Микроконтроллерное управление процессом активированной пайки

Факультет Компьютерного Проектирования

Кафедра ЭТТ

 

 

Дисциплина: Технология РЭС

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту

на  тему

«Микроконтроллерное управление процессом активированной пайки»

 

 

 

 

Студент:  гр. 810201

Линник О.В.

 

 

Руководитель:

профессор, доктор техн. наук

Ланин В.Л.

 

 

 

 

 

Минск 2012

 

Реферат

УДК 621.791.16

 

Линник О.В

 

 

Микроконтроллерное  управление процессом активированной пайки: Курсовая работа по спец. «Производство и проектирование РЭС». Минск: БГУИР, 2012 – 43с.

Выполнен  анализ систем автоматизированного  контроля. Произведен анализ использования  микроконтроллеров в системах автоматизированного  контроля. Установлены оптимальные  параметры построения модуля автоматизации  на микроконтроллере. Подобрана элементная база, составляющие блоки, спроектирована печатная плата. Проведено моделирование  работы модуля в САПР “Proteus”. Система на базе микроконтроллера имеет высокую точность, низкие требования, легко программируется и перепрограммируется что способствует большей актуальности и универсальности. Проста в сопряжении с ПЭВМ и наглядна.

Разработан  модуль автоматизации контроля параметров активированной пайки способный  получать данные о рабочем напряжении и частоте, напряжении обратной связи  и температуры пайки. Модуль выводит  данные на двустрочный 16-ти символьный дисплей и передает их ПЭВМ по интерфейсу RS232. Точность измерения благодаря 10-битному  АЦП составляет менее 0.1% от Uмакс.

 

Ключевые слова: контроль параметров, автоматизация, микроконтроллер, программирование, активированная пайка.

 

 

Содержание

 

 

1 Анализ автоматических систем контроля параметров активированной пайки 8

2 Применение микроконтроллеров в системах АСК 11

3 Обзор современного рынка микроконтроллеров, анализ 12

4 Выбор контроллера и его обоснование 25

5 Разработка АСК на микропроцессоре 39

6 Инструкция по автоматическому измерению параметров активированной пайки 43

Заключение 47

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 48

Приложения 49

 

Введение

      Современное производство изделий электроники является сложным и многокомпонентным процессом, состоящим из большого числа различных технологических и контрольно-измерительных операций.  Трудоемкость контрольно-измерительных операций достигает до 50% от общей трудоемкости изготовления изделий. Поэтому проблема снижения трудоемкости контроля и одновременного повышения качества изделий не может быть решена без широкого применения автоматизированных систем контроля (АСК) и компьютерной техники.  Наибольшую эффективность АСК дают в тех случаях, когда необходим сплошной контроль (особо важных технологических или электрических параметров, при значительном проценте браке и т.д.). АСК позволяют существенно повысить эффективность производства, качество продукции, производительность труда, а также скорость и точность контроля параметров изделий, исключить субъективность оценок, уменьшить численность обслуживающего персонала.

Целью курсового проектирования является разработка микропроцессорного блока  автоматического измерения параметров активированной пайки.

Информационно-измерительные системы (ИИС), входящие в состав АСК, автоматически обрабатывают полученную количественную информацию непосредственно от технологического оборудования путем процедур измерения и контроля, математической обработки данных и представления их в виде совокупности чисел, графиков и т.д. В ИИС объединяются технические средства, начиная от датчиков и кончая устройствами выдачи информации, а также программное обеспечение, необходимое для управления работой системы и позволяющее решать измерительные и вычислительные задачи.

Структура, характеристики и конструктивные особенности  ИИС определяются областью ее применения. Однако, несмотря на большое многообразие ИИС, они могут быть представлены рядом обобщенных структурных схем, охватывающих подавляющее большинство возможных вариантов реализации ИИС.

 

1 Анализ автоматических систем контроля параметров активированной пайки

Все ИИС реализуют  радиальный или магистральный принцип  построения. ИИС радиального типа состоит из отдельных измерительных  преобразователей различных контролируемых физических величин (как правило, ограниченного  количества), каждый из которых связан с управляющей ЭВМ через индивидуальное устройство согласования. Вполне очевиден недостаток такой структуры системы, так как ЭВМ должна иметь столько  входов, сколько к ней подключено внешних устройств, что усложняет процесс взаимодействия ЭВМ с внешними устройствами, снижает быстродействие и ограничивает возможности системы с точки зрения перестройки и наращивания ее структуры. Поэтому использовать такую систему лучше всего при небольшом количестве объектов контроля или контролируемых параметров.

Магистральная структура сопряжения характеризуется  наличием сквозного канала передачи данных (системного канала обмена информацией), равноправием всех подключенных к нему устройств и асинхронным принципом  обмена. Основное назначение канала передачи данных – это упорядоченный обмен информационными потоками между отдельными элементами, в систему. В канале происходит распределение информации между отдельными элементами системы, устанавливается очередность работы элементов, одновременно требующих связи и т.д. Магистральная структура канала передачи данных получила в настоящее время широкое применение при построении ИИС.

Для технологических  процессов с малым уровнем  внутренних и внешних возмущающих  воздействий функции АСК могут быть ограничены поддержанием заданных параметров технологического процесса, запоминанием и анализом (с применением ЭВМ) результатов контроля с последующим представлением их в удобном для оператора виде.

АСК обрабатывает данные по измеряемым параметрам, выдает оператору сведения об отклонениях их значений от нормы и, если это необходимо, заполняет документ - рабочий формуляр с текущими данными о процессе. При этом система выдает необходимые управляющие импульсы для поддержания установленных режимов процесса, сигналы о нарушении режимов, наличии неисправностей в объекте управления и в самой системе управления. В результате обработки результатов контроля на ЭВМ оператор получает информацию, необходимую именно в данной ситуации.

Анализ структур ИИС показывает, что наиболее характерными типовыми компонентами являются измерительные  преобразователи, устройства согласования (ЦАП, АЦП и др.), устройства сопряжения (интерфейсы), устройства для обработки  измерительной информации (ПЭВМ и микропроцессоры), устройства индикации и регистрации [1]. В состав АСК на базе ПЭВМ входят ветви сбора информации, передачи управляющих воздействий и связи с оператором. В качестве первичных источников информации могут использоваться как простейшие датчики, так и цифровые измерительные приборы. Система предназначена для контроля технологических режимов, сортировки изделий в пределах поля допуска и регулировки технологических режимов. Недостатки системы — невысокое быстродействие и уменьшение выхода годных изделий в результате возможных сбоев системы.

Обычный офисный компьютер в стандартной конфигурации имеет два-четыре порта USB, один COM-порт, один принтерный порт LPT и порт Ethernet. Количество USB портов увеличивают с помощью USB хабов, а COM- портов– с помощью преобразователя USB в COM.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1.1 - Человеко-машинная система контроля параметров технологического процесса.

1 – первичные источники информации, 2 – блоки преобразования АЦП и ЦАП, 3 - устройства сопряжения, 4 – исполнительные устройства, 5 – периферийные устройства

 

Для оперативного контроля и поддержания оптимальных режимов процесса локального УЗ лужения разработана схема управления, которая включала в себя мощный генератор (УЗГ), блоки управления частотой (БУЧ) и напряжением выходного сигнала (БУН), ПЭВМ со встроенной платой коммутаторов входного и выходного сигналов, АЦП и ЦАП.

Акустическая  система состоит из магнитострикционного преобразователя, волновода и рабочего инструмента, погруженного в расплав припоя. Рабочий инструмент представлял собой пластину в форме скругленного сверху прямоугольника, жестко связанного с торцом конического волновода. К преобразователю для непрерывного контроля вибраций и настройки инструмента на резонанс присоединен датчик амплитуды (ДА) в виде пьезоэлектрической пластины, одна поверхность которой являлась статичной, в то время как на ее вторую поверхность воздействовали УЗ колебания. Сигнал с датчика поступает на вход измерительного блока, усиливается по переменному току, детектируется и подается на плату управления.

Сигналы с  датчиков поочередно с помощью входного коммутатора преобразовывались  АЦП в цифровую форму и обрабатывались в ЭВМ. При отклонении параметров процесса от заданных, ЭВМ вырабатывала управляющий сигнал, который с  помощью выходного коммутатора  передавался в блок управления частотой либо амплитудой, изменяющей частоту  или выходное напряжение генератора. Затем анализировался сигнал с датчика  амплитуды и, если необходимо, производилась  дальнейшая корректировка частоты  и выходного напряжения генератора.

Текущие значения контролируемых параметров: частоты  УЗ колебаний, напряжения выходного сигнала генератора и амплитуды колебаний концентратора, а также состояние системы отображалось на экране дисплея и, при необходимости, выводилось на печать.

 

Рисунок 1.2 - Схема управления процессом локального УЗ лужения

 

Технические характеристики системы управления процессом УЗ лужения деталей: количество технологических датчиков; скорость обработки датчиков программными средствами: частоты, напряжения, амплитуды; суммарное время обработки сигналов датчиков.

С целью определения  характера распределения амплитуды УЗ вибраций по поверхности излучателя были проведены ее замеры с помощью контактного измерителя вибраций.

По краям  излучателя, а также в центре в  месте присоединения концентратора  амплитуда УЗ колебаний выше, чем в остальных точках, так как в центре действует продольная составляющая УЗ воздействия. Поскольку площадь излучателя больше площади торца концентратора, то по краям излучателя имеет место изгибная составляющая колебаний, приводящая к перераспределению амплитуды колебаний по поверхности излучателя. В результате происходит возрастание амплитуды колебаний по краям излучателя и ее уменьшение между краем и центром. Это приводит к неравномерности кавитационных процессов в приповерхностном слое припоя, что, как следствие, ведет к неравномерности лужения деталей.

 

 

2 Применение микроконтроллеров в системах АСК

В современных системах контроля микропроцессорная техника все чаще и чаще находит себе место. Это объясняется простотой ее внедрения, использования и модификации. Микроконтроллеры представляют собой приборы, конструктивно выполненные в виде одной БИС и включающие в себя все устройства необходимые для реализации цифровой системы контроля минимальной конфигурации: процессор, запоминающее устройство команд, внутренний генератор тактовых импульсов, а также программируемые интегральные схемы для связи с внешней средой. Наличие ППЗУ в составе микроконтроллеров позволяет без труда осуществлять изменение кода программ и данных, в случае модификации системы контроля или изменения алгоритмом управления. Применение микроконтроллеров позволяет реализовать очень гибкие алгоритмы контроля, в том числе и нелинейные. Использование микроконтроллера в системах управления обеспечивает достижение высоких показателей эффективности при столь низких затратах. Присутствие в микроконтроллерах многочисленных линий ввода/вывода делает возможным включения микроконтроллера в систему управления без дополнительных аппаратных затрат. Функциональная законченность, достаточно широкие возможности расширения микроконтроллерной системы, а главное высокая мобильность и адаптация к конкретной технической система за счет разработки соответствующего программного обеспечения, обеспечивают перспективность использования микроконтроллеров в системах автоматического контроля.

 

 

3 Обзор современного рынка микроконтроллеров, анализ

В последние  годы при разработке систем управления объектами различного типа и уровня сложности все больше внимания уделяется  микроконтроллерной технике. Это связано  с ее бурным развитием и широким  ассортиментом предлагаемой продукции. Использование микроконтроллеров  позволяет конструировать устройства, обладающие такими качествами, как  небольшие габариты, относительная  дешевизна, простота и надежность, совместимость  с персональным компьютером через  стандартные интерфейсы.

При разработке устройства возникает необходимость  в выборе микроконтроллера, удовлетворяющего требованиям по производительности, надежности, условиям применения и  т.д.

Выбор микроконтроллера (МК) является одним из самых важных решений, от которых зависит успех  или провал всего проекта. При  выборе микроконтроллера существуют многочисленные критерии, большинство из которых  представлены в этом разделе.

Основная  цель - выбрать микроконтроллер с  минимальной ценой (чтобы снизить  общую стоимость системы), но в  то же время удовлетворяющий системной  спецификации, т.е. требованиям по производительности, надежности, условиям применения и  т.д. Общая стоимость системы включает все: инженерное исследование и разработку, производство (комплектующие и труд), гарантийный ремонт, обновление, обслуживание, совместимость, простоту в обращении  и т.д.

Второй шаг - поиск микроконтроллеров, которые  удовлетворяют всем системным требованиям. Он обычно включает подбор литературы, технических описаний и технических  коммерческих журналов, а также демонстрационные консультации.

Последняя стадия выбора состоит из нескольких этапов, цель которых - сузить список приемлемых микроконтроллеров до одного. Эти  этапы включают в себя анализ цены, доступности, средств разработки, поддержки производителя, стабильности и наличия других производителей.

Проведение  системного анализа проекта позволяет  определить требования к микроконтроллеру:

·        разрядность вычислительного ядра;

·        набор встроенных периферийных устройств (таймеры, АЦП и т.п.);

·        наличие битовых операций;

·        аппаратная организация обработки данных (структура машинного цикла, соотношение тактов ГТИ и машинных циклов);

·        возможность работа по прерываниям, по внешним сигналам готовности или по командам человека;

·        количество управляемых портов ввода/вывода, характер передачи - байтовая или битовая, программная настройка направления передачи;

·        тип устройств ввода/вывода, которыми должен управлять выбираемый МК в проектируемой системе (терминалы, выключатели, реле, клавиши, датчики, цифровые устройства визуальной индикации, аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, модуляторы и т.д.);