BCSI型烘干机控制系统的设计与实现.docx
《BCSI型烘干机控制系统的设计与实现.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《BCSI型烘干机控制系统的设计与实现.docx（154页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
BCSI型烘干机控制系统的设计与实现
BCSI型烘干机控制系统的设计与实现
BCS．I型烘干机控制系统的设计与实现中文摘要
BCS-I型烘干机控制系统的设计与实现中文摘要
集成电路（IC）生产过程中，电子部件需要进行高温烘烤一定时间后冷却再进行测试。
目前市场上小型烘干机使用很不方便，不具备恒温计时及快速冷却等功能，也无法实现后台监测管理，仍靠人工观察和纸质保存信息。
因此，开发一种能解决上述问题的新型烘干机系统对IC生产过程具有重要意义。
本系统是受苏州工业园区一家IC生产企业委托开发。
整个系统主要由两大部分组成。
第一部分为以FreeeasleM08HC908GP32MCU为核心的嵌入式采集与控制系统，其硬件由MCU及其支撑电路、LCD、电位器、热电耦、三色报警灯、红外传感器、数据采集与控制模块等组成，嵌入式软件主要包括数据采集与滤波、三色报警灯驱动控制、LCD显示及串行通信等。
第二部分为PC方的软件系统。
主要功能是与MCU方进行串行通信、物理量回归、通过数据库操作实现对控制器历史状态的查询与管理等。
文中给出了控制器的串行通信、串口HUB、数据采集和A／D转换、LCD显示、继电器驱动等部分的硬件设计以及面向这些硬件对象的软件设计，阐述了PC方软件数据库结构与软件设计要点。
重点介绍了串口HUB的硬件设计以及分段直线回归方法的设计与实现。
目前，新型烘干机系统在该公司得到了广泛的应用，现控制与管理4套烘烤机与冷却箱，可扩展至100套。
本系统运行安全可靠，大大节约了成本，提高了公司的经济效益，具有良好的应用推广价值。
关键词：
烘干机系统，热电耦，红外传感器，A／D采集，物理量回归，串口HUB
作者：
赵蓉
指导老师：
王宜怀
AbstractTheDesignandImplementationofBCS-IBackControlSystem
TheDesignandImplementationofBCS--IBakeControlSystem
Abstract
IIlICprocedureofproduction,thedectroncomponentforhigh-temperafumbakingneedtomaintainaCel'tainperiodoftime，andthentestaftercooling．Butinthecurrentmarket,smallovenhasnofunctionsofthermostats,rapidcoolingandbackgroundmonitoringmanagement,andartificialobservationandpaper-preservationisveryinconvenient．Soithastheimportant
si班6c锄cetodevelopaIleWOVensystemfortheICproductiontosolvetheseproblems．
Thesystemw勰el"lttxlstedtodevelopmentbyallICproductionintheSuzhouitcorporationcomprisestwomaincomponents．Thefirstistheembeddedacquisitionandcontrolsystem,itshardwarecontainsMCUandsupportcircuit,LCD，potentiometers，three-alarm-light,．infraredsensors,dataacquisitionandcontrolmodule，anditsembeddedsofbvarecontainsdataacquisitionandfiltering,thedrivecontrolofthree-alarm-light,LCDdisplayingand
communicationwithPCetc．ThesecondisPC’sson啊啊rethatimplementscommunicationwith
MCU,theblockstraight-lineregression,implementingtheoperationofthedatabaseonthe
historyofstatecontroller'ssearchandrecordsmanagement．
Thispapershowsthehardwaredesignofserialcommunication,serialportHUB，data
acquisitionandA／Dconverting，LCDdisplayingandrelaydriving,andtheS0ft懈designof
thesehardwareobject-oriented,describesthedatabasestructureandsoftwaredesignfeaturesofPC'ssoftware．ItintroducesthehardwareofserialportHUB，thedesignandimplementationof
theblockstraight-lineregressionindetails．
Now,thenewovellsystemhasbeenrunsteadilyandreliablyinthiscompany．Itcancontrolandmanage4bakesand4coolingboxes，andcanbeexpandedtO100bakesand100coolingboxes．Itisprovedthatthesystemcansavethecostandimprovethecompany'seconomicefficiency．Theapplicationofthissystemisverypromisingandvaluable．
Keywords：
BakeTemperatureControlSystem,Thermoelectriccoupling，Infraredsensors，
dataacquisitionandA／Dconversion,blockstraight-lineregression,serialportHUB
WrittenbyZhaoRong
SupervisedbyWangY'dauai
Ⅱ
苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明
学位论文独创性声明
本人郑重声明：
所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。
对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。
本人承担本声明的法律责任。
研究生签名：
学位论文使用授权声明苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文
合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。
本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。
除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括刊登）论文的全部或部分
内容。
论文的公布（包括刊登）授权苏州大学学位办办理。
研究生签名：
竖日
导师签名：
建窒±兰日
BCS-I型烘干机控制系统的设计与实现第一章概述
第一章概述
烘干机广泛地应用于电子、塑胶、五金、玩具等各行业的耐高温检测。
它一般是将工件加热到一定高温挣续一段时间后拿出，冷却到常温后再进行测试。
目前市场上只有进口的或大型烘干机才具备这些自动控制功能，但是价格很昂贵。
应苏州园区某外资企业委托，本课题负责对现今市场上的小型烘干机进行改造。
本章首先介绍了本课题的工程背景和意义，然后给出BCS．I型烘干机控制系统应具备的主要功能及其系统结构，最后交待了本课题工作和论文的主要结构。
1．1课题背景及意义
本课题是应苏州工业园区某外资企业委托开发的一套嵌入式应用系统，作者全程负责了该系统的软硬件开发。
本系统是针对当前市场上小型烘干机存在的不足，将其改造成一个完整的新型烘干机控制系统，使其具有恒温计时、快速冷却及后台监测管理等传统小型烘干机不具备的功能。
首先，市场上小型烘干机不具备恒温计时功能，其定时功能需要人工干预，即人为观察炉内温度达到设定温度后进行定时时间的设定，没有达到真正的自动化控制。
其次，小型烘干机不具备快速冷却功能。
加热的目的是为了最终的测试，但是经过高温加热的工件不能直接用来测试，需要先对其进行冷却，而现有的冷却箱是不具备自动感知功能的。
靠工作人员手动开启和关闭冷却箱电源比较繁琐，且容易因忘记关电源而造成浪费。
再次，小型烘干机的历史温度信息只能通过打点机进行纸张的保存，这种方法不仅比较落后，而且还不易于查询，此外，记录误差比较大。
随着企业的现代化发展，生产自动化规模不断扩大，烘干机数量不断增加，对烘干机的控制与管理提出了更高的要求。
因此开发自动化程度高、运行可靠的烘干机系统，就显得十分必要。
本系统已在苏州工业园区某外资企业成功运行，小型烘干机在功能和性能上得到了进一步改进和完善，使得企业自动化程度进一步提高。
不仅为该公司节约成本提高了经济效益，而且为该公司制造部的测试大大地提高了工作效益。
所以，作者觉得有必要将工程实践中的设计经验和研究心得整理成文。
另外，本系统是一个完整的嵌入式应用系统，涉及面比较广，包括AD采集、输
第一章概述BCS．I型烘干机控制系统的设计与实现
入捕捉、LCD显示、串行通信等，在中小型嵌入式开发方面有一定的代表性。
若对设计稍作修改，还可以推广到类似的项目，对今后开展其它类似工作具有指导意义。
1．2BCS．I型烘干机控制系统概述
1．2．1系统的主要功能
本系统的目标是通过对当前市场上小型烘干机进行改造，设计一个具有以下恒温计时及快速冷却等功能的烘干机自动控制系统。
（1）温度监测与恒温计时自上电开始，MCU实时监测烘干机内温度，当其内温度达到事先设定的温度后，
开始计时，计时达到设定时间后，自动切断烘干机电源，并通过三色报警灯的黄灯闪和蜂鸣器响提示操作员可以将烘烤的工件拿出进行冷却了。
（2）异常报警
在加热期间，如果检测到烘干机内部温度出现异常，则立刻切断烘干机电源，并通过三色报警灯的红灯亮和蜂鸣器响告警。
（3）快速冷却
工件自烘干机内取出后，需移至旁边的冷却箱进行冷却。
冷却箱通过红外传感器可以实时感知工件的放入和取出，自动开启和关闭冷却功能。
（4）后台监溅管理后台连接计算机，可实时监控4台烘干机内的温度，并记录备份，以供管理员查
看，且在不改变任何软硬件条件下，可直接扩展成同时监控10台烘干机。
（5）物理量回归在实际应用中，通过各种传感器得到稳定的A／D采样值以后，还需要把该采样
值与实际物理量对应起来，这一步称为物理量回归。
A／D转换的目的是把模拟信号转化为数字信号，供计算机进行处理，但必须知道A／D转换后的数值所代表的实际物理量的值，这样才有实际意义【¨。
本系统的一项重要任务是采集烘干机内部温度，并与其自身显示保持一致，这就需要将通过AD转换获得的数字量还原为实际的物理量。
～方面考虑到公司内存在不同制造厂商的烘干机，其自带的温度输出端子的信号不尽相同；另一方面，随着使用
2
BCS．I型烘干机控制系统的设计与实现第一章概述
频度不同，各传感器输出信号会有不同程度变化，为了回归后的物理量与实际物理量始终基本保持一致，本系统提供了一个校准功能，采用的是分段直线回归方法，详细介绍参见5．4节。
1．2．2系统的体系结构
，系统构成总框图如图1．1所示，PC通过串口的一转多接口——串口HUB同时与
多个控制器进行串行通信，实现实时监测。
图1—1系统体系结构总框图
本系统主要由控制器、串口HUB、监控PC三大部分组成。
控制器是本系统的核心，是带有微处理器的可独立运行的智能测控模块，负责数据的采集与处理、现场执行机构的控制，以及对烘干机和冷却箱的控制，同时具有与监控PC进行串行通信的能力，也可以脱机独立工作。
监控PC就是一台工控机和系统软件，可通过串口HUB同时与多个控制器进行通信，实时监控各种现场参数信息。
1．3本课题主要工作及论文结构
1．3．1本课题主要工作
本课题的主要工作安排如下：
第一章概述BCS．I型烘干机控制系统的设计与实现
（1）需求分析作者负责了BCS．I型烘干机控制系统的前期准备和需求分析工作。
（2）总体设计对烘干机控制系统的软、硬件设计的具体内容进行分析，确定软、硬件平台的通
用性的设计思路以及系统的总体设计方案。
（3）硬件设计
①硬件模块划分。
②芯片选型，根据确定的硬件方案选择适当的MCU和电子元件，并做相关的实验，最终确定可行的硬件方案。
③了解和确定各硬件模块的外围电路，分析芯片间的接线方式。
④硬件原理图设计。
⑤元器件的采购，了解各个元件的封装。
⑥根据元件封装，绘制PCB电路图，联系PCB制作厂家生产。
⑦焊接、装配、测试、完成硬件系统。
（4）MCU方软件的设计、实现与调试
①串行通信协议及通信程序的设计与测试。
②1l路模拟量的数据采集程序的设计与测试。
③LcD显示程序的设计与测试。
④继电器驱动程序的设计与测试。
⑤输入捕捉中断的设计与测试。
⑥总体功能分析与主程序设计。
⑦整体测试。
（5）PC方软件的设计与实现
①界面的设计。
②数据库的建立。
③串口通信程序的设计。
④物理量回归程序的设计。
⑤总体测试。
（6）综合调试
4
呈竺!
：
!
型些王垫丝型至堑堕望茎量茎翌墨二主堡垄
进行软硬件联合调试，最终完成本系统的设计。
1．3．2论文结构
全文共分为六章，各章的内容安排如下：
‘第一章首先介绍了BCS．I型烘干机控制系统的工程背景和意义，然后分析了本系
统应具备的主要功能和系统构成，最后给出了本课题主要工作和论文结构。
第二章对系统进行了详细分析，给出了系统控制原理结构框图和输入输出分析，
然后对硬件进行了选型，并对所选芯片的工作原理进行了概要介绍。
第三章详细叙述了系统硬件的设计过程，具体介绍了MCU及核心处理部分、数
据采集与控制部分等主要单元电路的结构和功能，并给出电路测试方法。
第四章介绍了MCU方软件的设计与实现，并给出了关键子程序的源代码、流程
图和算法描述。
．
第五章介绍了PC方软件的设计与实现，并给出了关键子程序的源代码、流程图和算法描述，详细介绍了分段直线回归的物理量回归方法。
第六章对本文进行总结，并提出了一下尚待改进的后续工作。
5
第二章系统分析与硬件选型BCS．I型烘干机控制系统的设计与实现
第二章系统分析与硬件选型
上一章初步分析了BCS—I型烘干机控制系统应具有的功能及其系统结构，下面就要进入设计阶段。
对于同一个设计目标，有不同的实现手段，但在功能的完备性、性能的完善性、开发周期、成本等方面，不同的设计方案具有一定的差异，所以选择合理的设计方案和硬件就非常重要。
本章首先根据系统外部硬件需求对输入输出量进行了详细分析，然后介绍了烘干机控制系统中硬件的选型并对所选的芯片作了概要介绍。
2．1系统总体结构
本系统的体系结构总框图见图1．1所示。
为了方便以后的设计，本节将系统的体系结构划分成机械部分和电器硬件部分，并对其进行了细化，然后给出了系统控制原理结构图。
2．1．1系统外部硬件需求
烘干机控制系统所需的外部硬件主要有以下几部分。
1．机械部分
①工控机：
主机、液晶显示器、键盘、鼠标．
②货架：
网状结构，材料为不锈钢，四个脚均配有可调支撑结构。
③烘干机：
对工件进行高温加热。
④冷却箱：
对高温加热后的工件进行冷却。
2．电器硬件部分
（1）输入器件
①热电耦：
由烘干机自带，提供炉内当前温度参数。
②红外传感器：
实时感知冷却箱内是否有物体放入，从而控制冷却阀的通断。
③电位器：
用于调节设定温度和设定时间。
（2）输出器件
①警报灯：
每个控制器配有一个报警灯，基本颜色为绿色、黄色与红色。
6
BCS．I型烘干机控制系统的设计与实现第二章系统分析与硬件选型
②蜂鸣器：
当炉内温度异常时，系统报警。
③Bake阀：
控制烘干机电源的通断。
④冷却阀：
控制冷却箱电源的通断。
⑤LCD：
显示当前温度、设定温度、当前时间、设定时间。
⑥重启按钮：
重启烘干机。
‘⑦复位按钮：
报警后对系统进行复位。
⑨电源按钮：
对控制器电源进行控制。
2．1．2系统控制原理结构图
图2-1系统控制原理结构框图
该系统控制原理结构框图如图2-1所示。
PC通过串口HUB与多个控制器进行通信。
每个控制器上有LCD，电源、复位以及重启按钮，还有设定加热温度和加热时间的温控电位器和时控电位器。
烘干机自带有一个热电耦输出端子，uV级信号，需要通过传感器电路将信号放大后由控制器将其转换为当前温度显示在LCD上。
将红外对射传感器装在冷却箱两侧，实时监测是否有工件放入冷却箱。
另外，控制器还可
7
第二章系统分析与硬件选型BCS-I型烘干机控制系统的设计与实现
以通过Bake阀和冷却阀分别控制烘干机和冷却箱的电源。
2．2输入输出分析
为了方便硬件分析与设计，根据图2．1的系统控制原理结构框图，图2-2给出了输入输出框图。
—一继电器．仁型．{红灯与蜂鸣器．
1开关信号
红外传感器r———_
—一继电器P型一绿灯
10．--．300。
C
设定温度（电位器）广—一一继电器尚黄灯】
1呲40分MCU叫继电器HI1二二U
设定时间（分×电位器）卜．——一f阀
每0。
2Q对应
热电耦pk——q继电器P竺q冷却阀J
。
臣]<鹫12。
>fLcD
018．5^巧40
。
y。
图2-2烘干机控制系统输入输出框图
，
将输入输出量进行分类，详细分析各路输入和输出量，如表2-1和表2-2所示。
表2．1烘干机控制系统输入一览表
类型编号名称命名来源说明
●一般Bake炉最高设为
I设定温度Temper设定温度（电位器）180。
C
2定时时间T'nne设定时间（分X电位器）0,～240分模拟量
输入
0-180。
C对应于
3当前温度CurtTmp热电耦18．5-54Q
红外传痘器信。
Infrared红外传感器作开关信号用
4
号
红灯报警后按此复位按
5复位信号ResetFlag复位开关钮进行复位
开关量
输入烘烤完一次后需再次起
Bake炉电源
6动烘烤炉时按此按钮手
开关信号BakeFlagBake炉电源开关
动开Bake炉电源
数字量PC串行数据Rxd
7PCRS232信号
输入接收
8
BCS．I型烘干机控制系统的设计与实现第二章系统分析与硬件选型
表2．2烘干机控制系统输出一览表
类型编号名称命名控制对象说明利用继电器控制红灯和
l红灯RedLight继电器1蜂鸣器
2绿灯GreenLight继电器2利用继电器控制绿灯
3黄灯YellowLight继电器3利用继电器控制黄灯j开关量4Bake阀BakeSw继电器5利用继电器控制Bake
输出炉电源的通断
5冷却阀CoolSw继电器6利用继电器控制冷却阀
6继电器7备用
Bake炉电源Bake炉开关按钮内嵌Bake炉电源通时次灯
7灯BakeLight小灯亮，暗时灯灭
数字量PC串行数据
输出8发送．TxdPCRS232信号
2．3硬件选型
在嵌入式应用系统的开发过程中，硬件选型是首先要考虑的问题。
硬件选型的好坏将直接影响着产品设计进度，同时也决定了产品的性能，还可能会影响到产品成形
-’
后的生产。
在硬件选型时应综合考虑成本问题、开发的难易程度闯题、元件购买途径
问题、用户需求问题等等。
对于明确的对象，选择功能过强的MCU，则会造成资源浪费，使得性价比下降；选择功能过少的MCU，无法完成系统功能，即使能满足要求，还要注意不要把所有的FO口用满，应适当预留几个输入和输出口，以便扩展需要。
2．3．1选型原则
以下将以主控芯片为例从技术角度来阐述对硬件的选型原则。
在嵌入式的开发中，所有的设计都是围绕着主控芯片来展开的，所以对主控芯片的选型问题就显得尤为重要，应该遵循以下原则：
①内部包含本系统所需的所有功能模块。
②合理的RAM和Flash大小。
③通用的I／O引脚数目。
④芯片的封装形式。
9
第二章系统分析与硬件选型BCS—I型烘干机控制系统的设计与实现
⑤对芯片及其写入器、编译器和集成开发环境的熟悉程度。
⑥芯片的可购买性及市场应用前景。
芯片的内部功能模块应结合用户的开发需求来定，所选择的芯片必须至少能满足
用户的全部需求。
一般来说，用户只要求实现其提出的所有功能，而对具体使用哪一款芯片并无特殊要求。
目前市场上的芯片种类很多，芯片价格也从几美元到几十美元不等，对于开发者来说i可选择性很大。
不过在设计过程中还是应尽量选用自己比较熟悉的芯片开发，这样会节省开发的周期。
RAM和Flash的大小以及I／O引脚的数目与芯片的价格基本上成正比，价格越贵的芯片前两者也就越大。
选择一款性价比相对比较合适的芯片才不至于浪费芯片资源、增加系统成本。
芯片的封装形式是出于对实验和后期生产的考虑。
通常的封装形式有双列直插和贴片两种，双列直插封装实验起来比较方便，而贴片封装相对比较麻烦，但是其体积小，节约空间，对于制板空间比较紧张的系统则必须选用贴片封装。
牵涉到芯片就必须要考虑到写入器、编译器以及集成开发环境的问题。
通常进行嵌入式开发使用两种语言即汇编和C，各个厂家的芯片对这两种语言所定的标准并不相同，因而在芯片选型时必须考虑到程序开发和编译写入的问题。
最后，需要注意的是使用那些应用前景不佳的芯片，会影响后期的维护工作。
2．3．2MCU的选取
在作者以前的研究和实际开发过程中一直使用的是Frcescale公司（原Motorola公司的半导体部分）的HC08系列MCU和所在实验室自行研发的MT-IDE开发环境，对其比较熟悉；通过分析本系统的输入输出量，计算得出所需I／O口的个数大约为27个：
包含本系统所需的各功能模块；另外，综合考虑成本、效能、设计时效等因素之下，决定使用Fre
升级会员 