摘 要

激光技术在如今科技迅速发展的情况下在各行各业中已经扮演越来越重要的角色。激光加工因其加工质量高、加工速度快、污染少、噪声小等优势，在材料加工领域越来越受欢迎。而在激光器里面CO2激光器又可以说是被运用最广泛的,不仅在工业方面被得到了大量的应用，而且在军事、医疗等方面也越来越担当重要角色。在CO2激光器研发与使用中我国与国外还有很大的距离，因为技术原因国产轴快流CO2激光器不仅稳定性较差而且容易出故障。其中混气系统就是其中的问题之一。

本设计选用dsPIC33EP806主控芯片并连接其外围的硬件电路，利用MPLAB IDE开发环境编写其代码, 再利用CAN总线进行系统之间的连线，设计出符合要求的智能混气系统。

在智能混气系统实现的阐述上，本文主要分为两个方面：基于dsPIC数字处理器的硬件电路设计、下位机软件设计。具体研究内容如下：

1.在以dsPIC数字处理器为基础的硬件电路设计，主要包括流量测量电路、比例阀控制电路、报警电路、CAN总线模块电路和电源电路等电路进行设计。

2.在以dsPIC数字处理器为主搭建的电路基础上，对该部分进行软件设计，主要实现AD转换、DA转换及比例阀和报警器等设备的功能实现。

关键词：CO2激光器；智能混气系统；dsPIC；数模转换；

Design of CO2 laser intelligent gas mixing system

ABSTRACT

In the case of laser technology now rapid development of technology in all walks of life have been playing an increasingly important role. Because of its high processing quality laser processing, processing speed, less pollution, noise and other advantages, more and more popular in the field of materials processing. In CO2 lasers and laser which can be said to be the most widely used, not only in industry is get a lot of applications, but also in the military, medical and other aspects are increasingly playing an important role. In research and development and the use of CO2 lasers there is a great distance between China and foreign countries, for technical reasons the domestic fast axial flow CO2 laser is not only less stable and prone to failure. One of the problems which the mixed gas system is one.

The design uses dsPIC33EP806 master chip and its peripheral hardware circuit connection, write their code to use MPLAB IDE development environment, and then use the connection between the RS485 bus system, designed to meet the requirements of intelligent mixed gas system.

The elaborate system to achieve intelligent mixed gas, the paper is divided into two areas: hardware design dsPIC digital processor-based lower computer software design. Specific contents are as follows:

1. In a dsPIC digital processor-based hardware design, including the flow measurement circuit, proportional valve control circuit, alarm circuit, CAN bus module circuits and power supply circuits and other circuit design.

2. In a dsPIC digital processor based circuits built on the basis of the part of the software design, the main function of the AD converter, DA converter and proportional valve and alarms and other devices to achieve.

Keyword：CO2 laser ；Intelligent gas mixing system ；dsPIC；Analog conversion；

目 录

1 绪论……………………………………………………………………………………………1

1.1 激光器的发展历史及应用………………………………………………………………1

1.2 激光加工与传统加工比较………………………………………………………………2

1.3 国内外的发展趋势………………………………………………………………………2

1.4 课题主要研究内容………………………………………………………………………3

1.5 本章小结…………………………………………………………………………………3

2 混气系统的研究与方案设计…………………………………………………………………4

2.1 混气系统的需求分析………………………………………………………………… 4

2.2 混气系统的系统框架……………………………………………………………………4

2.3 气体调节的PID算法……………………………………………………………………5

2.3.1常规PID控制算法………………………………………………………………5

2.3.2数字PID控制算法………………………………………………………………6

2.4 本次课题的总体设计……………………………………………………………………8

2.5 本章小结…………………………………………………………………………………9

3 智能混气系统硬件设计 ……………………………………………………………………10

3.1系统的硬件总体设计………………………………………………………………………10

3.2 主控芯片的介绍…………………………………………………………………………11

3.3 流量输入电路设计………………………………………………………………………12

3.4 比例阀控制电路设计……………………………………………………………………16

3.5 报警电路设计……………………………………………………………………………18

3.6 电源电路设计……………………………………………………………………………19

3.7 CAN通信电路设计………………………………………………………………………21

3.8 本章小结…………………………………………………………………………………22

4 混气系统的软件设计…………………………………………………………………………23

4.1 搭建主控芯片的开发环境………………………………………………………………23

4.1.1 MPLABIDE的安装…………………………………………………………………23

4.1.2 C30编译器的安装………………………………………………………………23

4.1.2 ICD3在线调试器………………………………………………………………23

4.2 外设引脚配置…………………………………………………………………………23

4.3 定时器/计数器配置……………………………………………………………………24

4.4 混气系统硬件调试………………………………………………………………………24

4.5 模数转换模块……………………………………………………………………………25

4.6 混气系统的程序模块…………………………………………………………………26

4.7 增量式PID控制算法模块……………………………………………………………27

4.8 本章小结………………………………………………………………………………28

5 总结与展望……………………………………………………………………………………29

5.1 总结………………………………………………………………………………………29

5.2 展望………………………………………………………………………………………29

致谢………………………………………………………………………………………………31

参考文献…………………………………………………………………………………………32

1 绪论

1.1 激光器的发展历史及应用

激光器最早的理论基础可以追溯到爱因斯坦的受激辐射概念。他的观点是在原子里，各种不同的粒子不是分布同一个能级上面的，处在不同能级上的粒子在某个种类光子的激发下，粒子就会从原来的高能级到低能级发生跃迁，发生跃迁的同时还会辐射出光，光的性质与激发的光的相同。在某种时状态下，会出现弱光激发出强光的现象，这就被称为激光。^[1]

虽然80年代之前激光器在加工领域已经得到应用，但真正得到大规模推广却是在横流和轴流CO2激光器问世以后，^[2]历经十年时光，在科学家不断努力专研下更是使得激光器有了长足的进步。CO2激光器之所以在材料加工领域如此受到重用是因为它的高质量、高效率并且运行成本低，切割和焊接是当前大功率CO2激光器在工业上的主要使用之处。在美国、日本等欧洲国家大功率激光切割占大功率激光的六成以上。激光加工产业中激光切割使用是占着极其重要比例，它拥有高速度、高精度和高适应性的特性，这些都是传统切割所不足的地方。在切割板材时，因为它不像传统切割需要磨具这些复杂繁琐的东西，所以激光切割可以减少生产所需的周期和降低材料成本。因此，当前激光切割已经广泛地用于汽车制造、航天航空、化工等许多工业部门中，激光切割也成为工业加工中必不可少的一项技术。