基于單片機控制的小型回流焊接爐設計

梁 璐謝華燕.蘭州職業(yè)技術學院電子與信息工程系 2.西安電子科技大學雷達信號處理國防科學技術重點實驗室

基于單片機控制的小型回流焊接爐設計

梁 璐1，2謝華燕1
1.蘭州職業(yè)技術學院電子與信息工程系 2.西安電子科技大學雷達信號處理國防科學技術重點實驗室

伴隨著表面組裝技術（SMT，Surface Mount Technology）的成熟和電子裝聯(lián)技術新的發(fā)展高潮的到來，回流焊工藝成為表面組裝技術焊接質(zhì)量優(yōu)劣的主因。本文結合實際回流焊接時的標準溫度曲線的控制要求，通過設計小型回流焊爐保證回流焊接溫度上升的速度和溫度值的穩(wěn)定度，實現(xiàn)了對回流焊工藝的實時有效控制，從而有效解決了SMT回流焊產(chǎn)品質(zhì)量缺陷問題。

表面組裝技術；回流焊；單片機；溫度曲線

0　引言

隨著電子產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，高集成度、高可靠性已經(jīng)成為行業(yè)的新潮流。在這種趨勢的推動下， SMT（表面貼裝技術）得到了進一步的推廣和發(fā)展。如今電子行業(yè)的公司在生產(chǎn)和研發(fā)中已經(jīng)大量的應用了SMT工藝和表面貼裝元器件（SMC/SMD）。因此，焊接過程也就無法避免的大量的使用回流焊機（reflow soldering）?；亓骱缸鳛楸砻尜N裝工藝生產(chǎn)的一個主要設備，它的正確使用無疑進一步確保了焊接質(zhì)量和產(chǎn)品質(zhì)量。設計小型回流焊爐可在實驗室等小批量表面組裝焊接時，節(jié)省成本，縮短生產(chǎn)周期。通過電路，機械結構，控制方式的特殊設計，仍然可以保證良好的焊接溫度曲線，滿足回流焊接溫度上升的速度和溫度值的穩(wěn)定度，實現(xiàn)回流焊工藝的實時有效控制，從而有效解決了SMT回流焊產(chǎn)品質(zhì)量缺陷問題。

1　設計原理

回流焊又稱為再流焊，是通過重新熔化預先分配到印制板焊盤上的膏狀軟纖焊料，實現(xiàn)表面組裝元器件焊端或引腳與印制板焊盤之間機械與電氣連接的軟釬焊。回流焊接在工藝上要滿足如下要求：

1.1要設置合理的回流焊溫度曲線ˉˉ回流焊是SMT生產(chǎn)中的關鍵工序，不恰當?shù)臏囟惹€設置會導致出現(xiàn)焊接不完全、虛焊、元件翅立、錫珠多等焊接缺陷，影響產(chǎn)品質(zhì)量。

1.2要按照PCB設計時的焊接方向進行焊接。

1.3焊接過程中，嚴防傳送帶震動。

針對回流焊接的工藝要求，常用的回流焊爐結構上主要由爐體、加熱源、 PCB傳輸裝置、空氣循環(huán)裝置、冷卻裝置、排風裝置、溫度控制裝置，以及計算機控制系統(tǒng)組成。結構的完備與合理將極大的保證焊接時的溫度曲線與產(chǎn)品設計加工要求的曲線吻合。

圖1　回流焊溫度曲線

從溫度曲線（見圖1）分析回流焊的原理：當PCB進入升溫區(qū)（干燥區(qū)）時，焊膏中的溶劑、氣體蒸發(fā)掉，同時，焊膏中的助焊劑潤濕焊盤、元器件端頭和引腳，焊膏軟化、塌落、覆蓋了焊盤、元器件端頭和引腳與氧氣隔離→PCB進入保溫區(qū)時， PCB和元器件得到充分的預熱，以防PCB突然進入焊接高溫區(qū)而損壞PCB和元器件→當PCB進入焊接區(qū)時，溫度迅速上升使焊膏達到熔化狀態(tài)，液態(tài)焊錫對PCB的焊盤、元器件端頭和引腳潤濕、擴散、漫流或回流混合形成焊錫接點→PCB進入冷卻區(qū)，使焊點凝固。此時完成了回流焊。

根據(jù)回流焊接的原理，結合實驗室小批量生產(chǎn)的條件，本文規(guī)劃焊接爐結構如圖2所示。

圖2　小型回流焊電路結構

從圖中可以看到與SMT大批量生產(chǎn)中使用的回流焊接爐的結構相比，由于空間的限制，小型臺式回流焊爐沒有PCB傳送裝置，溫度曲線的精確控制需要單片機控制加熱裝置以及空氣循環(huán)、排風、冷卻裝置來保證爐內(nèi)溫度與焊接曲線的切合，這就要求在控制算法，硬件布局上進行精心設計。

2　系統(tǒng)軟件設計

回流焊爐為了保證爐內(nèi)溫度與焊接曲線的切合，需要適時的檢測爐內(nèi)溫度并驅(qū)動加熱單元提高溫度或是通過冷卻裝置、冷卻裝置降溫。整個過程中對于溫度的測量、比較和執(zhí)行構成完整的閉環(huán)系統(tǒng)。因此在控制過程中運用PID控制方法，對爐腔內(nèi)被控變量-溫度的實際值進行測量，并與焊接時刻的溫度曲線設定值相比較，用這個偏差來糾正控制系統(tǒng)的響應，執(zhí)行調(diào)節(jié)控制。 PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其輸入e（t）與輸出u（t）的關系為：

因此，它的傳遞函數(shù)為：

其中KP為比例系數(shù)；TI為積分時間常數(shù)；TD為微分時間常數(shù)。

2.1溫度控制程序設計

溫度控制的工作機理是：外界對于爐內(nèi)溫度的各種擾動不斷產(chǎn)生，為達到控制系統(tǒng)對于某時刻溫度值保持恒定的目的，控制系統(tǒng)必須不斷地進行溫度測量和溫度升降。當外部干擾使得溫度值發(fā)生變化，溫度檢測元件就將細微變化采集后經(jīng)信號調(diào)理電路送至單片機內(nèi)，單片機作為PID控制核心，將檢測值與預先設定的溫度值進行比較得到偏差值，調(diào)節(jié)器按此偏差并以我們預先設定的整定參數(shù)控制規(guī)律發(fā)出控制信號，去改變調(diào)節(jié)器的開度，使之增加或減少，即驅(qū)動加熱單元提高溫度或是通過冷卻裝置、冷卻裝置降溫。從而使爐腔內(nèi)的溫度值發(fā)生改變，并趨向于給定值，從而達到控制目的。簡言之， PID的實質(zhì)就是對偏差進行比例、積分、微分運算，根據(jù)運算結果控制執(zhí)行部件的過程?？刂品桨溉鐖D3所示。

依據(jù)圖3的控制方案，在單片機內(nèi)部可以通過相應算法將溫度傳感器采樣輸入作為當前輸入，然后與設定值進行相減得偏差，再對偏差值進行PID運算產(chǎn)生輸出結果，最后控制定時器的時間進而控制加熱器。為了方便更改PID控制參數(shù)，加快調(diào)試參數(shù)的效率，在進入閉環(huán)控制后，通過矩陣按鍵進行參數(shù)狀態(tài)設定，此時暫退出閉環(huán)控制；然后通過按鍵分別設定KP、 TI、 TD等參數(shù)，當新的參數(shù)設置完成后，程序再次進入閉環(huán)狀態(tài)工作。

2.2鍵盤程序流程圖

鍵盤程序的設計采用中斷方式，通過10ms延時消除按鍵的機械抖動。鍵盤程序中設置兩個標志位Flag1和Flag2，其中Flag1是消抖動標志， Flag2用于按鍵的識別。當進入中斷后，如果Flag1=0，則沒有消除抖動，那么需判斷是否有鍵按下；如果有鍵按下置Flag1=1，并退出程序，等待下次中斷。如果再次中斷，則繼續(xù)判斷是否有鍵按下，如有則說明是真正的按鍵按下，根據(jù)按鍵位置確定其功能并得到鍵值，設置Flag2=1，表明完成了按鍵的識別；如果沒有按鍵被按下，則設置Flag1=0，重新掃描。

圖3　 PID控制方案

3　硬件設計

小型回流焊爐的硬件電路設計圍繞控制核心單片機展開，主要包括單片機最小系統(tǒng)，電源電路，溫度調(diào)節(jié)電路，液晶顯示電路等。通過各個電路模塊之間的協(xié)同配合，實現(xiàn)了對于焊接溫度精確控制以及焊接流程的完善。

3.1單片機最小系統(tǒng)

單片機最小系統(tǒng)選用宏晶（STC）公司STC12C5A60S2單片機作為核心，該芯片內(nèi)部集成MAX810專用復位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉換，針對電機控制，強干擾場合。由于該單片機片內(nèi)自帶ADC，PWM電路，大大簡化了整個系統(tǒng)電路的設計。

單片機最小系統(tǒng)包括單片機、電源、復位電路（含上電復位及按鍵復位）和時鐘電路。設計實施時晶振選用12MHz，復位采用按鍵復位方式，方便使用和調(diào)試。此外，基本硬件系統(tǒng)中連接了鍵盤， LCD， ISP接口等外部設備，在保證回流焊接爐基本功能的同時，通過優(yōu)化電路設計提高系統(tǒng)工作效率。

3.2溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)

溫度的調(diào)節(jié)的準確性、實時性是一臺回流焊爐質(zhì)量關鍵，此部分電路包括爐腔升溫所必須的加熱電路以及降溫所需的空氣循環(huán)和冷卻電路。受臺式結構的影響，在加熱方面本設計回流焊爐采用紅外加熱與熱風對流共同工作的方式，在上下加熱區(qū)各有若干紅外加熱管和一個馬達驅(qū)動的高速旋轉葉輪，產(chǎn)生空氣的吹力，空氣經(jīng)加熱管加熱后，從多孔板里吹出到PCB板上。馬達轉速越快，風力越大，熱交換能力越強。

PCB板在回流焊接后，將進入冷卻區(qū)進行冷卻，如此才能得到良好的焊接效果。冷卻區(qū)的結構是一個水循環(huán)的熱交換器。冷卻風扇把熱氣吹到循環(huán)水換熱器后，經(jīng)降溫的氣體再吹到PCB板上。熱交換器內(nèi)的熱量經(jīng)循環(huán)水帶走，循環(huán)水經(jīng)降溫后再流回換熱器。

回流焊爐的加熱區(qū)的溫度控制都是獨立的閉環(huán)控制系統(tǒng)。溫度控制器通過PID控制把溫度保持在設定值。因此回流焊爐內(nèi)溫度的調(diào)節(jié)需要溫度傳感器來采集，溫度傳感器采用的熱偶線，裝在多孔板的下面，感應氣流的溫度，反饋溫度信息給單片機進行溫度調(diào)節(jié)。

3.3顯示電路

顯示電路選用ST7920控制核心的12864點陣LCD顯示器。LCD與MCU的通信接口設計可以使用直接或間接的訪問方式。在本設計中單片機通過I/O口與STC12C5A60S2并行連接。

4　結束語

回流焊的演變始終是跟隨電子裝聯(lián)技術的發(fā)展而變化的。本文針對特定條件設計的回流焊爐通過PID控制算法，提高了爐內(nèi)溫度的控制精度，滿足了現(xiàn)階段在實驗室環(huán)境進行SMT組裝焊接的要求，通過大量的實驗，觀測數(shù)據(jù)，證明本文涉及的回流焊爐能夠有效降低SMT加工中因回流焊接設備不佳造成的質(zhì)量缺陷，同時希望本文提出的控制方案能為類似的應用提供參考。

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2015年度甘肅省高等學?？茖W研究自籌經(jīng)費項目（編號：2015B-185）