做微波炉点焊机，接触器精确定时

xyz123

为了用18650电芯做电池组，做个点焊机。
用大电容来做，需许多MOS管，好复杂。先做个微波炉变压器式的。
变压器初级电流估计十几A，用可控硅不熟练，决定先用接触器。

设想功能，要能测量220V交流过零点、精确控制接触器吸合时刻，能设置焊接时间，能保存参数。
手边有几块以前做步进电机简单控制用的电路板，用上。
大众款51单片机，1602液晶屏，按键、LED指示灯、继电器……元件搜罗起来也不少。



动手焊接。有几个元件是拆机的，偶然测量了一下，发现一个三极管是坏的。


其它晶振、LED、电容等可能也混有不良品。做试验焊两套，出问题时好对比。


以前做的步进电机简单控制用的电路板，把单片机的31脚接错了，该接+5V的。

液晶屏的数据线D4～D7也错了一位接到单片机的P0.3～P0.6脚了，应该接P0.4～P0.7才方便。只好用程序来补坑。

大众款1602字符屏，控制芯片一般是HD44780或相似的，可显示常用的数字、英文字母、符号。
为了少焊几根线，采用4位接口模式。与8位接口模式相比，程序多几行，执行耗时多几十微秒，无妨。

常见1602屏资料里，调节对比度的10K电位器两端分别接+5V、GND。其实对比度合适时，液晶屏V0脚的电压约1V，因此电位器上端多串一个电阻，调节起来较平缓，否则稍旋一点就看不清了。
手中的几块屏，背光LED已串有一个几Ω电阻，太小了，背光电流甚至有近百mA的。多串个几十Ω电阻，令背光电流降到二三十mA较合适。

焊排线花了不少时间，要把排线划开弯曲对好焊盘位置后才剪齐平、剥线头、搓线芯。要做多的话肯定要改成用插座的方式。



过零触发用的是交流9V供电入口接两个二极管，飞了一根线，驱动一个三极管。交流过零时三极管截止，集电极接的单片机引脚上便出现一个高电平脉冲。


液晶屏的1、2脚是GND和+5V，焊个0.1μF的电容改善供电，排线用热熔胶固定。

虽然屏电流只有几mA很小，但接口波形是μs级的方波，对电源瞬时要求不低。不知为何，见过的1602液晶模块都没有在靠近芯片处放一小电容。


每天只可贴10张图啊？

wanwenhao1

只绕了两圈，线还预留了那么长（内阻会较大），都能焊好，说明只要焊接时间足够长，还是能焊上厚件的。足见得那些用更粗的线，还绕了三圈及其以上的网友，说火花太大，问怎么办。看来减少圈数，降低焊接电压，延长焊接时间，是正确的减少火花的方法。

luhuineng

以接触器的响应速度来说，检测零点没有意义。

xyz123

电路板焊好后，首先要闪个灯，以确认基本正常。

1. while (1)
   
2. {
   
3.     LED_PIN = ~LED_PIN;
   
4.     Delay_ms(500);
   
5. }

复制代码

延时在很多地方用到，例如液晶屏接口时序控制，蜂鸣器，液晶屏文字显示停留时间，焊接时间控制等。因此做成一个子程序。
Keil C51调用函数时传递参数、LCALL，函数返回的RET，开销是固定的。在C程序中嵌入汇编指令，在计数判断分支时插入适当的NOP指令，保证跳或不跳都耗同样的时间，就能准确实现延时若干个机器周期。

使用12MHz晶振时，传统51单片机一个机器周期是1μs，比较简洁。延时函数就写成

1. void Delay_us(int8u t);

复制代码

1个字节只能计到255μs，此延时程序适用于电路时序控制等需要十几～一两百微秒延时的地方。

8位的51单片机处理16位数，要做到恒定步数，须处理的判断分支处较复杂，因此另写一个

1. void Delay_us_2(int16u t);

复制代码

参数是2字节整数，可实现几十～65535μs的延时。

超过上百毫秒，就不需精确到微秒程度了，可调用刚才的Delay_us_2()。

1. void Delay_ms(int16u t)
   
2. {
   
3.     while (t != 0)
   
4.     {
   
5.         Delay_us_2(99x);
   
6.         t -= 1;
   
7.     }
   
8. }

复制代码

走路去巴黎

我还有个半成品闲置，微波炉那种。
电焊机没做好，18650就被我淘汰了。直接大单体了。

zj77718

会编程真好，享受过程，乐趣无穷

hilljanet

继电器和可控硅，哪个性能更优？

小鬼头

我是网购了焊接效果更佳的双脉冲控制板来制作的，因为这制作挺费劲的，所以宁愿多花点成本，以求获得好收成。

xyz123

接下来要点亮液晶屏。

大众款1602字符屏，控制芯片一般是HD44780或相似的。
虽是大众款，可芯片手册难见一份准确的，连初始化的几条指令流程都讲得不太清晰，各兼容芯片的手册都差不多。日货一向小气，估计此芯片的内部逻辑结构、设计意图、应用细节，只有厂商自珍了。所以让接口时序和指令耗时兼容各家产品的最慢者就行了，其它没多少好考究的。
4位接口模式的初始化流程：

1.         上电后等待几十毫秒；
   
2.         写B0011xxxx；
   
3.         等待几毫秒；
   
4.         写B0011xxxx；
   
5.         等待几毫秒；
   
6.         写B0011xxxx；
   
7.         写B0010xxxx；                //切换到4bit模式
   
8.         分两次写B0010_10xx；        //4bit数据接口，两行，5×7点阵
   
9.         分两次写B0000_1000；        //DisplayOff
   
10.         分两次写B0000_0001；        //DisplayClear
    
11.         分两次写B0000_0110；        //EntryModeSet
    
12.         分两次写B0000_1101；        //开显示

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虽然芯片规格称接口速度能到1MHz，但液晶模块里PCB走线细且长，又未适当接电源退耦电容，用示波器观察可见波形边沿形状不好。所以将控制脉冲放慢到2～3μs。

使用12MHz晶振时，传统51单片机一条指令耗时一、二μs，和HD44780配合较合适。现今的单时钟周期51单片机或其它高速单片机主频十几MHz以上，1μs能运行十多条指令，受影响明显。

虽然HD44780提供BUSY信号可查询，但控制指令总共就清屏、设置模式、设置光标、读写数据、读写地址这几条，执行耗时都是固定的，没必要去读BUSY信号。
况且读BUSY信号这个操作本身也和其它指令一样速度不高。
再有，网上见的资料大多没提到，读BUSY信号这个操作还须等上一次指令之后好几十微秒才能进行。呃，除了清屏、归零两条指令耗时1.5ms外，其它指令耗时均才37μs，比等候BUSY信号能用还快咧。

HD44780每行的显存是40个字符，1602屏每行只可显示16个字符。
屏幕滚动的功能似乎没什么用，估计不太会用它去做滚动广告、屏保之类。对显示效果要求不高，一般也不会去搞两屏内容快速切换。
因此写几个常用的功能就够。

1. void LcdLocate(int8u row, int8u col);  //指定字符显示位置。
   
2. void LcdPrint(int8u c);  //显示一个字符。
   
3. void LcdPrintString(int8u row, int8u col, int8u *str);  //依次显示str中的字符，直至'\0'。不考虑超出16列、换行。
   
4. void LcdClearRow(int8u row);  //其实就是从行首位置起显示16个空格。

复制代码

例如，程序初始的界面：

1. LcdInit();
   
2. LcdPrintString(1, 1, "  Spot Welder");
   
3. LcdPrintString(2, 1, "    2020-02");

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接下来是按键。

设置一个定时中断，每1ms扫描一遍按键，记录每个按键的状态、持续时间。当连续若干次的状态不变时，才认为按键已稳定。
通常微动开关的按键抖动在几毫秒以内。若要过滤50Hz市电线路的干扰，可将判断时间加长到几十毫秒，不过按键的响应也会相应延迟。这个时间值可做进参数设置功能里，让用户自由变更。

在菜单操作中，按＋、－键调节数值时，短按一次增减1步长，若持续按键达一两秒则连续自动调节，例如一秒重复10次。
大范围的调节，例如“触发延迟10～15000μs，调节步长10μs”，一秒重复10次的话，持续按键要150秒才能调到头，显然太久。一般按着键十几秒估计就令人厌烦了。
因此须判断当持续按键超过例如3秒后，进一步加速，例如一秒重复100次。

有些产品按键很少，看似简洁，但用起来要区分短按、长按，功能复用太多，很麻烦。
这里准备6个按键：设置，取消，减，增，确认，焊接。
按〖设置〗进入参数设置菜单，〖减〗〖增〗移动光标，〖确认〗进入该项，〖取消〗退回上一级菜单。
在参数项目中，按〖减〗〖增〗进行调节，持续按着可快速调节，按〖确认〗保存，〖取消〗则放弃更改。

调试观察，扫描一次6个按键要耗好几百步。传统51单片机接12MHz晶振时，1ms里有六七百μs都用来处理按键了。
简单控制类的应用通常运算量不多，需要的是响应速度。按上述情况，若不用高优先级中断，就要等几百微秒处理完按键之后再来响应其它事件，而且剩下的处理能力只剩两百多步了。
例如控制步进电机，一圈200个脉冲，每秒5转，则每1ms要处理一个脉冲，1ms内只剩两百多μs来处理，较吃力。
换成现今的单周期51，速度翻十几倍，1ms里只用去了几十μs，能充分迅速地响应其它事件。

现在做这个点焊机控制，没什么需要高速响应的控制，焊接动作那几百毫秒精确计时期间可暂停按键、液晶屏等其它处理，大众款51足以胜任了。


接下来是存储器。

需要保存的几个参数：
  交流电过零点之后多久触发。
  第一次焊接时间。
  第一次焊接之后等待时间。
  第二次焊接时间。
  第二次焊接之后等待时间。

交流过零检测电路是个电压比较器，检测到电压低于一定值时动作，在零点左右产生一个约1ms宽的脉冲。
程序可能是在零点之前捕捉到，则延时几百μs后即零点。或是零点之后才捕捉到，则下个半波零点是9点几ms之后。
为了保持磁平衡，令变压器每次通电整数个全波，因此零点之后才捕捉到的，下个过零点选在19点几ms之后。
于是，该参数的设置范围是0～20000μs。
整机做好后，用示波器观察程序捕捉到的零点时刻，减去接触器机械动作延迟时间，来做设定。小继电器的动作时间大概是数毫秒，大个头的接触器不知如何。
不用示波器的话，也可观察接触器触点通断时的火花，调节达到火花最小即可。

据说先短焊第一次，可去除氧化层、预热，紧接着焊第二次，这样的效果好。因此预留了两组焊接、等待的时间参数。
为了保持磁平衡，焊接时间取20ms的整数倍，范围定20～2000ms吧。
焊接时间也可短到10ms的倍数，程序里记录是在正半周还是负半周的过零点触发的，下次交换即可。估计20ms够短了，先不考虑太复杂的。

焊接之间的间隔，感觉100～2000ms范围可以了。

AT24Cxx存储器，便宜，IIC接口不复杂。
为防芯片上电自动复位失败，程序应对其发指令复位。方法见芯片手册，通常发至多9个SCL时钟就能完成。
只读写几个字节，不需考虑连续读写、页长度之类的，做两个子程序就好。

1. void At24cByteWrite(int8u addr, int8u dat);
   
2. int8u At24cRandomRead(int8u addr);

复制代码

Keil C51将多字节整数按高位字节先行，保存到AT24Cxx时按同样顺序就好。
例如保存一个2字节整数4779，可在存储器地址0x00存0x12、地址0x01存0xAB。



硬件部分基本好了。接下来是菜单操作过程。

按〖设置〗键，进入菜单。






按〖减〗〖增〗移动光标，〖确认〗进入该项，〖取消〗退回上一级菜单。
按〖减〗〖增〗进行调节数值，持续按着可快速调节，按〖确认〗保存，〖取消〗则放弃更改。



退出最初级菜单后，回到等待焊接状态。


各项参数都是简单整数，调节过程都是相似的，只是提示文字、数值范围不同。将不同的部分定义一个结构体

1. typedef struct
   
2. {
   
3.   int8u *Title;
   
4.   int8u *Unit;
   
5.   int16u Value;
   
6.   int16u ValueMin;
   
7.   int16u ValueMax;
   
8.   int16u ValueAdj;
   
9. } INPUT_DIALOG;

复制代码

做一个子程序InputDialog()来统一调用，比较简洁。例如设置触发延时：

1. ……
   
2. INPUT_DIALOG dialog;
   
3. 
   
4. dialog.Title = "Trig Delay";
   
5. dialog.Unit = "us";
   
6. dialog.Value = (int16u)At24cRandomRead(ADDR_TRIG_DELAY) << 8;
   
7. dialog.Value |= At24cRandomRead(ADDR_TRIG_DELAY + 1);
   
8. dialog.Value = dialog.Value / 10 * 10;
   
9. dialog.ValueMin = 0;
   
10. dialog.ValueMax = 20000;
    
11. dialog.ValueAdj = 10;
    
12. 
    
13. InputDialog(&dialog);
    
14. ……

复制代码

主程序部分就简单了，按〖设置〗键就进入参数设置菜单，按〖焊接〗则暂停扫描按键、等待过零信号、驱动继电器。

1.     void main()
   
2.     {
   
3.         LcdPrintString(1, 1, "  Spot Welder");
   
4.         LcdPrintString(2, 1, "    2020-02");
   
5.         LoadConfig();
   
6.         while(1)
   
7.         {
   
8.             if (KeyIsPressed(KEY_SETUP))
   
9.             {
   
10.                 Menu();
    
11.                 LoadConfig();
    
12.             }
    
13.             else if (KeyIsPressed(KEY_WELD))
    
14.             {
    
15.                 //暂停按键扫描
    
16. 
    
17.                 //等待过零信号
    
18. 
    
19.                 Delay_us_2(cfg_TrigDelay);
    
20. 
    
21.                 RELAY = RELAY_ON;
    
22.                 Delay_ms(cfg_WeldingTime1);
    
23. 
    
24.                 RELAY = RELAY_OFF;
    
25.                 Delay_ms(cfg_WaitingTime1);
    
26. 
    
27.                 RELAY = RELAY_ON;
    
28.                 Delay_ms(cfg_WeldingTime2);
    
29. 
    
30.                 RELAY = RELAY_OFF;
    
31.                 Delay_ms(cfg_WaitingTime2);
    
32. 
    
33.                 //恢复按键扫描
    
34.             }
    
35.         }
    
36.     }

复制代码

honggun

好帖子，顶顶

xyz123

电路板焊好了，用示波器检测一下。


过零检测用的是交流9V供电入口接两个二极管，驱动一个三极管。交流过零时三极管截止，集电极接的单片机引脚上便出现一个高电平脉冲。

估计是因为小变压器内阻高，仅几十mA的平均电流，整流后的正弦半波顶部已被拉平了。

放大看看。


过零检测用的三极管集电极接的单片机引脚本来是接键盘用的，有个0.1μF电容滤波，懒得拆了，所以触发波形的上升沿较缓。现在检测的是下降沿，不要紧。

再放大一点。

可见触发脉冲约800μs，即单片机在过零点之后400μs才检测到。

将“触发延迟”这项参数就设为10ms－400μs＝9600μs，用单片机的一个空余引脚输出一个信号来观察。

能准确定位到下个过零点。

将参数设置为“第一焊20ms、间隔100ms、第二焊40ms”的效果。


程序基本搞定。

遇到的弯路，拆机件蜂鸣器是坏的，所用的液晶屏背光极性和常见的引脚排列相反。
看来用旧元件最好一一检测过，步步为营，不然调试程序时易踩坑。

hilljanet

我不知道楼主要实现多大的焊接时间，一般我都是一到两个正弦波，所以这个一定要过零触发，可控硅很容易实现，就是不清楚继电器的控制特性是怎么个情况

xyz123

开始组装。

接触器是地摊旧货，天正CJX2-1810。看起来蛮新的，拆开来检查，发现三组主触点中有两组熏黑严重。估计之前被用来接马达之类的感性负载。
用割纸刀片刮干净。运气还可以，虽熏黑，但烧蚀很少，看来没用几次。


订购牛奶那种挂家门口的小塑料箱，旧楼拆迁时去拆了几个，要的就是那几块塑料板。
手边无曲线锯，钻排孔。



牛奶箱本来被涂写得乱七八糟，太难看，用砂纸磨了一遍。

方孔开得大了，忘了其实露出液晶屏玻璃片大小就可以了。

手边无合适的柱子，先拿筷条顶上。



以前囤的微波炉变压器，铜线的 。
空开也是地摊买的旧货，施耐德的。小变压器是从个电动栏杆门的控制板上拆的。
正泰的TB-1503接线端子，导体条铜的。本地机电市场里卖的无牌货全是铁的。

不知电压对焊接效果影响如何，先绕2圈试看。

一个简单的继电器小板子，光耦隔离。控制板先驱动继电器，继电器再通断接触器的线圈。



通断只有几十～几百毫秒，担心接触器线圈火花干扰大，以及影响驱动它的小继电器的触点寿命，加个吸收元件。

内部就是0.1μF电容串联一两百Ω的电阻。这个是从个日货仪器的电路板里拆得的，不太常见。自己用个安规电容串个两三瓦的电阻，效果一样的。
淘宝见也有和接触器配套的这个消火花配件卖，正泰的八九块～十几块，蛮贵的。估计买的少，物稀为贵了。
若非保护前级价格贵的PLC的输出继电器，或是对干扰要求严格的场合，或自用的设备认真做，一般不愿多花这个钱。客户只看价格，耐用性低以后还可搞点维护费。

接线还蛮多的。试验机，线头就不压端子了。




点焊时磁场干扰可能高，液晶屏和按键板的线缆不要太长。

xyz123

接触器的辅助触点接一节电池提供个电压，示波器观察动作时间。
先看看单发焊40ms的。

下方蓝色波形上沿是控制板输出驱动信号。上方黄色波形第一簇干扰即小继电器吸合、接触器线圈得电产生的磁场感应到示波器探头，可见其动作延迟约5ms。
接触器线圈得电后，又过约15ms，接触器的触点才吸合。看来要经过半个波以上的时间，线圈的磁力才足以拉动触点。

再试一下双发焊，第一次20ms、间隔100ms、第二次焊40ms。

发现接触器的触点都是在交流过零点时刻吸合。
之前一直忘了接触器的线圈也是交流220V这点，如此看来，若要实现非10ms周期的通断，就要使用直流线圈的接触器了。还好现在只做20ms整周期的，不影响。

时局不测，手边工具材料有限，焊针就用6平方毫米的单芯铜线，直接捆好。

手里只有10平方毫米的7芯线，比较硬，穿变压器费了点力。电焊机的焊把线那种细芯电缆应该会方便不少。
1平方毫米铜线每米电阻18mΩ，为了预留多绕几圈的试验，共1.5米长，算得电阻约3mΩ。
猜测电流有200～800A，10平方毫米细了点。不过通电时间比例小，先试看效果。

量了一下变压器，初级电阻不到1Ω，电感212mH，理论上空载电流3A多。
做好放炮准备——通电！空载焊几下，没跳闸 。

试焊0.12mm厚的镀镍片，只听线圈嗡嗡震动，丝毫没有加热迹象，奇怪。
万用表量变压器次级，2.1V。不像是电压太低、被焊件接触不良的样子。

这时发觉电缆略发热，可能刚才捆焊针那段没包好，手持摁着时短路了。包好，再来。
小遇波折，急于攻克，设个单发1000ms……唔，500ms吧。焊！

嗡一声，哦，威力太猛，眼看着迅速红热，熔了绿豆大小的一片。

把凳子面也烫了个坑。还好刚才没设置成1000ms，不然飞溅钢花烫手 。


刮干净看看。0.5mm厚的割纸刀片已被熔透，蛮强大的嘛。



试试不同焊接时间的效果。
单发焊，从左到右分别是180ms、160ms、140ms、120ms、100ms、80ms、60ms、40ms，每种时间值焊了两次，即4个点痕。

实际上是从最右侧那个500ms坑开始，从右往左，依次增大焊接时间值来试的。

每对焊痕右边的较大，是因为手持焊针不方便，焊针不垂直于工件，两针受力也不均。

初步感觉，单发焊，薄的工件用40～100ms合适。工件表面要干净，焊针要施适当压力，最好做个夹具。

铜线头毫无烧蚀，看来少量用用，不必买那叫氧化铝铜材质的焊针了。


焊点热冷变形，刀片被拉弯了。以后想要这种略带弧度的刮猪毛刀片可以这么搞。

凝智

谢谢分享学习中

welcom321

这个不是一般人能做的。