基于ARM7智能拆焊、回流焊臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘 要：本文采用ARM7作為主控芯片，使用了μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種智能拆焊、回流焊臺(tái)控制系統(tǒng)，可以通過鍵盤操作控制，通過液晶顯示屏顯示其所處的狀態(tài)及實(shí)時(shí)溫度曲線，能對(duì)多種集成芯片進(jìn)行拆和焊，適用于集成電路板的維修和加工。

0 引言

隨著電子工業(yè)的發(fā)展,電子產(chǎn)品越來(lái)越多,電路板上元器件的密度越來(lái)越大,并且多為貼片式元件。傳統(tǒng)的手工焊接,比較適合直插式元件,對(duì)于貼片式焊接效果就差強(qiáng)人意,并且效率很低。同樣，傳統(tǒng)的的拆芯片方式，一般都用熱風(fēng)槍吹，這樣也能夠達(dá)到目的，但周圍的小芯片容易被吹移位?；谝陨系脑颍斜匾淖儌鹘y(tǒng)的手工焊接方式和用熱風(fēng)槍拆芯片的方式,采用計(jì)算機(jī)控制紅外線加熱的自動(dòng)焊接。

近幾年國(guó)內(nèi)逐漸開始使用拆焊臺(tái)和回流焊，但普遍存在以下問題：(1)控制芯片采用簡(jiǎn)單的單片機(jī)，以"裸奔"為主沒嵌操作系統(tǒng)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)過于簡(jiǎn)單或分配不合理。

(2)傳感器一般都采用熱電偶，但不加補(bǔ)償電路，而且很少在程序中采用算法，這樣加熱器件往往存在慣性和滯后性，從而導(dǎo)致控溫不精準(zhǔn)。(3)沒有將拆焊臺(tái)和回流焊爐集于一體，使硬件利用率不高。

因此，本文提出并研究設(shè)計(jì)了一種基于μC/OS-II嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的智能拆焊、回流焊溫度控制系統(tǒng)。

1 智能拆焊、回流焊臺(tái)電路設(shè)計(jì)原理

設(shè)計(jì)方框圖

圖1 設(shè)計(jì)方框圖。

本設(shè)計(jì)利用熱電偶傳感器檢測(cè)出與溫度對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，然后經(jīng)27L2放大和ARM7內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換成處理器可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。再通過ARM7來(lái)采集溫度信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行運(yùn)算、處理，最后根據(jù)運(yùn)算、處理的結(jié)果來(lái)控制紅外線燈頭和電熱盤。整個(gè)過程通過液晶顯示屏(128×64)清晰顯示。能夠智能控溫，順利拆、焊多種型號(hào)芯片。加熱燈頭能夠按規(guī)定的溫度曲線加熱，可設(shè)置存儲(chǔ)8條曲線(掉電數(shù)據(jù)不丟失)。預(yù)熱盤能夠保持設(shè)置的恒定溫度(誤差不能超過3℃)，有實(shí)時(shí)溫度跟蹤功能。

主要包括電路供電單元、信號(hào)檢測(cè)電路、執(zhí)行控制單元、人機(jī)交互界面幾部分單元模塊。
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2 硬件電路

2.1 電路供電單元

主要由變壓器、整流二極管、濾波電容、集成穩(wěn)壓器等構(gòu)成，為電路提供5V、3.3V和1.8V的穩(wěn)定電壓。

2.2 信號(hào)檢測(cè)電路

主要由熱電偶、運(yùn)算放大器27L2、DS18B20及ARM7內(nèi)部AD等組成。將溫度轉(zhuǎn)換成處理器可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。

溫度采集電路

圖2 溫度采集電路。

本設(shè)計(jì)的溫度采集電路如圖2所示，在P6口的1、3引腳接熱電偶傳感器的正端，2、4引腳接熱電偶傳感器的負(fù)端。熱電偶采集到信號(hào)后經(jīng)C00、 C10(高頻濾波電容)將高頻雜波濾除，再經(jīng)27L2(低頻小信號(hào)放大器)將信號(hào)放大，其中R64與R63的和與R65的比值即為U3B的放大倍數(shù)，同理，R60與R62的和與R61的比值為U3A的放大倍數(shù)。放大后再經(jīng)C01和C11將高頻雜波濾除，最后該信號(hào)被傳到ARM7，經(jīng)其內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換器將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成處理器可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。當(dāng)熱電偶傳感器探頭部分的溫度發(fā)生變化時(shí)，熱電偶傳感器兩端的電壓也按一定比例對(duì)應(yīng)發(fā)生變化，然后該電壓信號(hào)經(jīng) 27L2放大，再經(jīng)ARM內(nèi)部AD將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，ARM處理器得到數(shù)字量后便知道現(xiàn)在的溫度。當(dāng)然要想精確測(cè)溫僅有熱電偶測(cè)溫模塊是不夠的。

因?yàn)闊犭娕紓鞲衅饔幸粋€(gè)缺陷，它測(cè)的溫度是探頭與冷端之間的溫度差，也就是說(shuō)若僅用上述電路測(cè)溫，則只有在冷端溫度為零點(diǎn)的情況下測(cè)得的溫度才是最精確的，冷端的溫度與零點(diǎn)的溫差越大，測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)越不精確。而本設(shè)計(jì)中焊臺(tái)加熱的同時(shí)，熱電偶冷端溫度會(huì)變化，從而造成了測(cè)溫不準(zhǔn)確。為了解決上述問題，特別增加了DS18B20作為補(bǔ)償，在工業(yè)上稱為補(bǔ)正系數(shù)修正法。應(yīng)用的公式為：

T=T1+kT2

式中T為實(shí)際溫度，T1為DS18B20測(cè)得的溫度，T2為熱電偶傳感器模塊測(cè)得的溫度，k為補(bǔ)正系數(shù)，這里取0.82。

2.3 ARM最小系統(tǒng)

ARM最小系統(tǒng)及外部存儲(chǔ)電路圖

圖3 ARM最小系統(tǒng)及外部存儲(chǔ)電路圖。[!--empirenews.page--]

本設(shè)計(jì)采用ARM7作為主控芯片，主要因其性價(jià)比高、資源豐富、工作穩(wěn)定可靠。它帶有32kB的片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器和8kB的片內(nèi)靜態(tài)RAM；128位寬度接口/加速器可實(shí)現(xiàn)高達(dá)70MHz工作頻率；10位A/D轉(zhuǎn)換器提供8路輸入；2個(gè)32位定時(shí)計(jì)數(shù)器和2個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器；多達(dá)32個(gè)通用IO口，可承受5V電壓；多個(gè)串行接口，包括2個(gè) UART、2個(gè)I2C總線、SPI和具有緩沖作用和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可變功能的SSP；多達(dá)13個(gè)邊沿、電平觸發(fā)的外部中斷管腳；一個(gè)可編程的片內(nèi)PLL可實(shí)現(xiàn)最大為70MHz的CPU操作頻率等等。

在圖3ARM最小系統(tǒng)中，11.0592M的晶振和兩個(gè)20pF電容為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的工作頻率，然后再經(jīng)ARM內(nèi)部鎖相環(huán)倍頻使其工作頻率最大可達(dá)70MHz。圖中的U1為CAT1052，它為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的復(fù)位電路，同時(shí)為系統(tǒng)提供了256字節(jié)的可讀寫的E2PROM，使系統(tǒng)存儲(chǔ)掉電不丟失數(shù)據(jù)空間。

2.4 執(zhí)行電路

執(zhí)行模塊電路圖

圖4 執(zhí)行模塊電路圖。

該設(shè)計(jì)的執(zhí)行電路如圖4所示。其中PL端口接控制指示燈，PS1為AC220接口，PS2為燈體接口，PS3為電熱盤接口，網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)KONG1和KONG2接ARM的兩個(gè)控制引腳。當(dāng)ARM測(cè)到當(dāng)前溫度低于溫度曲線上的對(duì)應(yīng)溫度(即當(dāng)前需要加熱到的溫度)時(shí)ARM處理器便讓對(duì)應(yīng)的控制端口置零，此時(shí)對(duì)應(yīng)的光電耦合器(US1或US2)的發(fā)射端工作，使接收端導(dǎo)通，這時(shí)電源電壓經(jīng)觸發(fā)二極管(DS1或DS2)和300Ω電阻后到達(dá)雙向晶閘管(QS1或QS2)的觸發(fā)極使其導(dǎo)通，這樣電熱盤或燈頭便開始加熱工作。類似的道理，當(dāng)ARM的控制端給出低電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的可控硅截止，燈頭或電熱盤停止加熱。

2.5 人機(jī)交互界面

這部分作為人機(jī)接口，主要實(shí)現(xiàn)與本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的交流，由液晶顯示屏(128×64)和獨(dú)立鍵盤構(gòu)成。操作者可通過鍵盤選擇功能，讓系統(tǒng)執(zhí)行特定命令或進(jìn)入特定狀態(tài)，而系統(tǒng)則通過液晶顯示屏告訴操作者其所處的狀態(tài)或溫度曲線。從而實(shí)現(xiàn)可視性的人工操作與實(shí)時(shí)的輸出顯示。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II

μC/OS-II是一個(gè)基于搶占式的實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核，可固化、可剪裁、具有高穩(wěn)定性和可靠性。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的使用，能夠簡(jiǎn)化嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)，有效地確保穩(wěn)定性和可靠性，便于維護(hù)和二次開發(fā)，除此以外，μC/OS-II的鮮明特點(diǎn)就是源碼公開，便于移植和維護(hù)，可裁剪性強(qiáng)。

編完程序在調(diào)試過程中經(jīng)常會(huì)遇到程序跑飛或陷入死循環(huán)等問題，但本系統(tǒng)嵌入了μC/OS-II操作系統(tǒng)，把整個(gè)程序分成多個(gè)任務(wù)，包括液晶屏顯示任務(wù)、鍵盤掃描任務(wù)、數(shù)據(jù)處理運(yùn)算任務(wù)、終端控制任務(wù)、溫度采集任務(wù)，每個(gè)任務(wù)相對(duì)獨(dú)立。然后在每個(gè)任務(wù)中設(shè)置超時(shí)函數(shù)，時(shí)間用完以后，任務(wù)必須交出 CPU的使用權(quán)。即使一個(gè)任務(wù)發(fā)生問題，也不會(huì)影響其它任務(wù)的運(yùn)行。這樣既提高了系統(tǒng)的可靠性，也使得調(diào)試程序變得容易。

當(dāng)然有利必有弊，在系統(tǒng)中嵌入μC/OS-II必將增加系統(tǒng)的開銷，這需要系統(tǒng)有足夠的RAM空間。在本系統(tǒng)中采用了ARM7(LPC2103)，帶有8k的RAM，再加上我們選擇操作系統(tǒng)的功能也不多(μC/OS-II操作系統(tǒng)可裁剪)，8k的RAM已足夠用。
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3.2 程序流程圖

程序流程圖

圖5 程序流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了以下幾個(gè)方面的功能：

(1)系統(tǒng)在軟件上以μC/OSII實(shí)時(shí)系統(tǒng)為系統(tǒng)平臺(tái)，以ADS1.2為編譯器開發(fā)了適用于拆焊、回流焊工業(yè)控制系統(tǒng)的軟件，軟件內(nèi)核采用多任務(wù)設(shè)計(jì)構(gòu)架，將控制過程劃分成多個(gè)任務(wù)，按照優(yōu)先級(jí)的方式輪流工作，體現(xiàn)了實(shí)時(shí)系統(tǒng)任務(wù)分配合理、響應(yīng)快、可移植性好的優(yōu)點(diǎn)。

(2)控制策略方案綜合考慮了模糊控制和PID控制的特點(diǎn)，針對(duì)模糊控制在控制精度上的不足，采用模糊－PID混合控制的方式，充分發(fā)揚(yáng)兩種控制方法的優(yōu)點(diǎn)，以適應(yīng)系統(tǒng)溫度受控對(duì)象慣性大、滯后性強(qiáng)的特性，使系統(tǒng)在控制策略上有了很大的改善。

(3)集回流焊爐和拆焊臺(tái)于一體，使同一臺(tái)機(jī)子既能當(dāng)回流焊爐用，又能當(dāng)拆焊臺(tái)用，提高了硬件利用率和性價(jià)比。

(4)采用高精度智能8段可編程控制全程控制，即開即用，無(wú)需預(yù)熱，小巧多用，增加了測(cè)溫補(bǔ)償功能，可在高溫度環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行。

電子時(shí)代的到來(lái)對(duì)回流焊機(jī)、拆焊臺(tái)的需求越來(lái)越大，因此多功能智能拆焊、回流焊臺(tái)的設(shè)計(jì)將對(duì)電子工業(yè)的發(fā)展有很大的促進(jìn)作用。