基于μC/OS-II的智能拆焊、回流焊溫度控制系統(tǒng)

近幾年國內(nèi)逐漸開始使用拆焊臺和回流焊，但普遍存在以下問題：(1)控制芯片采用簡單的單片機，以"裸奔"為主沒嵌操作系統(tǒng)，從而導致系統(tǒng)過于簡單或分配不合理。(2)傳感器一般都采用熱電偶，但不加補償電路，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，從而導致控溫不精準。(3)沒有將拆焊臺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)計了一種基于μC/OS-II嵌入式實時系統(tǒng)的智能拆焊、回流焊溫度控制系統(tǒng)。

　　1 智能拆焊、回流焊臺電路設(shè)計原理

　　本設(shè)計利用熱電偶傳感器檢測出與溫度對應的電壓信號，然后經(jīng)27L2放大和ARM7內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換成處理器可識別的數(shù)字信號。再通過ARM7來采集溫度信號并對其進行運算、處理，最后根據(jù)運算、處理的結(jié)果來控制紅外線燈頭和電熱盤。整個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8條曲線(掉電數(shù)據(jù)不丟失)。預熱盤能夠保持設(shè)置的恒定溫度(誤差不能超過3℃)，有實時溫度跟蹤功能。

　　圖1 設(shè)計方框圖。

　　主要包括電路供電單元、信號檢測電路、執(zhí)行控制單元、人機交互界面幾部分單元模塊。

　　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 信號檢測電路

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

　　本設(shè)計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端。熱電偶采集到信號后經(jīng)C00、C10(高頻濾波電容)將高頻雜波濾除，再經(jīng)27L2(低頻小信號放大器)將信號放大，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，最后該信號被傳到ARM7，經(jīng)其內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換器將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成處理器可識別的數(shù)字信號。當熱電偶傳感器探頭部分的溫度發(fā)生變化時，熱電偶傳感器兩端的電壓也按一定比例對應發(fā)生變化，然后該電壓信號經(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。當然要想精確測溫僅有熱電偶測溫模塊是不夠的。

　　圖2 溫度采集電路。

　　因為熱電偶傳感器有一個缺陷，它測的溫度是探頭與冷端之間的溫度差，也就是說若僅用上述電路測溫，則只有在冷端溫度為零點的情況下測得的溫度才是最精確的，冷端的溫度與零點的溫差越大，測得的溫度數(shù)據(jù)越不精確。而本設(shè)計中焊臺加熱的同時，熱電偶冷端溫度會變化，從而造成了測溫不準確。為了解決上述問題，特別增加了DS18B20作為補償，在工業(yè)上稱為補正系數(shù)修正法。應用的公式為：

　　T=T1+kT2

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

　　2.3 ARM最小系統(tǒng)

　　本設(shè)計采用ARM7作為主控芯片，主要因其性價比高、資源豐富、工作穩(wěn)定可靠。它帶有32kB的片內(nèi)Flash程序存儲器和8kB的片內(nèi)靜態(tài)RAM;128位寬度接口/加速器可實現(xiàn)高達70MHz工作頻率;10位A/D轉(zhuǎn)換器提供8路輸入;2個32位定時計數(shù)器和2個16位定時計數(shù)器;多達32個通用IO口，可承受5V電壓;多個串行接口，包括2個UART、2個I2C總線、SPI和具有緩沖作用和數(shù)據(jù)長度可變功能的SSP;多達13個邊沿、電平觸發(fā)的外部中斷管腳;一個可編程的片內(nèi)PLL可實現(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70MHz。圖中的U1為CAT1052，它為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的復位電路，同時為系統(tǒng)提供了256字節(jié)的可讀寫的E2PROM，使系統(tǒng)存儲掉電不丟失數(shù)據(jù)空間。

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

　　2.4 執(zhí)行電路

　　該設(shè)計的執(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)標號KONG1和KONG2接ARM的兩個控制引腳。當ARM測到當前溫度低于溫度曲線上的對應溫度(即當前需要加熱到的溫度)時ARM處理器便讓對應的控制端口置零，此時對應的光電耦合器(US1或US2)的發(fā)射端工作，使接收端導通，這時電源電壓經(jīng)觸發(fā)二極管(DS1或DS2)和300Ω電阻后到達雙向晶閘管(QS1或QS2)的觸發(fā)極使其導通，這樣電熱盤或燈頭便開始加熱工作。類似的道理，當ARM的控制端給出低電平時，對應的可控硅截止，燈頭或電熱盤停止加熱。

　　圖4 執(zhí)行模塊電路圖。

　　2.5 人機交互界面

　　這部分作為人機接口，主要實現(xiàn)與本設(shè)計系統(tǒng)的交流，由液晶顯示屏(128×64)和獨立鍵盤構(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。從而實現(xiàn)可視性的人工操作與實時的輸出顯示。

　　3 軟件設(shè)計

　　3.1 嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II

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

　　編完程序在調(diào)試過程中經(jīng)常會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)，把整個程序分成多個任務，包括液晶屏顯示任務、鍵盤掃描任務、數(shù)據(jù)處理運算任務、終端控制任務、溫度采集任務，每個任務相對獨立。然后在每個任務中設(shè)置超時函數(shù)，時間用完以后，任務必須交出CPU的使用權(quán)。即使一個任務發(fā)生問題，也不會影響其它任務的運行。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。

　　3.2 程序流程圖

　　圖5 程序流程圖

　　4 結(jié)束語

　　本設(shè)計實現(xiàn)了以下幾個方面的功能：

　　(1)系統(tǒng)在軟件上以μC/OSII實時系統(tǒng)為系統(tǒng)平臺，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)核采用多任務設(shè)計構(gòu)架，將控制過程劃分成多個任務，按照優(yōu)先級的方式輪流工作，體現(xiàn)了實時系統(tǒng)任務分配合理、響應快、可移植性好的優(yōu)點。

　　(2)控制策略方案綜合考慮了模糊控制和PID控制的特點，針對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)揚兩種控制方法的優(yōu)點，以適應系統(tǒng)溫度受控對象慣性大、滯后性強的特性，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于一體，使同一臺機子既能當回流焊爐用，又能當拆焊臺用，提高了硬件利用率和性價比。

　　(4)采用高精度智能8段可編程控制全程控制，即開即用，無需預熱，小巧多用，增加了測溫補償功能，可在高溫度環(huán)境下穩(wěn)定運行。

　　電子時代的到來對回流焊機、拆焊臺的需求越來越大，因此多功能智能拆焊、回流焊臺的設(shè)計將對電子工業(yè)的發(fā)展有很大的促進作用。