臺(tái)式回流焊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李柳芽

(中國(guó)電子科技集團(tuán)第四十三研究所，安徽合肥 230088)

由于電子產(chǎn)品不斷小型化的需要，出現(xiàn)了片狀元件，傳統(tǒng)的焊接方法已不能適應(yīng)需要。首先在混合集成電路板組裝中采用了回流焊工藝，組裝焊接的元件多數(shù)為片狀電容、片狀電感，貼裝型晶體管及二極管等。隨著SMT整個(gè)技術(shù)發(fā)展日趨完善，多種貼片元件（SMC）和貼裝器件（SMD）的出現(xiàn)，作為貼裝技術(shù)一部分的回流焊工藝技術(shù)及設(shè)備也得到相應(yīng)的發(fā)展，其應(yīng)用日趨廣泛，幾乎在所有電子產(chǎn)品領(lǐng)域都已得到應(yīng)用，本文介紹一種基于單片機(jī)的小型回流焊機(jī)的控制系統(tǒng)。

1 整體設(shè)計(jì)及原理

回流焊控制系統(tǒng)的基本原理：采用全觸摸屏按鍵操作，設(shè)置有運(yùn)行/停止、抽屜開/關(guān)、參數(shù)設(shè)置、曲線繪制、加、減、確定、返回按鍵；微電腦智能控制、大液晶觸摸屏顯示實(shí)時(shí)溫度和設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)，及繪制實(shí)時(shí)溫度曲線，觸摸屏按鍵設(shè)置工藝參數(shù)、工件盤自動(dòng)進(jìn)出，操作簡(jiǎn)便，易于掌握。系統(tǒng) 構(gòu)成如圖1所示。

圖1 回流焊控制系統(tǒng)構(gòu)成

2 硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件由單片機(jī)電路、溫度檢測(cè)電路、風(fēng)機(jī)控制電路、加熱控制電路、電機(jī)控制電路、觸摸屏控制電路及電源電路組成。

2.1 單片機(jī)選擇

單片機(jī)雖然種類很多，但根據(jù)夠用、好用、能滿足本系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能原則，本系統(tǒng)選擇兩片性能高的AT89C51單片機(jī)。一片用于觸摸屏的顯示和按鍵控制，一片用于控制外部的執(zhí)行器件，兩片單片機(jī)通過串口交互數(shù)據(jù)，其原理如圖2所示。在編程方面，AT89C51除可按常規(guī)方法編程，還可以進(jìn)行在線編程。將通用的微處理器與Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，尤其是可反復(fù)擦寫的Flash存儲(chǔ)器，可有效降低開發(fā)成本[1]。

圖2 單片機(jī)電路

2.2 溫度檢測(cè)電路

溫度檢測(cè)選用數(shù)字溫度傳感器MAX6675，它內(nèi)部集成了冷端補(bǔ)償電路、非線性校正電路、斷線檢測(cè)電路，通過簡(jiǎn)單的3位串行接口將檢測(cè)到的溫度轉(zhuǎn)變成數(shù)字量送入單片機(jī)，接口非常簡(jiǎn)單，還可以省去傳感器調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

本系統(tǒng)選用6片溫度傳感器，分別采集6組加熱元件區(qū)域的溫度。

2.3 風(fēng)機(jī)、加熱控制電路

單片機(jī)U2的P0口控制固態(tài)繼電器，由固態(tài)繼電器來控制6路加熱元件和2路風(fēng)機(jī)的通和斷，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與加熱器的加熱比率由單片機(jī)U2通過模糊控制算法計(jì)算得出。

2.4 電機(jī)控制電路

單片機(jī)U2的P2.6，P2.7通過三極管電路控制繼電器的通斷，一組繼電器觸點(diǎn)控制電機(jī)電源的通斷，一組繼電器觸點(diǎn)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。

2.5 觸摸屏控制電路

觸摸屏集觸控輸入、顯示輸出于一體，是本系統(tǒng)的人機(jī)界面。本系統(tǒng)使用液晶模組320240作為顯示器，液晶顯示器是數(shù)字式，和單片機(jī)U1通過P2口并行通信，接口簡(jiǎn)單可靠，操作方便，顯示質(zhì)量高、體積小、質(zhì)量輕、功耗低。

本系統(tǒng)采用帶SPI接口的觸摸屏控制器ADS7843外接四線電阻式觸摸屏，這種方式的顯著特點(diǎn)是響應(yīng)速度更快、靈敏度更高、微處理器與觸摸屏間的通訊時(shí)間大大減少，提高微處理器的效率，觸摸屏控制器的電路圖見圖3。

2.6 電源控制電路

圖3 觸屏控制電路

通過變壓器輸出兩路交流電壓，經(jīng)過整流變壓后分別得到+5V，+12V的直流電源，+12V作為液晶屏的背光電源，其它部分電源由+5V提供。

3 控制算法設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了一種分段模糊積分控制算法[2]，其控制器的基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中E、EC、和U分別為誤差、誤差變化和控制量的模糊值，Ke，Kc為量化因子，Ku為比例因子。模糊控制的基本過程是：比較被測(cè)值與給定值，得到誤差e和誤差的變化ec，e和ec經(jīng)量化因子Ke和Kc模糊化得到模糊變量E和EC，再經(jīng)模糊推理得到模糊控制量U，乘上比例因子Ku，得到輸出控制量u。常規(guī)的模糊控制算法中，量化因子和比例因子一旦確定就不再變化，不夠靈活。本控制器考慮到既要提高控制性能又不使控制算法過于復(fù)雜，采用了分段控制。不同段中量化和比例參數(shù)有不同的取值。在分段模糊積分控制算法中的積分，是指該控制量u是增量，與前一時(shí)刻的un-1相加才得到真正輸出值給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，具有積分效應(yīng)。

回流焊各組加熱器之間會(huì)相互關(guān)聯(lián)，此系統(tǒng)將各組加熱區(qū)的溫度控制結(jié)合起來，通過分段模糊積分控制算法，依據(jù)設(shè)置的工藝參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)各組加熱器的輸出功率、風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使控制溫度的精確度和準(zhǔn)確度得以提高，避免了溫度出現(xiàn)超調(diào)和欠調(diào)的現(xiàn)象。

圖4 模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)回流焊系統(tǒng)的功能，本軟件需要完成的功能：首先檢測(cè)哪種按鍵按下,判斷是需要升溫/停止、設(shè)置參數(shù)、繪制曲線還是開/關(guān)抽屜，在進(jìn)行升溫時(shí)，要根據(jù)比較測(cè)得的溫度值和根據(jù)設(shè)置溫度計(jì)算出的目標(biāo)溫度值來控制風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的速度和加熱器輸出率的大小，在升溫結(jié)束，通過開/關(guān)抽屜按鍵驅(qū)動(dòng)電機(jī)，控制抽屜的開關(guān)。兩塊單片機(jī)通過通訊交互數(shù)據(jù)，執(zhí)行相應(yīng)操作。該系統(tǒng)軟件采用模塊化編程[3]，整個(gè)系統(tǒng)軟件包括主程序、觸屏控制子程序、顯示子程序、測(cè)溫子程序、控溫算法子程序、抽屜運(yùn)行子程序、曲線設(shè)置子程序、曲線繪制子程序、通訊子程序等模塊,其流程框圖如圖5所示。

圖5 流程框圖

5 結(jié)束語

隨著電子組裝技術(shù)的發(fā)展，表面貼裝技術(shù)得到廣泛的發(fā)展，各種中小型加工企業(yè)及科研單位也都普遍采用表面貼裝技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)和研發(fā)，隨著公司規(guī)模和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的發(fā)展，僅僅依靠手工焊接遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足產(chǎn)量和工藝方面的要求，而使用大型多溫區(qū)回流焊機(jī)又需要投入大量的成本，也不利于多品種、小批量的產(chǎn)品生產(chǎn)。

實(shí)踐證明，由該控制系統(tǒng)控制的臺(tái)式回流焊能耗低、體積小、精度高、操作簡(jiǎn)單，在中小企業(yè)、院校和科研單位進(jìn)行中小批量生產(chǎn)和研發(fā)得到很好的應(yīng)用。

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[1]郝建國(guó)，鄭燕，薛延俠.單片機(jī)在電子電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[2]李士勇.模糊控制、神經(jīng)控制和智能控制論[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1998.

[3]馬忠梅，籍順心，張凱，馬巖.單片機(jī)的C語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[M].北京：航空航天大學(xué)出版社，2007.