??? 摘 要：以STC12C2052AD單片機(jī)芯片為控制核心,，采用PID控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套針對(duì)半導(dǎo)體封裝設(shè)備超聲波金絲球焊線機(jī)的焊接壓力控制系統(tǒng),。使其具備了高精度,、多參數(shù)設(shè)置、高靈敏度,、用戶界面友好以及系統(tǒng)成本低等特點(diǎn),。
??? 關(guān)鍵詞：超聲波焊接；STC12C2052AD,；PID
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??? 基于單片機(jī)的壓力參數(shù)的控制和調(diào)節(jié),，即以單片機(jī)為調(diào)節(jié)器，輔助以配套的A/D,、D/A轉(zhuǎn)換單元及電路,，通過(guò)執(zhí)行數(shù)字PID程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)調(diào)整。在超聲波焊線機(jī)金絲球焊壓過(guò)程中,，可能出現(xiàn)由于壓力過(guò)小而出現(xiàn)弱焊和脫焊現(xiàn)象,，或由于壓力過(guò)大而使得焊點(diǎn)變形量過(guò)大，造成焊點(diǎn)強(qiáng)度下降或者根部斷裂的現(xiàn)象,，即使是微弱的壓力信號(hào)變化也會(huì)直接影響焊線變形量,，進(jìn)而影響焊接的質(zhì)量。所以說(shuō)焊接壓力大小的控制對(duì)整個(gè)焊接質(zhì)量的好壞至關(guān)重要,。
??? 焊線機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)如圖1所示,。控制系統(tǒng)硬件部分主要由上位機(jī)和焊線機(jī)壓力控制系統(tǒng)組成,。硬件設(shè)計(jì)時(shí),，為了便于調(diào)試，采用模塊化設(shè)計(jì),，主要包括中心控制器模塊（STC12C2052AD單片機(jī)）,、在線檢測(cè)的焊接壓力模塊,、預(yù)先設(shè)置的焊接壓力模塊,、上位機(jī)模塊,、LCD顯示器模塊等5個(gè)部分。
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1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
1.1 單片機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的作用和功能
??? 該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制功能的主要單元是一個(gè)基于單片機(jī)的壓力控制系統(tǒng),，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,。主要組成部分有：金屬電阻應(yīng)變絲式力傳感器檢測(cè)單元、A/D轉(zhuǎn)換單元,、以STC12C2052AD單片機(jī)為核心的控制單元以及調(diào)節(jié)電磁鐵磁力單元,。具體的工作過(guò)程是：設(shè)定欲穩(wěn)定的電磁鐵的磁力大小，通過(guò)壓力檢測(cè)元件獲取當(dāng)前電磁鐵壓力值,，經(jīng)模／數(shù)轉(zhuǎn)換芯片將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),，送到單片機(jī)與設(shè)定值進(jìn)行比較，得到偏差信號(hào),。該信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)器做PID運(yùn)算后,，通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器將調(diào)節(jié)壓力信號(hào)由數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。由于螺線管線圈中的電壓與電磁鐵磁力成正比,，通過(guò)調(diào)節(jié)螺線管中的電壓大小,，進(jìn)而控制電磁鐵磁力大小，達(dá)到穩(wěn)定電磁鐵磁力大小的目的,。
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1.2 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)
??? 在本實(shí)驗(yàn)裝置中,，數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的任務(wù)是將檢測(cè)元件獲取的當(dāng)前電磁鐵壓力值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓值，以便單片機(jī)將該電壓值與設(shè)定的值進(jìn)行比較,，從而按所得偏差信號(hào)進(jìn)行控制運(yùn)算,。本實(shí)驗(yàn)裝置考慮到經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單,、實(shí)用等因素,，在原有控制器的基礎(chǔ)上以STC12C2052AD單片機(jī)為核心，利用單片機(jī)內(nèi)部集成的A/D轉(zhuǎn)換芯片,，構(gòu)造出一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),。
??? STC12C2052AD[3]單片機(jī)是深圳宏晶公司出產(chǎn)的一款經(jīng)濟(jì)、高性能,、保密性好的單時(shí)鐘周期單片機(jī),，其主要特性如下：
??? (1) 工作頻率為0～35 MHz；
??? (2) 共4個(gè)16 bit定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,，2個(gè)專用16 bit定時(shí)器T0和T1,，再加上PCA模塊可再實(shí)現(xiàn)2個(gè)16 bit定時(shí)器；
??? (3) 片上集成STC12C2052AD系列單片機(jī)應(yīng)用ROM空間1K/2K/4K/6K/8K/10K/12KB,，RAM空間為256B,；
??? (4)通用I/O口（15/23/27個(gè)），復(fù)位后為： 準(zhǔn)雙向口/弱上拉（普通8051傳統(tǒng)I/O口）可設(shè)置成4種模式：準(zhǔn)雙向口/弱上拉,、推挽/強(qiáng)上拉,、僅為輸入/高阻,、開(kāi)漏每個(gè)I/O口驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)到20 mA，但整個(gè)芯片最大不得超過(guò)55 mA,；
??? (5) 內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路,，4路PWM，8路高速8bitA/D轉(zhuǎn)換,；
??? (6) 封裝：LQFP-32,SOP-32/28/20, SKDIP-28,，PDIP-20，TSSOP-20,。LQFP/SOP32 有27個(gè)I/O口,，SOP28/SKDIP28有23個(gè)I/O口，SOP20/TSSOP20/PDIP20有15個(gè)I/O口,，I/O口不夠時(shí),，可用2到3根普通I/O口線外接74HC164/165/595（均可級(jí)聯(lián)）來(lái)擴(kuò)展I/O口，還可用A/D做按鍵掃描來(lái)節(jié)省I/O口,，或用雙CPU,3線通信,。
??? 本裝置中壓力的檢測(cè)反饋采用的是金屬電阻應(yīng)變絲式力傳感器。其工作原理通常是將應(yīng)變片通過(guò)特殊的粘和劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上,，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時(shí),，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變,，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化,。這種應(yīng)變片在受力時(shí)產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋,，并通過(guò)后續(xù)的儀表放大器進(jìn)行放大,，再傳輸給處理電路（通常是A/D轉(zhuǎn)換和CPU）顯示或執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
1.3 PID控制器設(shè)計(jì)
??? 在工程實(shí)際應(yīng)用中,，最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例,、積分、微分控制,，簡(jiǎn)稱PID控制,，又稱PID調(diào)節(jié)[3]。根據(jù)其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,、穩(wěn)定性好,、工作可靠、調(diào)整方便,，當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握,，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型，控制理論的其他技術(shù)難以采用，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定,，這時(shí)最適合應(yīng)用PID控制技術(shù),。
??? 由于超聲波焊線機(jī)焊壓系統(tǒng)是個(gè)具有高度藕合的多變量輸入輸出非線性復(fù)雜系統(tǒng)，其動(dòng)態(tài)特性隨著運(yùn)行工況的變化而大范圍變化,。各環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)特性差異很大,，還有噪音和負(fù)荷干擾,、時(shí)滯等影響,。因此本課題的控制系統(tǒng)最適合選用PID控制算法，根據(jù)控制系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài),，動(dòng)態(tài),、合理地改變PID控制算法的積分常數(shù)，以提高控制的質(zhì)量,。
??? 由于本系統(tǒng)的壓力控制精度比較高,，并考慮誤差積累對(duì)控制系統(tǒng)的影響，應(yīng)選用增量式PID控制算法,，即指單片機(jī)數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量△u(l),，其控制算式為：?
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??? 上式中:Kp、KI,、KD分別為比例,、積分、微分系數(shù),；e(k)為基本偏差,，表示當(dāng)前測(cè)量值和設(shè)定目標(biāo)間的差。?
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??? 該算法的優(yōu)點(diǎn)有：(1)計(jì)算機(jī)輸出增量,，所以誤差動(dòng)作比較?。?2)算式中不需要累加,，控制增量△u (k)的確定僅與最近的3次(系統(tǒng)采用恒定的采樣周期時(shí),，k取3次)的采樣值有關(guān)，因而比較容易通過(guò)加權(quán)處理而獲得比較好的控制效果,。
2 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)
2.1 定時(shí)器中斷子程序
??? 對(duì)于定時(shí)器中斷,，設(shè)定事件管理器模塊，定時(shí)產(chǎn)生周期中斷,。當(dāng)采樣時(shí)間到則產(chǎn)生中斷,，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，開(kāi)始啟動(dòng)AD采樣,，調(diào)用采樣子程序,，將每一采樣周期的AD采樣值做算術(shù)平均，保存入存儲(chǔ)器，此時(shí)關(guān)閉定時(shí)器,，可將采樣值按通信協(xié)議的數(shù)據(jù)格式傳送到PC機(jī),，由PC機(jī)處理顯示。定時(shí)中斷子程序框圖如圖3所示,。
2.2 數(shù)據(jù)采集子程序
在數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)中,，A/D轉(zhuǎn)換是整個(gè)采樣系統(tǒng)的核心。其采集流程圖如圖4所示,。
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2.3 數(shù)據(jù)傳輸子程序
??? 單片機(jī)數(shù)據(jù)傳輸子程序的功能是將單片機(jī)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換采集到的數(shù)據(jù),，通過(guò)單片機(jī)的串行口以一個(gè)固定的波特率發(fā)送到上位機(jī)。本實(shí)驗(yàn)中采用的是9 600 b/s的波特率,。為簡(jiǎn)單起見(jiàn),，發(fā)送數(shù)據(jù)以6 B為一幀．其傳輸格式為前l(fā)6bit的同步碼，中間16bit數(shù)據(jù)(其中后12bit有效,，即為系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)),，最后16bit為CRC校驗(yàn)碼。其程序流程圖如圖5所示,。
2.4 PID控制子程序
??? PID控制程序的入口參數(shù)是經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換的實(shí)際值,，而它的各個(gè)系數(shù)均由初始化時(shí)確定，若要修改,，則通過(guò)單片機(jī)來(lái)完成,。PID增量型的出口參數(shù)是直接輸入D/A轉(zhuǎn)換的數(shù)值。PID控制算法的主要目的是消除靜差和提高控制精度,，防止系統(tǒng)短時(shí)間內(nèi)輸出偏差很大導(dǎo)致控制量超出執(zhí)行機(jī)構(gòu)允許的最大動(dòng)作范圍,。從而使系統(tǒng)出現(xiàn)較大的超調(diào)量甚致發(fā)生系統(tǒng)振蕩。增量式PID算法子程序框圖如圖6所示,。
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3 系統(tǒng)其他部分設(shè)計(jì)
??? 上位機(jī)和單片機(jī)之間采用基于RS232C通信標(biāo)準(zhǔn)的半雙工數(shù)據(jù)通信方式,，為提高系統(tǒng)抗干擾能力，設(shè)計(jì)了看門(mén)狗電路,。文中的數(shù)據(jù)采集與處理程序,、上位機(jī)與單片機(jī)之間的通信程序都使用匯編語(yǔ)言來(lái)完成。
??? 本系統(tǒng)以STC12C2052AD單片機(jī)為核心,，利用集成在單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換芯片,，構(gòu)造出一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，同時(shí)采用PID控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力大小的控制,，使得壓力控制精度得到進(jìn)一步提高,。在超聲波焊線機(jī)焊接壓力系統(tǒng)中得到了利用，并表現(xiàn)出良好的效果,。該基于單片機(jī)的過(guò)程控制系統(tǒng)具有體積小,、簡(jiǎn)單實(shí)用,、成本低、性價(jià)比高等特點(diǎn),，且系統(tǒng)不易受到干擾,，可靠性好，具有很大的市場(chǎng)價(jià)值,。
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