加热源的类似仪表。现有仪表难以满足部分过程需要同步升温的应用需求，比如在高温超导电流引线超导叠真空钎焊时，需要对焊接模具底板和侧板加热器同时控制，使其温度在所用焊料熔点前同步，然后同时升高至焊接温度，保温预定时间后停止加热。鉴于目前市场上产品的现状，特研发此项产品，满足特殊应用的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种高温超导焊接温度同步测量控制器，能够输出两路加热器控制信号，同步控制其中两路温度数据至预先设定值的测量控制仪表，测量控制精度较高，适用范围广，不易损坏。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种高温超导焊接温度同步测量控制器，其特征在于：包括：
三路电阻型温度传感器，其分别作为温度测量元件，每路电阻型温度传感器分别各自配置有恒流源，由恒流源分别向各自对应的电阻型温度传感器提供激励电流；
多路复用电路，其由至少具有三路输入通道的复用芯片构成，三路电阻型温度传感器分别通过各自两端一一对应接入多路复用电路三路输入通道，由多路复用电路对各个电阻型温度传感器输出的差分电压信号进行复用；
差分放大电路，其输入端与多路复用电路输出端连接，由差分放大电路对多路复用电路输出的复用后的差分电压信号进行差分放大；
A/D模数转换电路，其输入端与差分放大电路输出端连接，由A/D模数转换电路对差分放大电路输出的信号进行A/D转换；
单片机计算机***，其由单片机和作为单片机***电路的串口通讯电路、存储器、锁存器、键盘电路、显示电路、报警电路构成，其中单片机通过自身信号输入口与A/D模数转换电路输出端连接，由单片机接收A/D模数转换电路输出的数字信号，并由单片机对数字信号处理后向外部控制电路和保护电路分别输出控制信号、保护信号；单片机的***电路中，串口通讯电路连接上位计算机和单片机，由串口通讯电路将单片机的数据传输至上位计算机，锁存器将单片机输出的信号进行锁存，显示电路对单片机输出的信号进行显示，键盘电路接收外部用户输入信号并传送至单片机，存储器存储单片机中数据，报警电路在单片机控制下进行报警；单片机内部的软件程序有分别驱动锁存器、存储器、多路复用电路、A/D模数转换电路、串口通讯电路、报警电路、键盘电路、显示电路的驱动程序，以及对A/D模数转换电路输出的数字信号根据温度计类型进行拟合计算的拟合程序，以及响应用户键盘输入的参数菜单设定程序，以及根据设定参数和测量结果进行控制输出运算的控制程序与报警程序，以及驱动外部控制电路的脉冲时间控制程序，以及驱动外部保护电路动作的保护电路控制程序。
所述的一种高温超导焊接温度同步测量控制器，其特征在于：采用三路一一对应接入多路复用电路三路输入通道中的电阻型温度传感器，由三路电阻型温度传感器构成三线制测量法以消除线电阻。
所述的一种高温超导焊接温度同步测量控制器，其特征在于：每路电阻型温度传感器配置的恒流源分别由型号为DH906的恒流源芯片构成，该恒流源芯片具有1mA高精度的对外输出。
所述的一种高温超导焊接温度同步测量控制器，其特征在于：多路复用电路由型号为CD4052的多路复用芯片构成，三路电阻型温度传感器分别通过各自两端一一对应接入多路复用芯片前三路输入通道。
所述的一种高温超导焊接温度同步测量控制器，其特征在于：差分放大电路由型号为OP07的运算放大器构成。
所述的一种高温超导焊接温度同步测量控制器，其特征在于：A/D模数转换电路由型号为ADS8509的模数转换芯片构成，差分放大电路的输出端分别连接模数转换芯片输入端其中0～5V档位。
所述的一种高温超导焊接温度同步测量控制器，其特征在于：单片机计算机***中，单片机型号为STC89C52RC；串口通讯电路由型号为MAX232CPE的串口通讯芯片构成；存储器由ATMEL93C46型电可擦写存储器构成；锁存器为74HC573N型锁存器；键盘电路由触点式按键阵列构成；显示电路由两排4位8段共阴极数码管电路构成；报警电路为声光报警电路。
所述的一种高温超导焊接温度同步测量控制器，其特征在于：外部控制电路为两路加热器的控制电路，两路加热器的控制电路接收单片机计算机***发出的控制信号后控制对应的加热器工作或停止；外部保护电路由2个HRS4-S-DC5V继电器电路构成，2个HRS4-S-DC5V继电器电路接收单片机计算机***发出的保护信号后动作实现整个控制器的保护。
所述的一种高温超导焊接温度同步测量控制器，其特征在于：所述单片机中的软件程序具有20个选项的参数输入菜单结构，以及同步控制两路加热器的PID控制器。
本发明的优点：
本发明提供的温度同步测量控制器，其通过微小恒流源激励外部电阻型温度传感器，通过16位A/D转换器采集入单片计算机进行处理显示温度值，并产生控制信号控制外部加热器，使前两路温度同步变化，最终稳定在预设值。本发明结构简单，测量、控制精度较高，显示直观，参数设定快捷，操作方便，能适用于多路电阻型温度传感器的数据测量以及多路加热器的控制，比如真空钎焊炉的同步加热升温等。
附图说明
图1为本发明的硬件电子线路结构示意图；
图2为本发明的软件程序流程示意图；
图3为参数设定菜单循环结构图；
图4为高精度可调恒流源电路原理图；
图5为多路复用放大电路原理图；
图6为单片计算机***及A/D转换电路原理图；
图7为本发明应用于高温超导叠真空钎焊温度测量与控制示意图。
附图中符号说明：1.可调电位器，2.DH906元件，3.电阻型温度传感器，4.多路差分电压信号输入接口，5.CD4052元件，6.OP07元件，7.经放大后的单端电压输出接口，8.74HC573N元件，9.A/D转换器输入接口，10.ADS8509模数转换元件，11.MAX232CPE串口通讯元件，12.232串口D型头线路连接，13.ATMEL93C46电可擦写外部存储器，14.10K上拉电阻排，15.STC89C52RC单片计算机，16.真空钎焊炉，17.本发明仪表，18.电压调功器，19.便携式电脑，20.加热棒，21.高温超导叠焊接模具，22.加热板，23.温度测量信号线，24.220VAC电源线，25.RS232数据线，26.调功器控制信号线。
具体实施方式
本发明中，硬件电子线路设有三组由DH906构建的1mA高精度对外输出恒流源电路，与恒流源连接的电阻式温度传感器两端分别接入由CD4052构建的多路复用电路的前三对输入通道，多路复用电路的输出通道与由OP07构成的差分放大电路输入端相连，差分放大电路输出端接入由ADS8509构建的A/D模数转换电路输入的0～5V档位，A/D模数转换电路数字输出口接入单片计算机引脚，由STC89C52RC型单片计算机和作为其***电路的ATMEL93C46型电可擦写存储器、74HC573N型锁存器、触点式按键阵列、两组4位8段数码管显示屏及二极管辅助指示灯构成单片计算机***，由MAX232CPE构成的串口通讯电路与单片计算机***相连，控制信号、保护信号直接由单片计算机***发出，外部控制电路为两路加热器的控制电路，外部保护电路由2个HRS4-S-DC5V继电器电路构成。硬件电子线路结构如图1所示。
运行于单片计算机中的软件程序由操纵多路复用电路、A/D模数转换电路、外部存储电路、串口通讯电路、双排数码管显示电路的驱动程序，同步控制前两路温度的PID控制器程序，加热信号输出控制与温度上限保护程序，以及具有20个参数设定选项的循环菜单构成。软件程序分为三个流程，主程序循环执行，完成温度信号采集计算、PID控制器运算、与上位计算机通讯等；定时中断0每10ms中断一次，完成多通道温度的显示与按键动作响应处理；定时中断1每10ms中断一次，完成控制信号的计时输出与控制目标达到时的保温计时处理。软件程序流程示意图如图2所示。
本发明的设计思想：
电阻型温度传感器通常以恒流电流源作为激励电流，通过测量传感器两端的电压来确定传感器电阻的大小，为避免自热对温度传感器造成影响，常常采用小电流来驱动，因此采用DH906作为精密恒流电源的提供芯片，根据传感器电阻的范围调节可调电位器的大小来提供0.3～25mA之间的激励电源。
三路传感器两端的电压通过三线法测量消除测量引线电阻分压后分别接入多路复用芯片的前三路输入通道，多路复用芯片的输出接到差分信号放大器的源端进行信号放大，放大倍数可根据所选择温度传感器类型进行调整，使放大后的电压在0～5V范围内。
放大后的信号通过A/D模数转换器转为数字信号送入单片计算机***处理，根据所选用温度传感器的温度-电阻(T-R)曲线对应关系计算出当前通道对应的温度值显示到显示面板并通过RS232串口传输给上位计算机，同时针对前两路温度值根据设定参数和增量式PID算法进行计算，计算结果通过定时器转换成电平控制信号输出给外部转换电路，以控制加热器的加热量。PID控制器参数值以及仪表运行参数的设定通过四个触点式按键和与之对应的参数菜单响应程序完成，更新后的参数值写入ATMEL93C46电可擦写外部存储器中永久保存。
四个触点式按键按功能划分为PAR参数键、SET设定键、F1功能键和F2功能键，各个按键的对应程序处理如下：PAR键，未进入参数设置菜单时，按键则进入参数设置菜单；在进入参数设置菜单时，按此键可循环切换到不同参数，显示到最后一个参数时退出参数设置菜单。F1功能键，未进入参数设置菜单时，按键不做任何操作；进入参数设置菜单时，上加1选定参数值的闪烁位或上翻参数选项或左移小数点位置。F2功能键，未进入参数设置菜单时，按键不做任何操作；进入参数设置菜单时，下减1选定参数值的闪烁位、上翻参数选项或右移小数点位置。SET功能键，未进入参数设置菜单时，若蜂鸣器响，则停止蜂鸣器响声；若蜂鸣器不响，则按键切换通道2、通道3的温度显示；已经进入时，根据参数显示情况从右向左循环移动闪烁位。SET+PAR组合键，恢复***参数到出厂设定默认值。
参数菜单由20个设定项组成循环结构，如图3所示，在正常显示状态下上排数码管显示第一通道温度，下排数码管当红灯灭时显示第二通道温度，当红灯亮时显示第三通道温度。按PAR按键可在各个参数之间循环显示。上层数码管显示So-t时，下排数码管显示当前设定的焊料熔点温度，单位为℃；上层数码管显示Hold时，下排数码管显示当前设定的焊接保温时间，单位为秒；上层数码管显示Rddr时，下排数码管显示当前设定的仪表串口通讯地址；上层数码管显示curr时，下排数码管显示当前设定的传感器激励恒流源大小，单位为微安(uA)；上层数码管显示dot时，下排数码管显示当前设定的仪表显示小数点位置，形如8888；上层数码管显示ctrl时，下排数码管显示当前选中的参数设定通道；上层数码管显示SP时，下排数码管显示当前选中通道的控制设定值，单位为℃；上层数码管显示Pld.P时，下排数码管显示当前选中通道PID控制算法的比例系数；上层数码管显示Pld.l时，下排数码管显示当前选中通道PID控制算法的积分系数；上层数码管显示Pld.d时，下排数码管显示当前选中通道PID控制算法的微分系数；上层数码管显示Int.d时，下排数码管显示当前选中通道PID控制算法的积分分离系数；上层数码管显示Pro.d时，下排数码管显示当前选中通道PID控制算法的控制死区系数；上层数码管显示Hl时，下排数码管显示当前选中通道到高高位保护值，选中通道的温度超过此值时，对应通道的继电器将切断加热供电电源，单位为℃。
如图4所示，高精度恒流源DH906元件2的C、G两端接可调电位器1，C端与地之间接温度传感器3，温度传感器两端的电压接入仪表，共有三路同样结构的恒流源电路。
如图5所示，三路温度传感器差分电压信号通过接口4接入双通道多路切换开关元件5，根据元件5接收到的控制信号选择输出一路电压信号到元件6组成的差分放大电路中进行信号放大，并将差分电压信号转为单端电压信号，由接口7输出。
如图6所示，由接口7输出的单端电压信号通过接口9输入到由元件10构成的16位A/D模拟转换电路，转换后的数字信号接入单片计算机15的RC、DATA、CLK引脚，数字信号在15中经拟合计算转换为温度数值，先通过P0口发送到两个锁存器元件8中驱动数码管显示，再通过TXD、RXD引脚发送到RS232串口通讯元件11中与上位机共享数据，元件11与上位机通过12所示的9针D型口连接。单片计算机15运行参数保存于外部电可擦写存储器元件13中，其P0口接外部上拉电阻排14，运算得出的控制与保护信号通过TC1、TC2、RLY1、RLY2引脚输出。
如图7所示，高温超导叠焊接模具21放在位于真空钎焊炉16中的加热板22上，模具外侧板放置两个加热棒20，在焊接时要求模具21的底板与侧板温度升高至焊料熔点前同步，然后同步升高至焊接温度，保温10分钟后快速冷却至焊料温度以下。将本发明温度同步测量控制器17与模具21上的温度传感器通过温度测量线23相连，17的控制输出通过信号线26接入控制盒18的控制端，控制盒18的电源端分别与加热板22和加热器20连接，温度同步测量控制器17与上位计算机19通过串口线25连接。模具21的底板与侧板温度经17测量后显示在面板上，同时进行PID运算，运算得出的控制信号经过控制盒18控制加热板22和加热棒20的加热功率，使温度同步上升，温度测量数据也可通过数据线25实时传输到上位计算机中显示。已通过本发明控制焊接36根超导叠，焊接过程方便快捷，温度测量控制精确，焊接质量高，均一性好。

Claims (9)

1.一种高温超导焊接温度同步测量控制器，其特征在于：包括：
三路电阻型温度传感器，其分别作为温度测量元件，每路电阻型温度传感器分别各自配置有恒流源，由恒流源分别向各自对应的电阻型温度传感器提供激励电流；
多路复用电路，其由至少具有三路输入通道的复用芯片构成，三路电阻型温度传感器分别通过各自两端一一对应接入多路复用电路三路输入通道，由多路复用电路对各个电阻型温度传感器输出的差分电压信号进行复用；
差分放大电路，其输入端与多路复用电路输出端连接，由差分放大电路对多路复用电路输出的复用后的差分电压信号进行差分放大；
A/D模数转换电路，其输入端与差分放大电路输出端连接，由A/D模数转换电路对差分放大电路输出的信号进行A/D转换；
单片机计算机***，其由单片机和作为单片机***电路的串口通讯电路、存储器、锁存器、键盘电路、显示电路、报警电路构成，其中单片机通过自身信号输入口与A/D模数转换电路输出端连接，由单片机接收A/D模数转换电路输出的数字信号，并由单片机对数字信号处理后向外部控制电路和保护电路分别输出控制信号、保护信号；单片机的***电路中，串口通讯电路连接上位计算机和单片机，由串口通讯电路将单片机的数据传输至上位计算机，锁存器将单片机输出的信号进行锁存，显示电路对单片机输出的信号进行显示，键盘电路接收外部用户输入信号并传送至单片机，存储器存储单片机中数据，报警电路在单片机控制下进行报警；单片机内部的软件程序有分别驱动锁存器、存储器、多路复用电路、A/D模数转换电路、串口通讯电路、报警电路、键盘电路、显示电路的驱动程序，以及对A/D模数转换电路输出的数字信号根据温度计类型进行拟合计算的拟合程序，以及响应用户键盘输入的参数菜单设定程序，以及根据设定参数和测量结果进行控制输出运算的控制程序与报警程序，以及驱动外部控制电路的脉冲时间控制程序，以及驱动外部保护电路动作的保护电路控制程序。
2.根据权利要求1所述的一种高温超导焊接温度同步测量控制器，其特征在于：采用三路一一对应接入多路复用电路三路输入通道中的电阻型温度传感器，由三路电阻型温度传感器构成三线制测量法以消除线电阻。
3.根据权利要求1所述的一种高温超导焊接温度同步测量控制器，其特征在于：每路电阻型温度传感器配置的恒流源分别由型号为DH906的恒流源芯片构成，该恒流源芯片具有1mA高精度的对外输出。
4.根据权利要求1所述的一种高温超导焊接温度同步测量控制器，其特征在于：多路复用电路由型号为CD4052的多路复用芯片构成，三路电阻型温度传感器分别通过各自两端一一对应接入多路复用芯片前三路输入通道。
5.根据权利要求1所述的一种高温超导焊接温度同步测量控制器，其特征在于：差分放大电路由型号为OP07的运算放大器构成。
6.根据权利要求1所述的一种高温超导焊接温度同步测量控制器，其特征在于：A/D模数转换电路由型号为ADS8509的模数转换芯片构成，差分放大电路的输出端分别连接模数转换芯片输入端其中0～5V档位。
7.根据权利要求1所述的一种高温超导焊接温度同步测量控制器，其特征在于：单片机计算机***中，单片机型号为STC89C52RC；串口通讯电路由型号为MAX232CPE的串口通讯芯片构成；存储器由ATMEL93C46型电可擦写存储器构成；锁存器为74HC573N型锁存器；键盘电路由触点式按键阵列构成；显示电路由两排4位8段共阴极数码管电路构成；报警电路为声光报警电路。
8.根据权利要求1所述的一种高温超导焊接温度同步测量控制器，其特征在于：外部控制电路为两路加热器的控制电路，两路加热器的控制电路接收单片机计算机***发出的控制信号后控制对应的加热器工作或停止；外部保护电路由2个HRS4-S-DC5V继电器电路构成，2个HRS4-S-DC5V继电器电路接收单片机计算机***发出的保护信号后动作实现整个控制器的保护。
9.根据权利要求1或8所述的一种高温超导焊接温度同步测量控制器，其特征在于：所述单片机中的软件程序具有20个选项的参数输入菜单结构，以及同步控制两路加热器的PID控制器。
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