微波介质陶瓷器件不良品自动计量装置的设计与实现_陶冶博.pdf

|85自动化技术0 引言微波介质工艺技术是首先制备各种介电常数的高温烧结陶瓷粉，并通过成型、烧结、研磨、制电极、组装、调试等工艺，生产出微波频率器件，微波介质陶瓷坯体在1200以上温度烧结而成，具有高 Q 值、小尺寸、低温度系数等优势。微波介质陶瓷器件生产的最后一个工艺环节是调试，需要有经验的调试人员通过打磨使器件的 S 参数符合工艺要求。而无法通过调试要求的器件以及存在故障的器件需要被计量，计量结果可用于管理人员对生产工艺进行分析，从而对工艺进行改进，提高生产质量。因此，对微波介质陶瓷器件不良品类别与数量进行计量具有重要的意义。本文以嘉兴佳利电子有限公司微波介质陶瓷器件生产线为背景。现阶段，由于不同型号的元器件尺寸差异大、定制化器件无法上机生产、调试环节需要人工进行等原因，佳利电子采用人工计数的方式进行不良品类别与数量的统计，并规定每 2 小时通过手持数据采集机上报的方式，将数据上传至工业互联网云平台。现阶段采取的人工方式计量存在数据上报不及时、容易出错、增加调试人员大量工作量等缺点。因此，迫切需要研制一套可以自动对微波介质陶瓷器件不良品类别与数量进行计量并上传云平台的设备。本文设计的微波介质陶瓷器件不良品自动计量装置，该设备能够对不同规格的微波介质陶瓷器件进行类别和数量的计量，并将计量数据实时上传。该设备解决了企业生产管理过程中的实际问题，减少了数据采集人员的工作量，提高了生产管理数据的实时性，为后续工艺改进、产品升级奠定了基础。1 系统整体设计本文通过对嘉兴佳利电子有限公司微波介质陶瓷器件生产线进行实地考察调研，并与相关生产工艺人员进行交流讨论，根据调研与讨论的结果确定微波介质陶瓷器件不良品自动计量装置的设计方案。通过实地使用场景及设备进行调研，了解现有调试工位的布局，现不良品收集盒最多 5 个，放置在矢量网络分析仪前方，矢量网络分析仪尺寸为 490mm427mm 234mm(宽 深 高)。为了增加联网可靠性要求通过有线网络连接。为了便于安装和维护，所有接插件需要方便插拔，同时要尽可能减少线缆数量，降低部署成本。网络分析仪电源调试手柄已调试待调试调试夹具不良品收纳座位气吹 图 1 工位布局图通过与生产工艺人员交流讨论，了解到现有不良品数量和类别数据的采集过程如下：调试岗位放置多个不良品收纳盒，调试人员发现不良品后，将不良品投入对应类别的收纳盒中，不良品种类最多 5 类。每 2 小时会有专人进行人工计数，并通过手持数据采集机进行数据上传。通过上述两种方式进行调研，并根据调研结果得出现有方案存在数据不准确、更新不及时、增加工人工作量等问题。为了解决上述问题确定设计方案如下。该设备包含：进料结构、电感式计数传感器、单片机控制采集电路、数据采集器、工业互联网云平台。系统框图如图 2 所示。电感式计数传感器：通过金属改变电感感值的原理实现金属材质物料计数功能，需要调节灵敏度，使得不同类型的物料能够检测的同时，尽可能地减少干扰，例如金属工具的微波介质陶瓷器件不良品自动计量装置的设计与实现陶冶博1，吴湘莲1，沈旭东1，张越1，王庆祥1，柯美鑫2（1.嘉兴职业技术学院，浙江嘉兴，314036；2.嘉兴佳利电子有限公司，浙江嘉兴，314033）基金项目：浙江省教育厅科研项目资助，编号：Y202146138；2022年度高校国内访问工程师“校企合作项目”，编号：FG2022314；嘉兴职业技术学院2023年校立科研项目，编号：jzyy202316；2023年嘉兴市应用性基础研究科技计划项目，编号：2023AY11028。摘要：针对嘉兴佳利电子有限公司微波介质陶瓷器件调试过程中需要对不良品的种类和数量进行实时计量的需求，本文设计了一种微波介质陶瓷器件不良品自动计量装置，该装置由机械结构、电感式计数传感器、物料杯、数据采集器、工业互联网云平台等部分构成。微波介质陶瓷器件通过电感式计数传感器后可以改变传感器的电感值，从而实现微波介质陶瓷器件的计数，测量结果通过数据采集电路实时上传至工业互联网云平台。该微波介质陶瓷器件不良品自动计量装置解决了现有技术中存在的问题，能够对不同尺寸的微波介质陶瓷器件不良品进行数量和类别的采集。关键词：微波介质陶瓷器件；数据采集；工业互联网DOI:10.16589/11-3571/tn.2023.11.02586|电子制作 2023 年 6月自动化技术干扰。单片机控制电路：采集计数传感器输出的脉冲个数，同时具有显示、清零按钮。最后将采集的数据通过 RS485 接口 MODBUS 协议输出到数据采集器。数据采集器：通过 RS485 接口连接多个微波介质陶瓷器件不良品自动计量装置，并通过 MODBUS 协议轮询的方式进行采集，将所有采集的数据通过 WiFi 或网线 MQTT 协议上传至工业互联网云平台。工业互联网云平台：通过 MQTT 协议获取采集到的数据，并通过数据看板显示输出，提供给各层级人员进行生产管理。2 结构设计结构设计需要兼容现有的调试工艺流程和习惯，以降低车间师傅的学习成本，同时需要兼容现有的物料杯。此外，采用的材料需要综合考虑加工难度，成本等问题。本文采用六角铜柱+亚克力板的方式。结构整体尺寸需要尽可能地紧凑，以减少工作台的占用。结构设计方案效果图与实物图如图 3、图 4 所示。图 3 结构渲染图图 4 设备实物图3 硬件设计本设备硬件结构包括两部分组成：微波介质陶瓷器件不良品自动计量装置和数据采集器。其中数据采集器使用佳利电子公司现有数据采集器即可实现功能，微波介质陶瓷器件不良品自动计量装置需要重新研发。微波介质陶瓷器件不良品自动计量装置功能包括：（1）电感式计数传感器信号采集；（2）数码管显示当前计数值；（3）轻触按键实现计数清零功能；（4）RS485 通信接口，实现将采集的数据发送给数据采集器。3.1 电感式计数传感器电感式计数传感器采用浙江比克电器有限公司的型号为HX-DGS-30N 的传感器，该传感器供电为 DC6-36V，NPN型输出。使用时需要将信号引脚通过电阻上拉至 VCC 后才能输入至单片机引脚，并通过单片机的外部中断功能进行信号采集。此外，为了兼容 NPN 与 PNP 两种输出类型，同时防止外部线缆引入噪声，本文设计了光耦隔离电路，对电感式计数传感器的信号进行电平转换。电感式计数传感器实物图与电路原理图如图 5、图 6 所示。图 5 电感式计数传感器 3.2 显示电路常用的显示电路包括：数码管、LCD 液晶屏、OLED屏、TFT 屏等，本文为了尽可能地降低设备的功耗与成本电感式传感器单片机数码管数据采集器MODBUS坏料采集器坏料采集器MODBUSMODBUS工业互联网云平台MQTT按键图 2 系统框图|87自动化技术采用数码管进行测量结果的显示。数码管具体采用 0.32英 寸 4 位 数 码 管，尺 寸 为28mm11mm5mm。此外，为了降低单片机 IO 口的占用，本文通过 TM1620 芯片对数码管进行驱动。电路原理图如图 7 所示。3.3 RS485 通信接口电路为了方便设备的安装部署，尽可能地降低连接线缆的数量。微波介质陶瓷器件不良品自动计量装置与数据采集器之间采用 RS485 接口进行通信，RS485 接口电路采用SP3485E 芯片实现。电路原理图如图 8 所示。3.4 单片机电路综合考虑性能需要、价格、开发成熟性等因素，选用意法半导体公司的 STM32 F103C8T6 单 片 机 作 为 核 心MCU，该单片机主频 72MHz，包含 37 个可用 IO 接口，具有7 个定时器、2 个 I2C 接口、3个USART接口满足设计需求，同时该单片机支持低功耗模式。单片机电路原理图如图 9所示。3.5 供电电路为了防止在安装过程中正负极接反而损坏设备，本文在供电输入端设计了 SS34 二极管实现防反接功能。硬件部分功耗最高的是 5 路数码管显示，本文给每个显示电路单独设计一路 3.3V 输出电源，每路可以提供最大 1A 电流。其余电路采用一路 3.3V 电源。3.3V 稳压电路使用线性稳压芯片 AMS1117 实现。电路原理图如图 10 所示。VO3V3U18TLP281-4ANODE1CATHODE2ANODE3CATHODE4ANODE5CATHODE6ANODE7CATHODE8EMITTER9COLLECTOR10EMITTER11COLLECTOR12EMITTER13COLLECTOR14EMITTER15COLLECTOR16R20 4.7kR212KR22 4.7kR232KR24 4.7kR17 4.7kR192KR182KIN1-PB6IN4-IN3-IN2-IN2-PB5IN1-IN3-PB4IN4-PB3IN1+IN2+IN3+IN4+图 6 光耦隔离输入C21uF.U5LED3241UTMBDMa11b7c4d2e1f10g5dig112dp3dig29dig38dig46C1470uF/10VU1TM1650DIG11SCL2SDA3GND4DIG25DIG36DIG47DP/KP16A/K118B/K129VDD10C/K1311D/K1412E/K1513F/K1614G/K1715DIG1_1SCL_1SDA_1GNDDIG1_2DIG1_3DIG1_4A1DP1G1F1E1D1C1VLED_1_2B1A1B1C1D1E1F1G1DP1DIG1_1DIG1_2DIG1_3DIG1_4VLED_1_2GND图 7 数码管及其驱动电路TTL-RS485Pin1RO 接收器输出。Pin2RE 接收器输出使能（低电平有效）。Pin3DE 驱动器输出使能（高电平有效）。Pin4DI 驱动器输入。Pin6A 驱动器输出/接收器输入（同相）。Pin7BV 驱动器输出/接收器输入（反相）。BAVCCSTMVCCSTMVCCSTMVCCSTMR81KD4SMF6.5CA12R13.3KR410KD2SMF6.5CA12R51KC2922uF/10VR73.3KD5SMF6.5CA12C301uFC31100nFU15SP3485ERO1/RE2DE3DI4GND5A6B7VCC8R3NC/120RQ2AO3404485_UTXRS485-BRS485-A485_URX图 8 RS485 电路原理图88|电子制作 2023 年 6月自动化技术VC5VVLED_1_2VC5VU8AMS1117/1AVO2VO4VI1G3D1SS34C141uFC1322uF/10VC1522uF/10VC161uFJ1POWER123VC24V 图 10 供电电路原理图4 软件设计软件部分主要包括：微波介质陶瓷器件不良品自动计量装置 MCU 程序、数据采集器 MCU 程序以及工业互联网云平台数据展示软件。其中工业互联网云平台使用佳利电子现有平台实现，只需要根据需求设计看板即可。数据采集器 MCU 程序也可以使用佳利电子现有方案，只需使用 485 接口的 MODBUS 协议进行数据读取，并将采集的数据上传至云平台即可。因此，只需要开发微波介质陶瓷器件不良品自动计量装置 MCU 程序。微波介质陶瓷器件不良品自动计量装置 MCU 程序的流程图如图 11 所示。5 系统测试为了验证本文设计的微波介质陶瓷器件不良品自动计量装置的测量效果，本文设计了以下实验。首先依次将尺寸为9.5mm4.5mm 2.5mm、10.8mm4.2mm 8.6mm、12.8mm 3.8mm4.4mm、16.4mm 4.5mm 6.2mm、22.5mm 7.0mm8.0mm、29.5mm 9.0mm8.0mm、41.9mm17.1mm9mm 共7 种尺寸的器件放入计量装置，观察测量结果如表1所示。结论：通过上述数据可知，本文设计的微波介质陶瓷器件不良品自动计量装置，可以准确测量 9.5mm4.5mm2.5mm41.9mm17.1mm9mm 尺寸范围内的微波介质陶瓷器件，满足设计需求。表1 各尺寸微波介质陶瓷器件测量结果尺寸（mm）放入数量（个）测得数量（个）9.54.52.5202010.84.28.6202012.83.84.4202016.44.56.2202022.57.08.0202029.59.08.0202041.917.1920 20SWD驱动TM1650通讯IO复位按键PC13/PC14/PC15：同一时间只能有一个作为输出口；只有3mA 驱动能力，不能驱动LED；速率不能超过2MHZ;VBAT：后备电源1.8-3.6V；VDD3：需要外接4.7 uF以上电容；VDDA：需要外接1uF+10nF电容；TM1650通讯IOVCCSTMVCCSTMVCCSTMVCCSTMVCCSTMVCCSTMC46100nFC511uFX18MHzC4210uFC43100nFR1010kCC122pFC491uFR15 22RC451uFU17STM32F103C8T6VBAT1PC13/ANTI_TAMP2PC14/OSC32_IN3PC15/OSC32_OUT4PD0/OSC_IN5PD1/OSC_OUT6NRST7VSSA8VDDA9PA0/WKUP/U2CTS/IN0/T2C1_ETR10PA1/U2RTS/IN1/T2C211PA2/U2TX/IN2/T2C312PA3/U2RX/IN3/T2C413PA4/SPI1_NSS/U2CK/IN414PA5/SPI1_SCK/IN515PA6/SPI1_MISO/IN6/T3C116PA7/SPI1_MOSI/IN7/T3C217PB0/IN8/T3C318PB1/IN9/T3C419PB2/BOOT120PB10/I2C2_SCL/U3TX21PB11/I2C2_SDA/U3RX22VSS_123VDD_124PB12/SPI2_NSS/U3CK/T1_BKIN25PB13/SPI2_SCK/U3_CTS/T1_CH1N26PB14/SPI2_MISO/U3_RTS/T1_CH2N27PB15/SPI2_MOSI/T1_CH3N28PA8/U1CK/T1_CH1/MCO29PA9/U1TX/T1C230PA10/U1RX/T1C331PA11/U1CTS/CANRX/USBDM/T1C432PA12/U1RTS/CANTX/USBDP/T1ETR33PA13/JTMS/SWDIO34VSS_235VDD_236PA14/JTCK/SWCLK37PA15/JTDI38PB3/JTDO/TRACESWO39PB4/JNTRST40PB5/I2C1_SMBAI41PB6/I2C1_SCL/T4C142PB7/I2C1_SDA/T4C243BOOT044PB8/T4C345PB9/T4C446VSS_347VDD_348R251MC50100nFCC222pFC48100nFJ4POWER123C52100nFR16 22RC44100nFC471uFR910KR1110kR14 510R2610KD6REDVCCSTMSWDIOSWCLK232_U1TX232_U1RXX8MOX8MISDA2SCL2SDA1SCL1IN5-PB8SDA5SDA4SCL4SCL5U1TXU1RXX8MIX8MOSCL3SWDIOSWCLKIN1-PB6CPU_LEDSDA3NRSTNRSTIN2-PB5IN3-PB4IN4-PB3CPU_LEDSWDIOSWCLKGND图 9 单片机电路原理图开始硬件初始化外部中断获取传感器计数值本地数据更新MODBUS协议数据推送主机轮询？Y数码管显示按键按下？数据清零Y图11 程序流程图（下转第 78 页）78|电子制作 2023 年 6月自动化技术长度带入仿真模型，经过模型自行演化得出系列优化后数据。优化后模型对比平面图如图 7 所示。表3.1 Vissim仿真数据对比表主道路行驶速度停车场入口速度 排队长度 拥堵率车辆密度优化前22.5km/h1.7km/h189.23m87.5%92辆/h优化后34.6km/h6.8km/h0m15%67辆/h从该路口调研数据使用VISSIM软件进行交通仿真模拟，建立停车场仿真模型进行评测。结果表明，停车场设计改造后大幅度改善了该路口的停车场排队问题，路口拥堵率有了显著的下降。证明了本设计为该社会问题解决提出一种可行有效的办法。4 结语本文所研究的外部介入式系统，通过单片机与数模显示屏的逻辑编程结合，可以应用于停车场设施市场中，实现快捷式引导。全部采用内接式电路，从而避免了网络信号造成的停车场困境，易于改造、使用简单，能完美作为新智能时代停车场与旧时代车流量大停车场的过渡改造系统。跟随引导快速停车，减少了寻找车位的时间，从而降低排队的概率，进而减少因为进入停车场路段与其他交汇路段形成排队的概率，提高该区域的通行率。参考文献 1 宝鹤鹏，陈超，王磊.面向停车场场景的多传感器融合匹配算法与融合数据的并行处理 J.现代计算机,2020(06):76-82.2 孙康康，王花兰.地下大型停车场泊车引导系统设计 J.农业装备与车辆工程，2021,59(08):144-147.3 韩浩然，杨曙光，靳世松，吴蕴豪.停车场智能泊车引导系统 J.电子世界,2022(01):113-114.4 付裕，侯鑫杰，于守超，徐晓钰.谈地下停车场的人性化景观设计 J.山西建筑.2022.48(06).5 应时彦,林晓玮,方炤.基于 NB-IoT 的三轴磁感车位传感器节点设计 J.浙江工业大学学报，2020，48(01):30-39.图 6 攀贸购物中心与停车场位置地图图 7 炳草岗大街 T 型路口停车优化前后 3Dvissim 仿真对比图6 结论本文设计的微波介质陶瓷器件不良品自动计量装置利用电感式计数传感器实现 9.5mm4.5mm2.5mm41.9mm17.1mm9mm 尺寸范围内的微波介质陶瓷器件数量的测量。通过亚力克板、铜柱、螺丝螺母等标准件组成机械结构部分，同时降低了成本与生产难度。该装置的测量结果通过 MODBUS 协议轮询的方式输出，可以通过一个主设备连接多个从设备，从而降低了设备安装部署和后期维修维护的难度。最后本文通过实验，验证了所设计的微波介质陶瓷器件不良品自动计量装置可以精确测量 9.5mm4.5mm2.5mm41.9mm17.1mm9mm 尺寸范围内微波介质陶瓷器件的数量。参考文献 1 杨辉,张启龙,王家邦,等.微波介质陶瓷及器件研究进展 J.硅酸盐学报,2003,31(10):10.2 陈功田,李秋均,吴娟英,等.低温共烧微波介质陶瓷材料及其制备方法,电子元器件:CN112759378AP.2021.3 王莹,张少波,张澜洋,等.一种高性能微波介质陶瓷材料 J,制备方法及应用,2019.4 熊兆贤,肖芬,薛昊,等.微波介质陶瓷器件与测量技术 J.材料导报,2007(S2):187-191.5 李业辉,宁致远,薛邴森,等.基于电感式传感器的金属颗粒材质识别及粒径估计 J.仪器仪表学报,2021,42(8):10.6 骆先达,傅星.射频谐振式电感传感器转换电路设计 J.自动化与仪表,2021(036-012).（上接第 88 页）