基于PLC与单片机的VCR自动录入系统开发

摘 要

　　随着半导体制造技术的发展，出现了用于可穿戴电子设备的有机自发光二极管 （Organic Light Emitting Diode,OLED） 显示面板。生产过程中每片显示面板会被喷上唯一的产品识别，在出售时这些识别码会被生产商记录下来，以便解决潜在的客户投诉。目前国内的显示面板的识别码大多是人工录入的。人工录入虽然很简单灵活，但是显示面板的废品率较高且操作员会给生产线带来不可控的风险。为了解决这个问题，本文提出了一种基于单片机与可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller,PLC）的视觉读码（Visual Code Read,VCR）自动录入系统。该系统可以一次性录入放在给定托盘中的多个显示面板，相比人工系统逐个录入的效率大大提高。自动录入系统还可以消除从托盘中取放显示面板时可能存在的磕碰，进而降低了产品废品率。该系统具有可视化的人机交互（Human Machine Interface,HMI）界面，操作者可以很方便用它修改录入系统的工艺参数。实验测试表明该系统具有良好的安全性、稳定性和准确性。

　　本文首先分析了 VCR 手动录入系统的技术方案和技术参数，在此基础上确定了 VCR 自动录入系统的功能和性能指标。然后利用模块化设计的思想，将系统的总需求拆分成了软件部分和硬件部分。硬件部分主要包含工作台、供电电路和控制电路。软件部分就是运行在单片机和 PLC 的程序。在确定了软件部分和硬件部分的结构和方案后，完成了硬件元件的设计和软件程序的开发。最终完成了样机的制作与实验测试。

　　关键词：显示面板；VCR 录入系统；单片机；PLC

ABSTRACT

　　With the development of semiconductor manufacturing technology, organic light emitting diode （OLED） display panels for wearable electronic devices have emerged. Each display panel is marked with a unique production identification number, and the identification number is recorded by the manufacturer for the convenience of handling potential complaints from the customers. The identification number of domestic display panels are mainly record by manually. Manual recording is a simple and flexible way, but the reject rate of the display panel is high and the operator brings uncontrollable production risks to the production line. Aiming to solve this problem, an automatic visual code read （VCR） record system is developed based on a singlechip microcomputer and a programmable logic controller （PLC）。 The proposed system  can record the identification numbers of multiple display panels that lies in a certain tray at one time. Compared with the one by one method in the manual record, the proposed system shows higher efficiency. The developed system also eliminates possible bumps when picking and placing the display panel from the tray, thereby reducing the product rejection rate. The developed system has a visual Human Machine Interface （HMI） interface with which the operator can easily modify the process parameters of the recording process. Experiments show that the system has good safety, stability and accuracy.

　　At the first, the technical scheme and technical parameters of the manual VCR record system are studied in this thesis. The functions and performance indicators of the target automatic VCR record system are concretized. Secondly, the total demands of the automatic system are split into the hardware parts and the software parts, inspired by the idea of modular design. The hardware part mainly includes the workbench, the power supply circuit and the control circuit. The software part is exactly the programsthat run on the one-chip computer and PLC. The detail design of the hardware components and the development of the software program are performed, after drawing the structure and scheme of the software part and the hardware part. Finally, a prototype is fabricated and tested with experiments.

　　KEYWORDS: Display panel; VCR record system; Single-chip microcomputer; PLC

目 录

　　第一章 绪论

　　1.1 选题背景和意义

　　电路集成度对于实现小尺寸功能电路至关重要，而薄膜晶体管（Thin Film Transistor,TFT）现在发展成为集成电路主流技术。TFT 主要通过光刻方式将微小电路刻蚀到玻璃基板上，形成显示面板的驱动电路。

　　随着光刻技术的不断进步，TFT 的最小尺寸已经达到微纳级别，这使显示面板的分辨力不断提高。近年来有机电致发光材料也不断优化更新，显示面板所需三原色中红色、绿色、蓝色发光材料的发光效率可以达到 40cd /A、88cd/A 和 5cd/A.有机发光材料技术和薄膜晶体管技术促使显示行业迎来有机发光二级管（Organic Light Emitting Diode,OLED）显示时代[1].

　　OLED 显示技术因其具有功耗低、响应快、色域宽、色彩饱和度高等特点受到了终端消费者的青睐，更受到了显示器生产厂商的重视。

　　早在 2014 年国外 Samsung Display 与 LG Display 就已经推出搭载 OLED 显示器的手机与电视等显示产品，随后 OLED 技术迎来了井喷式发展。随着消费电子领域可穿戴智能设备的飞速发展，柔性 OLED 显示技术得到了长足发展。目前 Samsung Display 和京东方已经推出了可折叠的柔性 OLED 显示产品，华星光电、天马微电子等其它显示企业虽然尚未推出商用柔性显示产品，但他们在此领域取得了很多成就[2].

　　目前主流的 OLED 技术是有机发光二极体面板（Active Matrix Organic Light Emitting Diode,AMOLED）技术。AMOLED 显示面板的结构如图 1-1 所示，包括上层玻璃盖板、下层玻璃基板、有机像素发光层和像素电路层。像素电路采用光刻的方式将薄膜电路刻蚀到下层玻璃基板上，像素电路厚度约为 700nm.有机像素发光层蒸镀在像素电路上，发光层薄膜厚度约为1400nm.由于有机像素层和像素电路层很薄且具有良好的透光性，所以 AMOLED 面板可以弯曲且整体透光率较高。AMOLED 面板制作的生产流程包括 Array 工艺、OLED 蒸镀工艺和检测工艺。其中 Array 工艺用来制作像素电路面板；OLED 蒸镀工艺用来将发光材料依次蒸镀到对应像素的阳极上；检测工艺则是对面板进行光学、电学和外观检测。

　　检测工艺流程如图1-2 所示，检测工艺是显示面板供给下游客户前的最后一道生产流程，也是确保面板品质满足技术指标的核心环节。为了掌握每个面板生产过程中的关键工艺信息，方便分析下游客户对产品异常的投诉，检测工艺还需要将每个显示面板的生产信息与出货信息绑定在一起。这种绑定是通过给每个产品赋予一个唯一的产品识别码（Identification code,ID code）完成的。在检测工艺开始时，自动喷墨机会给每个面板喷上一个包含产品生产信息的识别码。经过光学、电学和外观检验不合格的产品会被直接剔除，而合格产品在出厂前还需要录入它们的识别码并与出货信息相绑定。这样每个识别码都与显示面板的实物直接绑定在一起，每当接到客户的投诉时，只需拿到相应的产品实物，便可以追溯该产品的生产信息并有针对性地分析生产工艺中潜在的隐患。

　　如图 1-3 所示，由于 AMOLED 面板具有很高的透光率，在 AMOLED 面板的底面（底层玻璃基板）上喷涂二维码后，在顶面（下层玻璃基板）逆着强光观察时，二维码印迹清晰可见。利用这一特性结合电荷耦合器件（Charge-coupled device,CCD）镜头，便可以录入印有二维码的显示面板的识别码。

　　如图 1-4 所示，目前生产中产品的二维码大多是手动录入的，录入步骤如下：1）将印有二维码的产品从托盘内取出；2）将产品放到对位平台上（放到下图右侧的塑料对位平台上）； 3）视觉读码器（Visual Code Read,VCR）读取二维码，连同包装出货信息写入数据库；4）取下产品再放回托盘中。

　　在手动录入二维码过程中，取放产品和手动对位对产品质量的威胁最大。由于显示面板的主要材料是玻璃，手工操作时对产品的磕碰会引发裂纹。即便是微小的裂纹在后期装配时都会导致产品报废，所以在实际生产中会极力避免小的裂纹或者磕碰。通常要求操作员谨慎操作，但是这也限制了生产线的运行效率。即便是经验丰富的操作员也无法完全避免磕碰显示面板，因此产品的破损率居高不下。另外，产品信息录入工序是在外观检测之后执行的。

　　因此，产品信息录入工序导致的外观异常在后续工序无法检测出来，这就导致该工序生产风险相对隐蔽，甚至处于不可控状态。采用产品识别码自动录入设备可以有效避免上述生产风险。但是由于面向显示面板行业的产品识别码自动录入设备属于非标设备，设备采购价格极高。本课题的目的是研制一种低成本产品识别码自动录入系统。

　　1.2 显示面板产品识别码自动录入系统的研究现状

　　产品识别码录入系统是产品信息追溯系统一部分，在生产中该系统被安装到各设备流入口（上料口），实现生产线信息流与产品流一一对应。目前应用范围较广的是基于视觉读码器（Visual Code Read,VCR）的产品识别码录入系统，因此该系统也被称作 VCR 录入系统。

　　目前韩国 Samsung Display 的 AMOLED 技术在整个显示面板行业占据领先地位，所以韩国显示面板的产业链最为齐全。韩国 WinforSys 公司提供 VCR 解决方案，但其解决方案只涉及到 VCR 读取与解码，不涉及 VCR 自动化系统解决方案。韩国的 YoungwooDSP 公司提供VCR 自动录入系统的解决方案，但其开发周期长，价格昂贵。另外产品信息中通常包含显示面板的全流程工艺信息，VCR 系统外包给其它企业存在泄露商业秘密的风险。此外中国和韩国在显示面板行业的竞争激励，VCR 系统外包给韩国公司会危及我国在该领域的经济利益。

　　国内一些企业可以提供自动化解决方案，但设计复杂，研发周期长，费用高昂。昆山精讯电子提供自动 VCR 设备解决方案，该方案采用 YMAHA 机械手代替人手搬运产品。相较于人工搬运产品，磕碰明显减少，但机械手末端的吸盘在取放产品时磕碰风险依然存在。成都俊辉电子提供的解决方案，该方案同样用机械手代替人手避免搬运时的磕碰。为了避免产品取放时产品受到冲击力的影响，机械手先将产品放到一种特制机台上，机台吸附产品运动到指定位置后读取产品二维码。该解决方案只适合于单件流的生产线，不适合批件流的生产线，因为它无法同时操作多个呈矩阵分布的产品阵列。显示面板生产企业亟待自主研发 VCR自动录入系统。

　　国际上可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller,PLC）与 Arduino 单片机控制器技术方案已经成熟。韩国的郑智薰（音译，原名？？？）等使用 Arduino 单片机在 Arduino 开发平台上开发出基于 Arduino 单片机的智能花盆，可以通过远程控制给绿植浇水[3].印度Rajesh Singh 等工程师提出了许多基于 Arduino 单片机和树莓派面向物联网应用场景的案例[4].

　　国内也涌现出众多基于 PLC 与触摸屏的非标自动化系统设计案例。重庆工业机器人应用服务技术研究中心的张郭等人研制了基于台达 PLC、触摸屏和三菱机器人的点胶系统。该系统采用 PLC 程序控制机械手代替人工操作，系统的点胶参数可以通过组态软件设置[5].青岛大学的宁国涛等人研制了一种可以在三维空间内连续加工管线材弯曲设备，该设备使用三菱PLC 控制步进电机完成加工过程，同时在三菱 F94GOT 触摸屏上实现参数设置与 I/O 口监控[6].华南理工大学的李基有等人使用三菱 PLC 与光电传感等传感技术研制了一种基于 PLC 控制的多传感物料自动分拣系统，该系统采用模块化设计，PLC 控制程序完成工艺过程，变频器控制输送带运行，各类传感器实现材质和颜色的检测、工件姿势的判别，最后通过机械手将物料转移到指定位置[7].

　　上海交通大学的张媛等开发了嵌入式软 PLC 系统，该系统以 Cortex-M3 单片机为总控制器，负责 PLC 与其它设备的通信，三菱 PLC 作为系统运行的直接控制器。他们把这套嵌入式软 PLC 系统应用于移动式保温餐车和金属带锯床。应用结果表明，嵌入式软 PLC 系统设计灵活，能够根据不同的使用需求实现不同的控制方案，硬件实时响应快、可靠性良好[20].

　　2019 年在液晶制造领域出现了 PCL 和 Pro-face 触摸屏联合应用的案例，上海普洛菲斯国际贸易有限公司提出了 Pro-face HMI 解决方案，用来搭建液晶制造智能监控系统（FMS） [33].

　　综上所述，一方面，当前显示面板 VCR 手动录入系统存在损坏面板的风险，限制了面板良品率的提高，面向显示面板生产的 VCR 自动录入系统亟待开发。另一方面，基于单片机、PLC 和触摸显示器等硬件设备结合现代传感技术研制的非标自动化系统已经被证明可以切实解决生产工艺问题。因此设计一种 VCR 自动录入系统对于提高显示面板行业检测工艺水平具有重要意义。

　　1.3 主要内容及章节安排

　　为改变本公司人工录入产能不足与破损率较高的现状，本文提出一种低成本的 VCR 自动录入系统。

　　本文一共包括六章，具体内容如下：

　　第一章 绪论，首先简要介绍了论文选题的背景和意义，以及面板显示行业 VCR 录入系统研究现状，最后简述论文的主要研究内容及章节安排。

　　第二章 系统总体设计，确定自动 VCR 设备的功能要求与性能指标，提出系统总体设计方案。系统总体设计从硬件设计方案与软件设计方案两个方面展开论述。

　　第三章 硬件设计，主要阐述系统各个单元的硬件实现方案。

　　第四章 软件设计，主要阐述实现预定的功能要求与性能指标所需要的程序逻辑。分别从单片机程序逻辑和 PLC 程序逻辑两个方面进行论述。

　　第五章 系统测试及调试，主要论述系统实物研制完成后开展的系统安全性、稳定性、准确性测试。用实验的方法检验系统能否实现预定功能。

　　第六章 总结与讨论，总结本文取得的成果并展望后续的研究工作。

　　第二章 系统总体设计

　　2.1 功能要求及性能指标

　　2.2 总体设计方案

　　2.3 硬件方案

　　2.3.1 作业台方案

　　2.3.2 供电设方案

　　2.3.3 VCR 信息处理单元方案设计

　　2.3.4 运动控制单元方案

　　2.4 软件设计方案

　　2.4.1 软件编程环境选择

　　2.4.2 方案设计

　　2.5 本章小结

　　第三章 硬件设计

　　3.1 作业台

　　3.2 供电电路

　　3.3 控制电路

　　3.3.1 控制电路总体设计

　　3.3.2 单片机电路设计

　　3.3.3 PLC 电路设计

　　3.3.4 伺服放大电路设计

　　3.4 本章小结

　　第四章 软件设计

　　4.1 VCR 信息处理单元程序设计

　　4.2 PLC 程序设计

　　4.2.1 软元件及寄存器资源分配

　　4.2.2 人机交互界面设定

　　4.2.3 PLC 主程序设计

　　4.2.4 回原程序设计

　　4.2.5 二维码矩阵参数与电机速度设定

　　4.2.5 手动作业程序设计

　　4.2.6 中断程序设计

　　4.3 本章小结

　　第五章 系统测试

　　5.1 电参数与安全性能测试

　　5.2 系统稳定性与准确性测试

　　5.3 本章小结

第六章 总结

　　针对显示面板出货前手动录入识别码时存在的产品磕碰问题和潜在的不可控风险，本课题研制了一套产品识别码自动录入系统。该系统以视觉读码器（Visual Code Read,VCR）为产品识别码（二维码）识别元件，因此也被称为 VCR 自动录入系统。为了彻底消除从托盘里取放面板时的磕碰，本文提出了一种新的 VCR 自动录入方案。该方案将一个 VCR 固定在一个二维移动工作台的执行末端上，VCR 随着两个电机的转动在平面内移动，这样无需从托盘中取出产品，便可读取并记录盘中产品阵列的二维码。基于此，本文展开了 VCR 自动录入系统的设计与研制。首先基于模块化设计思想将系统的功能拆分若干功能模块，并给出了其实现方案。然后针对每个模块展开硬件设计和软件设计，完成了所需硬件的选型、电路的设计和程序的编写。单片机主要功能判别二维码是否符合预设规则，对接收到字符串后判断字符串长度，接收到符合规则的字符串输出脉冲信号给 PLC.PLC 主要作用是使控制电机运动以及执行安全中断。PLC 根据输入信号状态，驱动 X 轴、Y 轴电机完成 VCR 镜头按照预设的运动轨迹完成二维平面的运动。PLC 在电机执行前检测各安全传感器状态，并根据传感器状态执行不同的中断。

　　研制的样机经安装和调试后投入实际生产测试，该样机解决了 VCR 手动录入效率低、破损率高的问题，有效提高了生产线效率与产品良率。未来该系统的性能可以从以下三个方面入手继续提高。

　　（1）产品托盘定位需要手动粘贴定位治具，后续需加入带刻度的可移动定位治具，这样可以减小产线更换模型时间，并且提高对位精度。

　　（2）系统的底光源面板亮度衰减率直接影响二维码读取效果，后续需加入控制单元来调节底光源面板亮度。

　　（3）研制样机可推广到其他产品线，在其他生产线应用时，运行环境恶化测试必不可少。

　　在后续需测试温度，湿度，粉尘等极限环境下样机运行情况。

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　　[41]三菱微型可编程控制器用户手册[硬件篇] [S]:1~420

　　[42]FX3S·FX3G·FX3GC·FX3U·FX3UC 系列微型可编程控制器 编程手册 基本·应用指令说明书[S]:1~703

　　[43]FX3S·FX3G·FX3GC·FX3U·FX3UC 系列微型可编程控制器 用户手册 定位控制篇[S]:1~325

　　[44]Pro-Face 操作应用基础[S]:1~262

　　[45]TB6600HG 使用说明书[S]:1~152

致谢

　　时光匆匆，转眼之间在职硕士已经读了三年；回首过往，这些年的学习生涯让我逐渐成长，学到了很多知识。

　　首先，由衷的感谢我的导师戴呼合老师，在学术、科研中，老师治学严谨，追求精益求精，做事认真负责的态度值得我们每个人学习。 在论文写作过程中。老师不厌其烦的教导让我受益匪浅。

　　同时，感谢学校及学院在这三年里对我的栽培，特别感谢电子信息工程学院自动化系所有的老师对我的谆谆教诲，老师们的人格魅力及特有的授课方式让我铭记于心，而且受益终身。还要感谢学院领导们，一直以来对我的关心和帮助。

　　再次，感谢老师们及同事们在我论文完成过程中给予我的支持与帮助。

　　最后，衷心的感谢审阅论文的诸位专家学者，谢谢您们的宝贵意见，让我可以弥补论文中存在的不足.

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