全自动智能型超声波焊机的设计

郑乾 张超良

摘 要：自动化与物联网技术在现代生产和工业发展中主导了整个方向。新型超声波焊接机系统，融入了stm32技术，物联网技术、自动化控制技术;以stm32f103c8t6为主控器，利用串口通信与PC端上位机实时通信监测焊接机状态并进行及时的调整与控制，同时利用ESP8266连接中国移动OneNET物联网平台将超声波焊接机的状态信息上传给云端数据库，增加了对焊接机的监测内容。

关键词：自动化;物联网;ESP8266;STM32;超声波焊接机

Abstract： Automation and Internet of things technology in modern production and industrial development led the whole direction. The new ultrasonic welding machine system integrates STM32 technology， Internet of things technology， automatic control technology; with stm32f103c8t6 as the main controller， real-time communication between serial communication and PC upper computer is used to monitor the status of welding machine and make timely adjustment and control. At the same time， the status information of ultrasonic welding machine is uploaded to cloud data by connecting China Mobile onenet Internet of things platform with esp8266 The monitoring content of welding machine is added.

Keywords： automation; Internet of things; esp8266; STM32; ultrasonic welding machine

1、背景

1.1物聯网

在国外，物联网的概念早在20世纪90年代就被提出了，但是一直没有受到各个学术界和各国政府的重视。直到21世纪初，各国才开始对应自己国家的情况开始制定物联网开发的技术。自此以后，物联网才成功迎来高调时代。伴随着当今社会的电子技术的高速发展，传感器的技术逐渐成熟和完善，再加上网络的普及和应用，使得现如今的海量信息的收集能力和分类处理数据信息的能力大幅度提高，为物联网的高速发展奠定了良好的基础。

1.2相关研究

超声波焊机在将近70年的发展中，理论研究主要集中在应用方面，比如20世纪60年代艾斯纳E的形状因素概念，发展出了高斯型变幅杆，森荣的振动方向变换器，则为获取50kw以上的高强度超声开辟新的方法。20世纪80年代的日本神奈川大学创造性的研发超声波对焊装置，可以处理1cm厚的铝板，对此进行改进后，可以更改广泛的应用在塑料焊接上。

2相关原理

全智能自动超声波焊接机利用振动波的方式，把高频振动波传递到两个需要焊接的物体表面，在加压的情况下促使两个物体表面进行相互摩擦，然后形成两个物体分子层之间的融合。超声波作用于物体表面时，会在局部产生每秒几万次的高温。当超声波停止工作后，让压力持续几秒钟，促使两个物体凝固成型，最后可以发现其焊接强度能接近于原材料强度。

3.1、创新性设计.

目前市面上的焊接机大多为半自动焊接机，缺点极其明显，而本焊接机对传统焊接机进行改造，利用STM32技术、软件技术以及物联网技术设计出一种全自动型智能焊接机。主控芯片与PC端上位机实时通信并且监测焊接机的状态并进行及时的调整和控制，同时利用ESP8266连接中国移动OneNET物联网平台将超声波焊接机的状态信息时时上传给云端数据库记录超声波焊接机运行状态。需要焊接的原材料只需放在指定的位置，然后启动超声波焊接机，全自动超声波焊接机即可进行正常流水线工作。

3.2、全智能自动化超声波焊接机的总体设计

焊接机的主要组成部分为以下几个模块，如焊接机的主控系统、信息采集及反馈系统、WI-FI通信上报系统以及云平台数据库处理系统。

焊接机整个系统的主要部分使用一块STM32F407型高性能微控制器实现，是整个系统的“大脑”，控制着焊接机的焊接功率、超声波的频率和焊接时长，并对这几项参数进行实时监测。

信息采集及反馈系统会定时采集焊接机工作状态，监控焊接过程，并向上位机输出状态信息。信息的采集利用摄像头和温度传感器对正在被焊接器件检测来采集信息，并反馈给主控系统。

WI-FI通信上报系统是我们的全自动超声波焊接机体现智能化的另外的一部分，利用安信可科技有限公司生产的ESP8266WI-FI模块，通过串口与主控芯片连接同是通过WI-FI模块连接物联网平台即可将主控系统处理好的数据上报到云平台数据库进行记录。

云平台数据库主要用来记录一些焊接机工作时的相关信息，包括焊接机启动时间，每个焊接部件焊接用时，焊接温度，焊接成果图，焊接器件数量等。

4、全智能自动化超声波焊接机的硬件系统设计

全智能自动化超声波焊接机使用一块STM32F407高性能MCU的核心电路板控制机器，以电路板为基础板载其他通信接口与外设接口，例如串口通信接口，WI-FI模块接口等。

ST公司推出的以CortexTM-M4为内核基础的STM32F4系列的高性能微电子控制器自带自适应实时加速器，使得STM32F4系列能够让主频达到168MHz的频率，能够完全释放Cortex-M4内核的性能;当CPU工作于所有允许的频率段时，在闪存中运行或者等待的程序，可以达到相当于零等待周期的性能。

STM32F407MCU时钟频率为168MHz，拥有一百多个高速I/O端口，数据处理速度非常快，而且拥有多种通信接口，能满足绝大多数控制电路的应用，是STM32产品中性价比最高的一个。

目前市面上的ESP8266 WI-FI模块，自带WI-FI天线和无线驱动固件，而且ESP8266 拥有完整的而且自成体系的 Wi-Fi 网络功能，既能够独立应用也可以作为从机搭载于其他主机 MCU 运行，支持 110-4608000 bps数据传输速率，体积小，功耗极低，在同类通信器件中具有相当优越的水平。

4.1通信接口模块

RS-232-C接口是目前市面上最经常使用的一种串行通讯接口。RS-232总线规定了25条线，包含了两个信号通道，即第一通道（称为主通道）和第二通道（称为副通道）。利用RS- 232总线可以实现全双工通信，通常使用的是主通道，而副通道使用较少。在一般应用中，使用3条～9条信号线就可以实现全双工通信，采用三条信号线（接收线、发送线和信号地）能实现简单的全双工通信过程。RS-232信号总是在在正负电平之间来回摆动，在发送所要传输的数据时，发送端驱动器输出正电平在正5V～15V之间，负电平在负5～15V电平之间。当没有数据传输时，线上为TTL电平，从数据传送的开始到结束，线上电平从TTL电平到RS-232电平最后再返回为TTL电平。接收器典型的工作电平在正3V～12V之间或者负3V～12V之间。由于发送电平与接收电平的差仅为2V-3V左右，所以其共模抑制能力较差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大不超过15米左右。但是RS-232是为点对点（即只用一对收、发设备）通讯而设计的，所以也正好符合我们的要求。

经过 串口-RS232 电路的接通，主控电路板就能连接电脑，将焊接机的状态信息发送给电脑端的数据接收器，方便对焊接机的状态检测。RS232接口连接是主控芯片的串口3接口。

4.2  WI-FI模块接口设计

ESP8266有八个引脚，但是通信是利用的串口通信的方式，另外加上+3.3V电压输入与GND端，四个引脚就能正常使用，非常的节省空间。连接WI-FI即可实现无线通信。

5 软件设计

5.1控制系统

超声波焊接机的控制系统软件部分主要有三部分，控制任务、状态上报、WI-FI数据上报。STM32F407芯片软件设计利用的是STM32的HAL库，外加Free-RTOS操作系统，将三个主要部分分为三个时时任务，系统更加稳定。

控制算法部分

STM32芯片自带看门狗功能，打开看门狗功能，能有效防止程序跑偏，避免造成设备损坏与经济损失。主要控制任务控制着整个焊接机的运作。

主要代码目录如图7：

三个任务MainControl_task、USART3_task、WI-FI_task通过信号量可以通信，有序的开始控制和检测焊接机的工作。

5.2 物联网平台云端数据的收集

利用ESP8266 WI-FI模块，可以连接物联网平台来记录数据。记录的数据包括以下部分：每个器件的焊接时间、焊接温度、焊接状态图、已经焊接的器件的个数。

6总结

随着自动化、物联网技术的不断深化，本文提出一种基于STM32的新型智能焊接机设计，实现了焊接数据的管理和总结，通过大量的数据记录，帮助提高焊接工艺的水平，弥补了传统焊接机的缺陷，为工业化大生产的焊接提供了一个解决的思路，同时开拓了超声波焊接机研究的宽度。超声波焊机是顺应人类生活和工业的需求而产生的奇迹。他将促进科技和工业的发展，让电焊不再是技术人员的工作，促使人类走向更简洁方便的社会。

参考文献：

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作者简介：

郑乾（2001-），男，河南焦作，本科生，主要研究方向为嵌入式系统。

张超良（1999-），男，河南商丘，本科生，主要研究方向為嵌入式系统。

（河南科技大学信息工程学院）