??? 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
?
??? 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，通過執(zhí)行數(shù)字PID程序?qū)崿F(xiàn)自動調(diào)整。在超聲波焊線機(jī)金絲球焊壓過程中，可能出現(xiàn)由于壓力過小而出現(xiàn)弱焊和脫焊現(xiàn)象，或由于壓力過大而使得焊點(diǎn)變形量過大，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變化也會直接影響焊線變形量，進(jìn)而影響焊接的質(zhì)量。所以說焊接壓力大小的控制對整個(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?？刂葡到y(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。
?
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。具體的工作過程是：設(shè)定欲穩(wěn)定的電磁鐵的磁力大小，通過壓力檢測元件獲取當(dāng)前電磁鐵壓力值，經(jīng)模／數(shù)轉(zhuǎn)換芯片將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送到單片機(jī)與設(shè)定值進(jìn)行比較，得到偏差信號。該信號經(jīng)過調(diào)節(jié)器做PID運(yùn)算后，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器將調(diào)節(jié)壓力信號由數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號。由于螺線管線圈中的電壓與電磁鐵磁力成正比，通過調(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。
?
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進(jìn)行控制運(yùn)算。本實(shí)驗(yàn)裝置考慮到經(jīng)濟(jì)、簡單、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、開漏每個(gè)I/O口驅(qū)動能力均可達(dá)到20 mA，但整個(gè)芯片最大不得超過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（均可級聯(lián)）來擴(kuò)展I/O口，還可用A/D做按鍵掃描來節(jié)省I/O口，或用雙CPU,3線通信。
??? 本裝置中壓力的檢測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，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)[3]。根據(jù)其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便，當(dāng)被控對象的結(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)場調(diào)試來確定，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：?
????
??? 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)前測量值和設(shè)定目標(biāo)間的差。?
????
??? 該算法的優(yōu)點(diǎn)有：(1)計(jì)算機(jī)輸出增量，所以誤差動作比較小；(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，開始啟動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。
?
?
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A/D轉(zhuǎn)換采集到的數(shù)據(jù)，通過單片機(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。為簡單起見，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，則通過單片機(jī)來完成。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。
?
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言來完成。
??? 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)的過程控制系統(tǒng)具有體積小、簡單實(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，具有很大的市場價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
[1] 深圳市偉天星半導(dǎo)體設(shè)備有限公司.WT系列超聲波金絲球焊機(jī)使用手冊.2006.
[2] 王福瑞.單片微機(jī)測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)大全[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001.
[3] 深圳宏晶科技. STC12C5410AD及STC12C2052AD 系列單片機(jī)器件手冊，2001.
[4] 諸靜．模糊控制原理與應(yīng)用[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：303-342.
[5] 陳燕秀.? 基于單片機(jī)的壓力測量控制系統(tǒng)研發(fā)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息, (入式與SOC)2008，24(3-2 ).
[6] 吳杰. 超聲波鋁線焊線機(jī)焊壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2005.
[7] HARMAN G，ALBERS J. The ultrasonic welding mechanism as applied to aluminumand gold wire bonding in microelectronics. IEEE Trans，Hybrids Package ,PHP-13(1977)406-412.