摘 要：随着IC芯片种类的不断增多，芯片管理成为一个日益重要的问题。传统的芯片管理方式往往需要大量的人力和时间，而且容易出现错误，影响生产效率和产品质量。本研究旨在设计一种“芯片管理大师”系统——基于圆盘结构的管状IC芯片智能取放系统，使用温湿度传感器与红外线传感器结合物联网技术实现系统内部环境实时检测，以提高IC芯片取放效率和储存质量。采用系统设计、仿真验证和实验验证方法，展示系统在提高生产效率和质量方面的显著优势。结果显示，该系统具有高度自动化、快速操作和可靠性强的特点。
关键词：管状IC芯片；智能取放系统；电子制造；质量优化
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2024）17-0013-06
0 引 言
电子产品的广泛应用对IC芯片管理提出了更高的要求。传统管理方式存在效率低、错误操作、损坏和丢失问题，因此需要开发新的智能化管理系统来提升效率和准确性。随着步进电机、舵机、温湿度传感器、语音识别模块和物联网技术的不断成熟和应用，智能取放系统的实现成为可能，为提高芯片管理的智能化程度和可靠性提供了可能性。
传统的IC芯片管理方式在电子元器件制造、电子产品维修等领域的需求逐渐增长，但往往无法满足现代化管理的要求。研发智能取放系统成为迫切的需求。本研究旨在解决传统IC芯片管理存在的问题，提高管理效率和准确性，推动整个行业向智能化、高效化方向发展。
研究的意义体现在以下几个方面：首先，通过智能取放系统实现自动化管理，提高芯片管理效率，减少重复劳动，为企业节省时间和人力成本。其次，系统采用安全的存储和取放机制，提升芯片保护水平，防范潜在的风险和威胁。第三，系统实时监测和管理芯片库存，提供准确的库存信息，优化库存管理，降低企业的库存成本。第四，推动智能制造的发展，提升企业的生产效率和竞争力，实现数字化、智能化转型。最后，提供便捷的操作界面和智能化的操作方式，增强用户体验，为用户提供更好的使用感受。
1 研究背景与意义
随着电子行业的迅速发展，IC芯片的需求量越来越大，芯片管理成为电子行业中不可缺少的环节[1]。传统管理方式存在效率低、错误操作、损坏和丢失等问题，因此需要开发新的智能化管理系统来提升效率和准确性。随着步进电机、舵机、温湿度传感器等技术的不断成熟和应用，这些技术为智能取放系统的实现提供了可能，可以提高芯片管理的智能化程度和可靠性。对于电子元器件制造、电子产品维修等领域，对芯片管理系统的需求日益增长，而传统的管理方式往往无法满足现代化的管理需求。因此，研发智能取放系统具有广阔的市场前景和潜力。开展“芯片管理大师”的研究和开发，旨在解决传统IC芯片管理中存在的问题，提高管理效率和准确性，为各个领域的芯片管理带来创新，从而推动整个行业向智能化、高效化方向发展。本研究的意义在于：
1）提高芯片管理效率。传统的IC芯片管理方式存在操作烦琐、效率低下的问题，而智能取放系统能够实现自动化管理，具有高精度、高稳定性、快速非接触式等优点，已经在众多领域中代替了人工管理[2]。大大提高芯片的管理效率，减少重复劳动，为企业节省时间和人力成本。
2）提升芯片保护水平。IC芯片是电子设备的核心，管理不当会导致芯片的损坏、遗失或盗窃。智能取放系统通过采用安全的存储和取放机制，保障芯片的安全性，防范潜在的风险和威胁。
3）优化库存管理。智能取放系统能够实时监测和管理芯片库存，提供准确的库存信息，帮助企业合理规划和控制芯片的采购和储存，避免库存过剩或供应缺乏的情况发生，降低企业的库存成本。
4）推动智能制造发展。智能取放系统是智能制造领域的重要应用之一，研究和应用该系统能够推动智能制造技术的发展，提升企业的生产效率和竞争力，实现数字化、智能化转型。
5）增强用户体验。智能取放系统提供便捷的操作界面和智能化的操作方式，使用户在管理芯片时更加方便和高效，提升用户体验，为用户带来更好的使用感受。
研究“芯片管理大师”系统的研究意义在于提高管理效率、保护芯片安全、优化库存管理、推动智能制造发展和增强用户体验，为企业和用户提供更高效、安全和智能的芯片管理解决方案。
2 系统硬件平台的设计与实现
针对目前机器人硬件存在的功能单一、操作麻烦，上层应用程序开发资源少、难度大，上下位机通信速度慢、不稳定等问题，本文开发了一种高性能的硬件平台[3]。本研究的系统硬件平台包括设计和制作圆盘和管状结构，安装42步进电机、MG996舵机、DHT11温湿度模块、SU-03T语音模块、陶晶驰串口屏、红外传感器、ESP32物联网模块等硬件设备，系统硬件设计框图如图1所示。
2.1 智能取放系统硬件设计
圆盘结构和管状结构是智能取放系统中的两个关键部分，它们共同实现了芯片的高密度存储和快速、准确的取放操作。其中圆盘和管状结构图如图2所示。
圆盘结构通过将存储空间分隔成多个小块，提供了高密度的芯片存储空间。每个小块都可以存放多个芯片，在保证芯片安全的前提下，最大化地利用存储空间。能够准确地对芯片进行吸取，实现芯片的精准定位，确保每个芯片都能准确无误地被存放和取出提高了芯片的生产效率，具有较高的使用价值和推广价值[4]。
管状结构则配备了夹持装置，能够准确抓取芯片并将其转移到指定位置。夹持装置具有高精度和稳定性，可以根据系统的指令准确地抓取芯片，并将其移动到需要的位置。这样的结构设计使得取放操作变得快速、准确且灵活，能够适应不同芯片的处理需求。
除了提供快速、准确的取放操作，管状结构还具备临时存储芯片的功能。在某些情况下，系统可能需要将芯片暂时存储起来，待到需要时再取出。管状结构可以有效地进行临时存储，保证芯片的安全性和可靠性。
2.2 环境监控系统硬件设计
环境监控系统的硬件平台主要包括步进电机、MG996舵机联动推出机构、温湿度传感器、42步进电机用于控制转盘的运动，实现芯片存放位置的准确定位和取放动作的精确控制。MG996舵机联动推出机构，用于完成推出管的动作，使得使用人员可以方便地取出芯片进行使用。DHT11温湿度模块实时监测芯片存放区域的温度和湿度情况，确保芯片处于适宜的环境条件，保护芯片、延长寿命、提高可靠性。这些关键部件共同构成了一个完整的环境监控系统构成一个基本工作循环。通过这些硬件器件的协同工作，系统能够实现对芯片存放区域的精确控制和监测，提高了芯片管理的效率和准确性降低了局限性，同时确保芯片在适宜的环境条件下运行，从而保障了芯片的质量和稳定性简单实用、便于扩展，使智能系统在结构上具有更大灵活性、可扩充性和可重用性[5]。
2.3 语音识别与远程监控系统硬件设计
该系统包括 SU-03T语音模块、陶晶驰串口屏、红外传感器和ESP32物联网模块，实现智能语音识别、数据展示、芯片存量监测和远程数据传输功能，以提升系统操作智能化，用户体验和远程监控能力。SU-03T语音模块实现语音识别功能，通过语音快速准确地识别芯片类型和位置，实现系统的智能化操作，SU-03T语音模块功能框图如图3所示。陶晶驰串口屏实现数据展示功能，用于显示芯片存量、使用记录以及系统状态信息，便于用户实时了解系统运行情况。红外传感器用于检测芯片存量，确保系统及时提醒并记录芯片的剩余数量。ESP32物联网模块实现芯片存量和使用记录的传输和提醒功能，同时与无线网络进行连接，确保远程监控和数据传输功能在信息安全保障机制实时在线监测、远程控制、安全防范等管理和服务方面有重大意义[6]。
在智能取放系统的硬件设计中，圆盘结构和管状结构起到关键作用，提供高密度的芯片存储空间和精确定位，并配备夹持装置，实现快速、准确的芯片取放操作。在环境监控系统的硬件设计中，步进电机、温湿度传感器和舵机联动推出机构等关键部件实现芯片存放位置的准确定位、取放动作的精确控制以及温湿度的实时监测。而语音识别与远程监控系统的硬件设计则包括语音模块、串口屏、红外传感器和物联网模块，用于实现智能语音识别、数据展示、芯片存量监测和远程数据传输功能，提升操作智能化、用户体验和远程监控能力。这些硬件器件的协同工作构成了完整的系统，实现了智能化的芯片管理和环境监控。
3 系统软件平台的设计与实现
系统软件平台集成了语音识别算法，用于识别用户语音指令；控制转盘动作程序实现精准位置控制；推出管程序用于调整管道位置；温湿度监测程序监控环境数据；语音提示程序通过语音合成提供用户指引；数据传输程序实现设备间数据传输，共同构成智能化系统平台。
3.1 智能取放系统软件设计
智能取放系统软件设计包括数据管理、运动规划、控制算法、错误处理和用户界面模块。数据管理模块负责记录和管理芯片的位置、状态和属性信息，实现对芯片存储的精确控制。运动规划模块基于芯片位置和目标位置，生成夹持装置的轨迹规划，实现快速准确的芯片取放操作。控制算法模块负责控制夹持装置的运动，确保芯片的稳定抓取和放置。错误处理模块用于监测系统异常情况，并采取相应措施保证操作的安全性和可靠性。用户界面模块提供友好的图形化界面，方便用户进行操作和监测系统状态。通过这些设计，智能取放系统的软件能够实现高效、快速、准确的芯片存取，并提供便捷的使用体验。实现了运用智能制造基础关键技术，以数字化设备、工业互联网系统搭建完成智能取放系统，构建“设备自动化+管理信息化+人员高效化”的智能制造单元载体[7]。
3.2 环境监控系统软件设计
环境监控系统软件设计涵盖了多个关键功能模块，首先是步进电机控制，通过这一模块可以实现对转盘运动的精准控制，确保芯片存放位置的准确定位和取放动作的精确性；其次是舵机联动推出机构的驱动功能，用于完成推出管的动作，使使用人员可以方便地获取芯片进行使用；同时，温湿度传感器数据采集模块负责实时监测芯片存放区域的温度和湿度情况，以确保芯片处于适宜的环境条件，延长寿命并提高可靠性。通过物联网模块连接局域网，将温湿度数据上传至巴法云平台，巴法云平台接收数据如图4所示。
物联网模块ESP32使用Arduino IDE进行编译，部分程序代码如下：
#include
#include "PubSubClient.h"//默认，加载MQTT库文件
const char* ssid = "ESP32";//修改，你的路由去Wi-Fi名字
const char* password = "12345678";//你的Wi-Fi密码
const char* mqtt_server = "bemfa.com";//默认，MQTT服务器
const int mqtt_server_port = 9501;//默认，MQTT服务器
#define ID_MQTT "c10d9affdff5545b3a6bb80b4fe55d59" //Client ID 修改成自己的，巴法云用户私钥
WiFiClient espClient;
PubSubClient client（espClient）;
void reconnect（） {
// Loop until were reconnected
while （！client.connected（）） {
Serial.print（"Attempting MQTT connection..."）;
// Attempt to connect
if （client.connect（ID_MQTT）） {
Serial.println（"connected"）;
} else {
Serial.print（"failed， rc="）;
Serial.print（client.state（））;
Serial.println（" try again in 5 seconds"）;
// Wait 5 seconds before retrying
delay（5000）;
}
}
}
除了硬件控制模块外，软件设计还承担着重要的数据处理和决策功能，其中实时温湿度监测与分析模块能够对传感器采集的数据进行实时分析，及时发现环境异常情况；自动控制模块通过与传感器和执行机构的配合，实现自动调节环境参数以保障芯片的存储质量，并在异常情况下触发报警机制，通知相关人员进行处理。
该软件系统的设计旨在实现对芯片存放区域的精确控制和监测，提高了芯片管理的效率和准确性，同时保障芯片在适宜的环境条件下运行，从而保证了芯片的质量和稳定性。这样不仅整体的智能性较强，同时给使用者带来了较大的便利，节省时间[8]。
3.3 语音识别与远程监控系统软件设计
针对该系统的软件设计，可以将其分为语音识别模块、数据处理与展示模块、红外线检测模块、远程通信模块。语音识别模块使用SU-03T语音模块实现语音识别功能，能够快速准确地识别芯片类型和位置，实现系统的智能化操作。打开智能公元平台，选择SU-03T语音创建产品后，选择新生成的版本，生成语音SDK，里面包含了语音代码框架和烧录工具软件，部分流程如图5所示。
数据处理与展示模块与陶晶驰串口屏结合，用于动态展示芯片存量、使用记录和系统状态信息，提供用户实时了解系统运行情况的功能。红外线监测模块利用红外传感器检测芯片存量，确保系统能够及时提醒并记录芯片的剩余数量，保证存储状态的可控性，串口屏页面设置如图6所示。远程通信模块整合ESP32物联网模块，实现芯片存量和使用记录的传输和提醒功能，同时连接无线网络，实现远程监控和数据传输。这些模块的功能协同作用将提升系统的智能化程度、用户体验和远程监控能力。
智能取放系统软件设计涵盖了数据管理、运动规划、控制算法、错误处理和用户界面等模块，确保高效、快速、准确的芯片存取操作，并提供便捷的使用体验。环境监控系统软件设计实现了对芯片存放区域的精确控制和监测，实时采集系统环境信息，监测区域中的异常情况，管理人员能够随时随地在Web页面查看监测的数据[9]，提高了芯片管理的效率和准确性，保障芯片在适宜的环境条件下运行，从而保证了芯片的质量和稳定性。针对语音识别与远程监控系统软件设计，通过语音识别模块、数据处理与展示模块、环境监测模块和远程通信模块的功能协同作用，实现系统的智能化操作、实时数据展示、存量监测和远程监控能力的提升，为用户带来更便捷的体验。
4 系统测试与分析
系统测试与分析是“芯片管理大师”系统开发的重要环节，本部分将介绍本研究的系统测试与分析结果。
4.1 系统测试
本研究的经过了“芯片管理大师”系统多次测试，包括功能测试、性能测试和稳定性测试等。主要测试如下：
1）温湿度检测模块测试。模拟不同环境温湿度，记录系统检测温湿度数据并分析误差。
2）红外检测模块测试。放入不同数量的芯片，记录系统检测余量并显示分析误差。
3）步进电机与舵机执行系统测试。测试系统取放芯片的精度、速度以及操作的顺畅性与稳定性，步进电机与舵机执行系统实物图如图7所示。
4）串口屏测试。确保串口屏能够实时显示系统信息，并与其他部件正常通信。
5）物联网模块测试。验证数据上传至巴法云的实时性和准确性。
在功能测试方面，系统能够顺利进行语音识别、转盘运动控制、管状结构推出动作以及温湿度监测功能。语音识别的准确性高，转盘和推出机构精确可靠，同时数据传输和提醒功能也展现出了高效性。在性能测试方面，系统在不同负载和使用场景下展现出了出色的性能表现。响应时间快，具备良好的并发处理能力，数据传输速度也非常高效。转盘和推出机构展示出了稳定且精确的运动速度和精度。温湿度监测模块实时性强，并且准确地监测环境的温度和湿度。其相关测试数据如表1所示，整体上，系统的性能表现令人满意。在稳定性测试方面，系统在长时间运行时展现出了出色的稳定性和可靠性。
4.2 系统分析
通过对系统测试结果的分析，系统的功能能够满足实际应用需求。可以快速准确地识别芯片，并且通过控制转盘动作和推出管的方式进行方便的取放操作。此外，通过无线网模块和显示屏，系统能够实时传输芯片存量和使用记录，及时提醒芯片缺失的情况。温湿度模块则为芯片提供了适宜的环境条件，进一步保护了芯片并延长了其使用寿命。
系统的性能较好。通过语音识别、温湿度控制等功能，可快速准确地管理芯片。管状结构和各模块相结合，有效防止芯片损坏和丢失。
系统的稳定性较高。通过采用多种技术和模块，并经过充分的测试和优化，本系统能够在长时间运行中保持稳定的性能。无论是识别芯片、控制转盘动作、推出管道还是监测芯片存量，系统都能够稳定地执行相应的功能。稳定性的提高不仅能够增加系统的可靠性，减少故障率，还能够提升用户的满意度和信任度。
通过对系统测试结果的综合分析，系统的功能能够满足实际应用需求，包括快速准确地识别芯片、方便的取放操作、实时传输存量和使用记录以及提醒缺失情况等。系统性能较好，通过语音识别、温湿度控制等功能，能够快速准确地管理芯片并有效防止损坏和丢失。系统的稳定性较高，采用多种技术和模块，并经过充分测试和优化，能够在长时间运行中保持稳定的性能，使系统能够稳定地执行各项功能，减少故障率，提升用户满意度和信任度。
5 系统性能优化
本研究对系统性能进行了优化，主要包括以下内容：
1）硬件优化。通过对步进电机和舵机的驱动方式和性能进行优化，能够提高系统的精准度和响应速度。选择更高效的传感器和模块，红外传感器和温湿度模块，能够提高系统的准确性和可靠性。优化物联网模块的通信协议和传输速率，也能够提升系统的效率和响应能力。
2）软件优化。在软件方面，优化算法和逻辑，提高芯片识别的准确度和速度，以及优化转盘控制算法，能够实现更快的转盘动作。改进语音识别模块的性能，提高语音识别的准确度和稳定性，能够提升用户的操作体验。同时，优化数据传输和存储方式，可以提高系统的实时监测和报警功能。
6 结 论
IC芯片智能取放系统具备快速准确识别芯片、管状结构管理、语音操作以及实时监测等功能，为电子元器件制造和维修领域带来了便利和高效性。在未来，通过硬件和软件优化，可以进一步提升系统的准确度、响应速度和稳定性，以满足不断增长的市场需求。同时，探索与人工智能、大数据分析等技术的结合，将使系统更加智能化和高效化。与相关行业和机构的合作，以及持续关注用户反馈，将有助于拓展市场潜力并取得商业上的成功。展望未来，该项目有望在智能化芯片管理领域持续发展，并成为行业中的重要解决方案之一。
参考文献：
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[9] 孙绵.仓库远程监测系统的研究与设计 [D].西安：西安工业大学，2018.
DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.17.004
收稿日期：2024-03-05
基金项目：2023年山东省大学生创新创业训练计划平台申报项目（S202313857028）
作者简介：许子康（2001.09—），男，汉族，河南信阳人，本科在读，研究方向：电气工程及其自动化；刘志（2001.12—），男，汉族，山东临沂人，本科在读，研究方向：道路桥梁与渡河工程；吕志华（1980.09—），女，汉族，山东德州人，副教授，硕士研究生，研究方向：电气工程及其自动化；李双斌（2000.03—）男，汉族，山东人菏泽人，助教，本科，研究方向：电气工程及其自动化。
Intelligent Pick and Place System of Tubular IC Chip Based on Disc Structure
XU Zikang， LIU Zhi， LYU Zhihua， LI Shuangbin
（Shandong Huayu University of Technology， Dezhou 253034， China）
Abstract： With the increasing types of IC chips， chip management has become an increasingly important issue. Traditional chip management methods often require a lot of manpower and time and are prone to errors， impacting production efficiency and product quality. This research aims to design an “Master of Chip Management” System — intelligent pick and place system of tubular IC chip based on disc structure， utilizing temperature and humidity sensors and infrared sensors， combined with Internet of Things technology to achieve real-time environmental monitoring within the system， to improve the pick and place efficiency and storage quality of IC chip. The system design， simulation verification and experimental verification methods are used to display the significant advantages of the system in improving production efficiency and quality. The results show that the system has the characteristics of high automation， rapid operation and strong reliability.
Keywords： tubular IC chip; intelligent pick and place system; electronic manufacturing; quality optimization
