基于ARM7的LED回流焊機(jī)溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：為滿足貼片封裝LED元件焊接時溫度的要求，設(shè)計(jì)了一種智能LED回流焊機(jī)溫控系統(tǒng).硬件部分，用LPC2148和傳感器DSl8820為核心組成溫度測量及控制系統(tǒng)，再通過液晶顯示屏(128×64)將其所處的狀態(tài)及實(shí)時溫度曲線顯示出來.軟件部分，用嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)u C/oS.Ⅱ，搭建了一個任務(wù)管理平臺，可以克服傳統(tǒng)的采用前后臺控制和中斷響應(yīng)方式所難以很好解決的實(shí)時響應(yīng)差.控制效率低的缺點(diǎn).實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明該系統(tǒng)穩(wěn)定性好，可靠性高，維護(hù)簡單.

0引言

插件UD的耗材和人工成本高，嚴(yán)重影響了LED高效節(jié)能燈的推廣應(yīng)用;而貼片封裝LED元件更適合自動化焊接，焊接時在大于其100.200倍的鋁基散熱片上，要求較低的焊接溫度，較好的散熱效果，現(xiàn)有的自動回流焊機(jī)和焊接工藝不能滿足其要求，焊接設(shè)備不配套成為u?D照明燈發(fā)展.推廣的瓶頸.

本文設(shè)計(jì)了一種基于ARM7的嵌入式u C/OS-II實(shí)時操作系統(tǒng)的LED回流焊機(jī)溫度控制系統(tǒng).本產(chǎn)品能預(yù)設(shè)八條曲線，每一條曲線有五個段，每一段的加熱時間可改動.用戶可根據(jù)焊料所需的加熱溫度和時間來從重新設(shè)置加熱曲線.本溫控系統(tǒng)的硬件.軟件設(shè)計(jì)如下.

1硬件平臺設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用Philips公司的AItM7(LPC2148)作為控制系統(tǒng)的核心處理器.本系統(tǒng)主要由MPU?熱電偶測溫器件.放大元器件等組成.

LPC2148是這個溫控模塊的核心，按結(jié)構(gòu)可分為六個部分：溫度采集電路.人機(jī)交換電路.中央處理器電路.燈管控制.通信電路.存儲電路，為了防止通道干擾，5路A/D間隔使用，這樣就避免了通道切換時相鄰?fù)ǖ乐g的干擾;5路K型熱電偶采得的溫度信號值經(jīng)過低壓放大器27L2C放大，輸入到LPC2148的采樣模塊中;經(jīng)光耦隔離，由輸出控制電路控制5路固態(tài)繼電器，繼而控制加熱管的電流通斷比來完成;整個運(yùn)行過程有LCD屏全程顯示，操作人員通過鍵盤向該設(shè)備發(fā)送命令;LPC2148內(nèi)部嵌有USB設(shè)備控制器可用來完成與下位機(jī)的通信.

溫控模塊的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

2部分硬件電路設(shè)計(jì)

2.1刪最小系統(tǒng)電路

本設(shè)計(jì)采用ARM7(LPC2 148)作為主控芯片，其優(yōu)點(diǎn)是處理速度快.性價比高.資源豐富并且工作穩(wěn)定可靠.圖2即是ARM的最小系統(tǒng)圖.

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.

2.2電路供電單元

市電AC220V經(jīng)由變壓器Tl降壓為9V交流電，D5?D6?D7?D8組成全橋整流電路，將正弦波電壓轉(zhuǎn)換為單一方向的脈動較大的電壓，再經(jīng)由濾波電容變換為脈動較小.交流分量較少的直流電壓，作為穩(wěn)壓電路的輸入.LM2575與LMlll7構(gòu)成穩(wěn)壓電路，最終輸出5V?3.3V的穩(wěn)定電壓.通過10 u H電感將模擬電路與數(shù)字電路的電源和地隔離.

如圖3.

2.3溫度采集電路

溫度采集電路主要由廉價的k分度熱電偶和低壓運(yùn)放27L2低頻小信號放大器組成，熱電偶測得的信號經(jīng)檢波二極管D10濾除雜波，通過旋動電位器可調(diào)整放大倍數(shù)，放大倍數(shù)為(R10+RB2)/R1l?放大的信號經(jīng)ARM內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換后ARM即可讀取對應(yīng)的數(shù)值，再經(jīng)進(jìn)一步的運(yùn)算即可得到所測環(huán)境溫度值.

圖4溫度采集電路.

2.4控制.報警電路

在此電路中74HC245的作用是信號功率放大.

此設(shè)計(jì)的控制器件主要由固態(tài)繼電器組成，而為了增加控制器輸出的控制能力，特在控制器的端口處增加74HC245驅(qū)動芯片.當(dāng)控制器檢測到實(shí)際溫度超出設(shè)置溫度20攝氏度以上或有其它以上情況，控制器對PO.29和Po.30輸出低電平，從而發(fā)出聲光報警信號.電路如圖5所示.

3軟件設(shè)計(jì)

3.1嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)恤c/OS.II

市面上的回流焊，一般是由高成本的LPC或單片機(jī)經(jīng)過簡單的前.后臺系統(tǒng)進(jìn)行控制.本系統(tǒng)軟件部分用嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)u C/0S.II,搭建了一個任務(wù)管理平臺，通過實(shí)時內(nèi)核對多種任務(wù)進(jìn)行調(diào)度.管理，完成對LED回流焊機(jī)的溫度控制.采用u c/OS.II為基礎(chǔ)操作平臺的工業(yè)控制系統(tǒng)，可以克服傳統(tǒng)的采用前后臺控制和中斷響應(yīng)方式所難以很好解決的實(shí)時響應(yīng)差.控制效率低的缺點(diǎn).實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明本系統(tǒng)穩(wěn)定性好.可靠性高.人機(jī)界面友好.

3.2溫控系統(tǒng)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)的功能，需要具體編寫以下六種工作任務(wù)及流程圖.

(1)按鍵處理.此任務(wù)主要完成鍵盤掃描工作.用戶可以通過鍵盤對系統(tǒng)進(jìn)行控制，如改變運(yùn)行狀態(tài).修改相關(guān)的參數(shù)等，系統(tǒng)必須做出及時的處理，因此在系統(tǒng)中把它的優(yōu)先級設(shè)為最高，一旦有鍵被按下，系統(tǒng)就能夠做出響應(yīng)完成相應(yīng)的功能.

(2)LCD顯示.此任務(wù)用于刷新LCD顯示的工作.模擬曲線.系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài).各路的溫度值.錯誤指示及其它各種信息需要及時地通知用戶，當(dāng)有關(guān)的信息發(fā)生改變時，需要調(diào)用此任務(wù)更新顯示.

(3)uSB通信.在設(shè)計(jì)中，通信任務(wù)~方面接收PC發(fā)來讀寫命令幀，對其進(jìn)行分析處理后，做出相應(yīng)的響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)PC機(jī)對其進(jìn)行控制;另一方面也要把相關(guān)信息按要求組成相應(yīng)的幀，發(fā)送給PC機(jī).

(4)控制運(yùn)算輸出.此任務(wù)是最重要的一環(huán)，當(dāng)任一路溫度轉(zhuǎn)換結(jié)束后，都會發(fā)信號給控制運(yùn)算處理任務(wù)進(jìn)行處理，控制運(yùn)算處理任務(wù)接到信號后，對信號分析之后，對要處理的測量結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)換查表等處理，算出實(shí)際溫度值，一方面調(diào)用基于時間最優(yōu)的PID控制算法加以決策處理，發(fā)信號給輸出任務(wù)加以控制，另一方面也發(fā)信號給LCD顯示任務(wù)更新顯示.進(jìn)而對各路繼電器進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié).根據(jù)控制運(yùn)算任務(wù)決策結(jié)果，負(fù)責(zé)各繼電器占空比的調(diào)節(jié).

(5)信號的采集處理.此任務(wù)采用定時方式對各路溫度信號進(jìn)行采集，負(fù)責(zé)通道的選擇，對27L2轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行讀取.根據(jù)設(shè)定，取轉(zhuǎn)換結(jié)果的前16位，用一個無符號整數(shù)進(jìn)行保存，然后存于溫度存儲區(qū).并發(fā)信號給控制運(yùn)算任務(wù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換.

(6)數(shù)據(jù)讀寫存儲.該段程序完成對數(shù)據(jù)的保存與讀寫.當(dāng)用戶需要根據(jù)特定錫膏和PCB板重新設(shè)定曲線時，需要調(diào)用該程序?qū)⒁４娴臄?shù)據(jù)寫入CATl025?當(dāng)調(diào)用用戶自定義回流焊曲線時，再將保存的數(shù)據(jù)從CATl025中讀取.

4溫度測試實(shí)驗(yàn)

溫度測試儀用于測試回流爐爐溫曲線，即焊點(diǎn)溫度和加熱時間的關(guān)系曲線.通過測試，考察設(shè)定溫度是否符合焊接要求，達(dá)到參數(shù)最佳設(shè)定的目的.

衡量回流爐質(zhì)量優(yōu)劣最重要的兩個指標(biāo)是加熱精度和均勻穩(wěn)定性.通過橫向溫度均勻性試驗(yàn)證明，爐溫橫向均勻性誤差不超5℃.實(shí)際測量曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線的比較反映了加熱精度滿足要求.

5結(jié)束語

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了下面三方面的功能：1)采用智能受控水平熱風(fēng)加智能受控快速紅外線，徹底滿足貼片封裝LED所要求的較低的焊接溫度要求;2)采用刪作為主控芯片，將現(xiàn)在普遍使用的多段式回流焊機(jī)，設(shè)計(jì)成連續(xù)按標(biāo)準(zhǔn)溫度曲線焊接LED發(fā)光燈，控溫準(zhǔn)確.高效.可靠.熱沖擊小.壽命長;3)高性價比.高可靠性.低功率，生產(chǎn)成本比同類產(chǎn)品降低60%?操作界面友好.維護(hù)簡單.