??? 摘 要：以STC12C2052AD單片機芯片為控制核心，采用PID控制技術，設計了一套針對半導體封裝設備超聲波金絲球焊線機的焊接壓力控制系統(tǒng)。使其具備了高精度、多參數(shù)設置、高靈敏度、用戶界面友好以及系統(tǒng)成本低等特點。
??? 關鍵詞：超聲波焊接；STC12C2052AD；PID
?
??? 基于單片機的壓力參數(shù)的控制和調(diào)節(jié)，即以單片機為調(diào)節(jié)器，輔助以配套的A/D、D/A轉換單元及電路，通過執(zhí)行數(shù)字PID程序實現(xiàn)自動調(diào)整。在超聲波焊線機金絲球焊壓過程中，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變形量過大，造成焊點強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，進而影響焊接的質(zhì)量。所以說焊接壓力大小的控制對整個焊接質(zhì)量的好壞至關重要。
??? 焊線機控制系統(tǒng)的硬件設計如圖1所示?？刂葡到y(tǒng)硬件部分主要由上位機和焊線機壓力控制系統(tǒng)組成。硬件設計時，為了便于調(diào)試，采用模塊化設計，主要包括中心控制器模塊（STC12C2052AD單片機）、在線檢測的焊接壓力模塊、預先設置的焊接壓力模塊、上位機模塊、LCD顯示器模塊等5個部分。
?
1 系統(tǒng)總體設計
1.1 單片機監(jiān)控系統(tǒng)的作用和功能
??? 該系統(tǒng)實現(xiàn)控制功能的主要單元是一個基于單片機的壓力控制系統(tǒng)，其結構框圖如圖2所示。主要組成部分有：金屬電阻應變絲式力傳感器檢測單元、A/D轉換單元、以STC12C2052AD單片機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前電磁鐵壓力值，經(jīng)模／數(shù)轉換芯片將模擬信號轉換為數(shù)字信號，送到單片機與設定值進行比較，得到偏差信號。該信號經(jīng)過調(diào)節(jié)器做PID運算后，通過數(shù)模轉換器將調(diào)節(jié)壓力信號由數(shù)字信號轉換成模擬信號。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，進而控制電磁鐵磁力大小，達到穩(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)
??? 在本實驗裝置中，數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的任務是將檢測元件獲取的當前電磁鐵壓力值轉換成相應的電壓值，以便單片機將該電壓值與設定的值進行比較，從而按所得偏差信號進行控制運算。本實驗裝置考慮到經(jīng)濟、簡單、實用等因素，在原有控制器的基礎上以STC12C2052AD單片機為核心，利用單片機內(nèi)部集成的A/D轉換芯片，構造出一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
??? STC12C2052AD[3]單片機是深圳宏晶公司出產(chǎn)的一款經(jīng)濟、高性能、保密性好的單時鐘周期單片機，其主要特性如下：
??? (1) 工作頻率為0～35 MHz；
??? (2) 共4個16 bit定時器/計數(shù)器，2個專用16 bit定時器T0和T1，再加上PCA模塊可再實現(xiàn)2個16 bit定時器；
??? (3) 片上集成STC12C2052AD系列單片機應用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），復位后為： 準雙向口/弱上拉（普通8051傳統(tǒng)I/O口）可設置成4種模式：準雙向口/弱上拉、推挽/強上拉、僅為輸入/高阻、開漏每個I/O口驅動能力均可達到20 mA，但整個芯片最大不得超過55 mA；
??? (5) 內(nèi)部集成MAX810專用復位電路，4路PWM，8路高速8bitA/D轉換；
??? (6) 封裝：LQFP-32,SOP-32/28/20, SKDIP-28，PDIP-20，TSSOP-20。LQFP/SOP32 有27個I/O口，SOP28/SKDIP28有23個I/O口，SOP20/TSSOP20/PDIP20有15個I/O口，I/O口不夠時，可用2到3根普通I/O口線外接74HC164/165/595（均可級聯(lián)）來擴展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變絲式力傳感器。其工作原理通常是將應變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學應變基體上，當基體受力發(fā)生應力變化時，電阻應變片也一起產(chǎn)生形變，使應變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。這種應變片在受力時產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般這種應變片都組成應變電橋，并通過后續(xù)的儀表放大器進行放大，再傳輸給處理電路（通常是A/D轉換和CPU）顯示或執(zhí)行機構。
1.3 PID控制器設計
??? 在工程實際應用中，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)其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便，當被控對象的結構和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型，控制理論的其他技術難以采用，系統(tǒng)控制器的結構和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時最適合應用PID控制技術。
??? 由于超聲波焊線機焊壓系統(tǒng)是個具有高度藕合的多變量輸入輸出非線性復雜系統(tǒng)，其動態(tài)特性隨著運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，還有噪音和負荷干擾、時滯等影響。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，應選用增量式PID控制算法，即指單片機數(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，表示當前測量值和設定目標間的差。?
????
??? 該算法的優(yōu)點有：(1)計算機輸出增量，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，k取3次)的采樣值有關，因而比較容易通過加權處理而獲得比較好的控制效果。
2 系統(tǒng)軟件部分設計
2.1 定時器中斷子程序
??? 對于定時器中斷，設定事件管理器模塊，定時產(chǎn)生周期中斷。當采樣時間到則產(chǎn)生中斷，進入中斷服務程序，開始啟動AD采樣，調(diào)用采樣子程序，將每一采樣周期的AD采樣值做算術平均，保存入存儲器，此時關閉定時器，可將采樣值按通信協(xié)議的數(shù)據(jù)格式傳送到PC機，由PC機處理顯示。定時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轉換是整個采樣系統(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
??? 單片機數(shù)據(jù)傳輸子程序的功能是將單片機通過A/D轉換采集到的數(shù)據(jù)，通過單片機的串行口以一個固定的波特率發(fā)送到上位機。本實驗中采用的是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轉換的實際值，而它的各個系數(shù)均由初始化時確定，若要修改，則通過單片機來完成。PID增量型的出口參數(shù)是直接輸入D/A轉換的數(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)短時間內(nèi)輸出偏差很大導致控制量超出執(zhí)行機構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)其他部分設計
??? 上位機和單片機之間采用基于RS232C通信標準的半雙工數(shù)據(jù)通信方式，為提高系統(tǒng)抗干擾能力，設計了看門狗電路。文中的數(shù)據(jù)采集與處理程序、上位機與單片機之間的通信程序都使用匯編語言來完成。
??? 本系統(tǒng)以STC12C2052AD單片機為核心，利用集成在單片機內(nèi)部的A/D轉換芯片，構造出一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，同時采用PID控制算法實現(xiàn)對壓力大小的控制，使得壓力控制精度得到進一步提高。在超聲波焊線機焊接壓力系統(tǒng)中得到了利用，并表現(xiàn)出良好的效果。該基于單片機的過程控制系統(tǒng)具有體積小、簡單實用、成本低、性價比高等特點，且系統(tǒng)不易受到干擾，可靠性好，具有很大的市場價值。
參考文獻
[1] 深圳市偉天星半導體設備有限公司.WT系列超聲波金絲球焊機使用手冊.2006.
[2] 王福瑞.單片微機測控系統(tǒng)設計大全[M].北京：北京航空航天大學出版社，2001.
[3] 深圳宏晶科技. STC12C5410AD及STC12C2052AD 系列單片機器件手冊，2001.
[4] 諸靜．模糊控制原理與應用[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2005：303-342.
[5] 陳燕秀.? 基于單片機的壓力測量控制系統(tǒng)研發(fā)[J]. 微計算機信息, (入式與SOC)2008，24(3-2 ).
[6] 吳杰. 超聲波鋁線焊線機焊壓系統(tǒng)的設計與研究[D].合肥工業(yè)大學碩士學位論文,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.