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1、 I摘 要 高功率轴快流 CO2激光器越来越广泛地应用于工业加工中 控制系统的小型化智能化越来越受到用户的欢迎本文以 ATMEL 公司的单片机 AT89C52 为核心研制出了一款高功率轴快流 CO2激光器前端控制面板 文章在内容上主要分为单片机键盘及液晶显示单元A/D 转换单元和通讯接口单元三部分 文章首先介绍了轴快流 CO2激光器及其加工系统的现状和发展趋势 从而提出了轴快流 CO2激光器控制系统的功能及要求详细分析了轴快流 CO2激光器控制系统的工作原理及过程着重研究了气压控制系统以及功率控制系统的原理在这些分析与研究的基础上设计出了以单片机 AT89C52 为核心的轴快流CO2激光器的前
2、端控制面板 单片机键盘和液晶显示单元主要讨论了键盘显示的控制工作原理及设计方法 包括对键盘的工作过程和要处理解决的问题以及液晶显示模块的选型与软件的控制操作等文章还着重探讨了 LCD 字符与汉字的显示设计以及操作控制指令给出了键盘显示电路原理图 A/D 转换单元主要是对功率输入方法的解决对模拟信号转换成数字信号的原理及过程进行了讨论分析了 A/D 转换的基本原理及其转换方式提出了本系统设计的 A/D 转换单元电路的组成框图设计了以 MAX114 为 A/D 转换芯片的单通道 A/D 转换单元电路 通讯接口单元主要针对单片机 AT89C52 与下位机之间的通信进行设计 分别从硬件和软件设计方面给
3、出了具体实现方法包括研究了 RS485 主从式通信的原理及实现方法制定了本系统所使用的通信协议完成了上位机控制面板和下位机PLC通信软件的设计 最后通过实验对所设计的控制系统进行了验证实验结果显示该控制面板可靠性高操作方便容易维护界面友好有良好的柔性接口和较大的灵活性在 A / D 转换单元设计中有自己的的独特新意且成本低廉有较好的实用价值 关键词 轴快流 CO2激光器 A T 8 9 C 5 2 单片机 液晶显示L C D A / D 转换 串行通信 IIABSTRACT High power fast axial flowFAFCO2 lasers are more and more wi
4、dely used in laser processing. The smart and micro control systems are more and more favoured by the FAF CO2 lasers. So a kind of the head control panel system about the FAF CO2 laser is designed and manufactured. The thesis is mainly divided into three parts: the unit of the keyboard & LCD, the A/D
5、 conversion and the unit of communication. First of all, the trend of the development of the FAF CO2 laser and its processing system are introduced. Then, the functions and requirements of the system are put forward. The operation process and primary principle of the FAF CO2 laser control system are
6、 analyzed in detail. The theories are mainly studied of the pressure control system and the power control system. Based on the analysis and study, the head control panel of the FAF CO2 laser is designed, which is centered on the AT89C52 singlechip. Secondly, it is spreaded from the keyboard and the
7、display with the LCD in the thesis, which is mainly expatiated on the control theory and the design method for the keyboard & LCD. Meanwhile the LCD operation control instruction and the design vision of the words and characters are analyzed. Thirdly, in the chapter of the on-line control panel the
8、feasibility of the A/D conversion which converts the analog signal to the digital signal is discussed. The following contents are about the design of the conversion circuit based on the chip-MAX114. Next it is about the project of the unit connecting with communication which is based on the MAX485E
9、chip, then the implementing methods from its hardware and software are presented. Lastly, the performance of the control system is evaluated by the experiment. This control panel features high reliability, simple operation, friendly interface and strong flexibility, but also cheap cost. Keywords: FA
10、F CO2 laser AT89C52 singlechip LCD A/D convertion MAX485E II独创性声明 本人声明所呈的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果尽我所知除文中已经标明引用的内容外本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果 对本文的研究做出贡献的个人和集体均已在文中以明确的方式标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名张德玲 日期 2005 年 5 月 11 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版
11、允许论文被查阅和借阅 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密在_年解密后适用本授权书 本论文属于 不保密 请在以上方框内打 学位论文作者签名张德玲 指导教师签名韩晏生 日期2005 年 5 月 11 日 日期2005 年 5 月 12 日1第一章 绪 论 1 . 1激光器及其控制系统 近年来各种各样的激光器用于工业加工领域如激光切割激光打标激光调阻激光热处理等而且还被作为新型的诊疗设备应用于医疗领域1 以单一气体 混合气体或蒸汽作为激光工作物质的激光器称作气体激光器 自从 1 9 6 1年首次报道研制
12、成功氦氖激光器以来相继出现了各种原子分子离子气体激光器气体激光器具有丰富的振荡谱线以及易于获得连续振荡和高功率输出因此一直是各种激光器种类最多应用最广泛的一类激光器2CO2激光器因其效率高光束质量好功率范围大几瓦几万瓦兼能连续输出又能脉冲输出运行费用低等众多优点并成为气体激光器中最重要的用途最广的一种激光器在材料加工医疗科学研究检测国防等方面都有广泛的应用3 CO2激光器经过三十多年的发展在技术上进展很快各种 CO2激光器的性能寿命使用可靠性等都已满足各种应用的要求2与此同时新的技术结构仍在不断出现中体积更小功率更高光束质量更好成本更低的各种类型的CO2激光器正在开发之中激光加工在钢铁船舶飞机
13、制造及电子工业等领域有着广泛的应用其市场前景广阔美国日本西欧等国都在竞相发展世界上第一台商用 CO2激光器采用了一种很大的气体流动系统需要定期维修和保养而今天CO2激光器已取得惊人的发展人类正计划将一种体积小重量轻并能连续工作 5 年的 CO2激光器系统送往太空4激光技术推动了诸多领域的迅猛发展应用范围越来越广在加工领域中的应用成果尤为显著5 工业 CO2激光器是典型的融光机电计算机技术为一体的高科技产品工业 CO2激光器从谐振腔的结构和整体机构的差异可分成三大类图 1 - 1这三大类之间国内已有自己的产品分布在大专院校研究所工厂约有近十个具有生产能力的单位工业用 CO2激光器最主要的一种是轴
14、向快流型 CO2激光器对国外 3 5 家公司统计 在 6 2 个型号的 5 0 0 5 0 0 0 W 产品中 轴向快流的占到 8 0 % 的比2例横流占有 1 4 % 慢流占有 6 % 在我国却以横流为主轴向快流的产品不多作为快流器件发展起来的射频激励技术亦仅在开发之中 图 1-1 CO2激光器分类 激光在制造领域的应用标志着一门跨学科 跨行业的新型科学的诞生 C O2激光器与数控工作台相结合在激光加工行业得到了普及和发展 6 激光加工技术作为一种先进制造技术在工业生产中应用解决了许多常规方法无法解决的难题被誉为未来制造系统的共同加工手段 与传统的加工技术相比激光加工有着许多独特的优点主要表
15、现在以下几个方面 7 8 1 . 可以对多种金属非金属材料加工特别是能够加工某些高硬度脆性及高熔点的材料 2 . 由于加工所用的工具是激光束无刀具磨损加工过程中无切削力产生的不良影响 3 . 激光作用区域的功率密度很大光束在被加工对象上的停留时间很短因此热影响区很小工件的热变形小加工精度高加工质量好 4 . 不易受电磁干扰而且无噪声无环境污染 5 . 加工效率高某些情况下激光切割可提高效率 8 - 2 0 倍微调薄膜电阻可提高工效 1 0 0 0 倍等经济效益高在诸如激光打孔切割等多方面节省大量费用 6 . 激光束易于导向聚焦和发散根据要求可以得到不同的光斑尺寸和功率密度 3通过外光路系统可以
16、使激光束改变传播方向可以与计算机数控系统连接起来实现激光加工的自动化 激光加工如今已成为一种多用途的加工技术在切割焊接表面改性打标雕刻快速成型打孔及微细加工等方面得到了广泛应用其在工业中所占的比重已成为衡量一个国家加工水平高低的重要指标 其中大功率 CO2激光器在激光加工中越来越受到重视大功率 CO2激光器是一种较为复杂的工业设备 不仅具有高电压 大电流的电源以及多密封的真空腔体而且必须保持工作气体成分气压的动态稳定同时在运行过程中产生大量的热量需要进行冷却对温度变化也比较敏感这就要求在激光器运行中对电压电流气压温度气比光腔功率等多种参量进行实时监测和反馈调整 9 与此同时作为微型计算机的一个重要分支单片机的发展迅速应用领域日趋扩大因其控制功能强有优异的性能/ 价格比和很高的可靠性它已经成了生产中和人类生活中不可缺少的有力工具特别是在工业测控智能仪器仪表机电一体化产品家电等领域中得到了广泛应用过
