手持SMT 元件料帶計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)

李楊

（南京江寧高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇南京，211100）

目前，SMT(Surface Mounted Technology)表面貼裝技術(shù)作為電子組裝行業(yè)中主流的技術(shù)與工藝，有著精度高、自動(dòng)化程度高、一致性好的優(yōu)勢(shì)，在電子行業(yè)中發(fā)揮著重要的作用。SMT 元件也隨著材料與制造工藝的進(jìn)步而不斷發(fā)展，SMT 元件小型化水平也在逐步提高。SMT 元件主要分為表面組裝元件SMC(Surface Mounted Components)、表面組裝器件SMD（Surface Mounted Devices)和機(jī)電元件三大類[1]。其中SMC 為無(wú)源器件，SMD 為有源器件。

SMT元件的準(zhǔn)確計(jì)數(shù)對(duì)表面貼裝技術(shù)有著重要的意義，在SMT 電子組裝中發(fā)揮著重要作用。同樣，在散料的快速計(jì)數(shù)、分配環(huán)節(jié)中也需要對(duì)SMT 元件進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)數(shù)。比如元件售賣及領(lǐng)取環(huán)節(jié)中對(duì)貼片元件配單清點(diǎn)、學(xué)校實(shí)訓(xùn)課程中元器件的領(lǐng)用及分發(fā)都有著較大的需求。本作品以低成本、高普及推廣性、便攜手持為設(shè)計(jì)要點(diǎn)，采用低成本、PCB 印制電路板組建傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)的方式設(shè)計(jì)SMT 元件的計(jì)數(shù)傳感器，配合鋰電池充電電路、升降壓電路、開(kāi)關(guān)機(jī)電路，完成手持SMT 元件計(jì)數(shù)器功能，針對(duì)SMT 貼片元件計(jì)數(shù)器的需求廣泛、成本較高、使用普及程度低的問(wèn)題提出了相應(yīng)的解決方案。

1 總體方案設(shè)計(jì)

該手持SMT 元件料帶計(jì)數(shù)器由檢測(cè)計(jì)數(shù)傳感器、0.91寸OLED 液晶屏、STC15W204AS 單片機(jī)核心主控模塊、按鍵模塊、鋰電池充電電路、升降壓電路、開(kāi)關(guān)機(jī)電路等部分組成。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。

采用0.91 寸OLED 顯示屏顯示的信息除計(jì)數(shù)值外，還包括供電方式顯示、供電電壓大小信息。檢測(cè)計(jì)數(shù)傳感器以料間距為4mm 的SMT 元件料帶的為計(jì)數(shù)對(duì)象，例如0805、0603 封裝的貼片阻容器件的料帶，可對(duì)其進(jìn)行個(gè)數(shù)的統(tǒng)計(jì)。當(dāng)料帶經(jīng)過(guò)計(jì)數(shù)傳感器檢測(cè)通道時(shí)，顯示屏可自動(dòng)累加通過(guò)的元件個(gè)數(shù)。裝置可手持使用，通過(guò)開(kāi)關(guān)機(jī)按鍵進(jìn)行對(duì)裝置的啟動(dòng)和關(guān)閉，短按該按鍵開(kāi)機(jī)，長(zhǎng)按該按鍵為關(guān)機(jī)操作，關(guān)機(jī)后功耗為零。裝置采用單節(jié)18650 鋰電池供電，利用TP4054 充電電路對(duì)其充電，充電接口使用USB Type-C 形式。充電時(shí)自動(dòng)將鋰電池供電轉(zhuǎn)為USB 充電口電源供電，以實(shí)現(xiàn)供電的自動(dòng)切換功能。按鍵模塊采用獨(dú)立按鍵，可進(jìn)行計(jì)數(shù)的歸零操作，方便進(jìn)行重新計(jì)數(shù)。升降壓電路完成鋰電池及USB 充電口電源的電壓轉(zhuǎn)換，使其鋰電池3.7V 電壓及5V 充電電壓均轉(zhuǎn)換為3.3V 電壓，為裝置提供電源。

2 檢測(cè)計(jì)數(shù)傳感器電路設(shè)計(jì)

■2.1 檢測(cè)計(jì)數(shù)傳感器電路圖設(shè)計(jì)

圖2 為檢測(cè)計(jì)數(shù)傳感器電路圖[2]，其中采用兩個(gè)光電開(kāi)關(guān)電路對(duì)料帶進(jìn)行檢測(cè)。這里以其中一個(gè)光電開(kāi)關(guān)電路進(jìn)行說(shuō)明。

圖2 檢測(cè)計(jì)數(shù)傳感器電路圖

為優(yōu)化電路減少元件使用數(shù)量并方便電平的處理和轉(zhuǎn)換，該電路采用與單片機(jī)一致的3.3V 電壓供電，因此該電路中比較器的選擇應(yīng)滿足3.3V工作電壓的要求。運(yùn)放LMV358 芯片的單電源供電范圍為+2.5V～+5.5V，符合工作電壓的要求，故這里將其作為比較器使用。電阻R1 與紅外接收二極管LED1 構(gòu)成紅外接收電路部分，R3 與R4 構(gòu)成電阻分壓電路，因?yàn)镽3 與R4 電阻均為10kΩ，所以其運(yùn)放的3 腳電壓作為比較器的比較電壓為2.5V。運(yùn)放2 腳的電壓是根據(jù)紅外接收管LED 的接收情況來(lái)變化的，具體是在有一定紅外線接收時(shí)電壓值較?。ㄟh(yuǎn)小于2.5V)，在沒(méi)有紅外線接收或接收紅外線不足時(shí)電壓值較大（遠(yuǎn)大于2.5V)。故而運(yùn)放1 腳的電平根據(jù)比較器2 腳、3 腳兩個(gè)輸入端的電平比較情況，呈現(xiàn)高低電平的不同，具體為L(zhǎng)ED1 有紅外光線接收（無(wú)遮擋)時(shí)1 腳電平為高，LED1 無(wú)紅外光線接收（有遮擋)時(shí)1 腳電平為低，從而實(shí)現(xiàn)了光電開(kāi)關(guān)的功能。在這里將其電路進(jìn)行對(duì)SMT 料帶孔進(jìn)行檢測(cè)，從而構(gòu)成檢測(cè)計(jì)數(shù)傳感器電路。

根據(jù) EIA-481-D 貼裝組件封裝標(biāo)準(zhǔn)，8mm 的料帶的定位孔直徑為1.5±0.1mm，定位孔間距根據(jù)料帶不同有2mm和4mm 兩種規(guī)格。此裝置以定位孔間距為4mm 的料帶進(jìn)行計(jì)數(shù)檢測(cè)。圖3 為SMT 貼片元件8mm 料帶尺寸圖。

圖3 SMT 貼片元件8mm 料帶尺寸圖

■2.2 檢測(cè)計(jì)數(shù)傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

檢測(cè)計(jì)數(shù)傳感器使用需配合紅外發(fā)射模組，該模組的效果圖如圖4 所示，將電阻R1、R7 與紅外發(fā)光二極管LED1、LED2 放置在一個(gè)PCB 板上，作為一獨(dú)立模組進(jìn)行裝配上主體電路板上使用。其中，圖4(a)為其頂層，采用直徑3mm、波長(zhǎng)940nm 的紅外發(fā)射管特殊安裝形式，將其管腳進(jìn)行兩次彎折并整形，發(fā)射頭緊貼板上兩個(gè)直徑為0.6mm、間距為3mm 的檢測(cè)孔，檢測(cè)孔A 和檢測(cè)孔B 如圖4(b)紅外發(fā)射模組底層所示。

圖4 檢測(cè)計(jì)數(shù)傳感器發(fā)射模組PCB效果圖

檢測(cè)計(jì)數(shù)傳感器電路設(shè)置在主電路板上，并采用2.54mm單排針進(jìn)行與發(fā)射模組相連，構(gòu)建其料帶檢測(cè)通道。該檢測(cè)通道的寬為8mm，高度為2.54mm，針對(duì)8mm 貼片元件料帶進(jìn)行檢測(cè)。

3 便攜手持式硬件電路設(shè)計(jì)

■3.1 開(kāi)關(guān)機(jī)電路及供電自動(dòng)切換電路

該電路可實(shí)現(xiàn)USB 供電和電池供電的自動(dòng)切換，當(dāng)通過(guò)USB Type-C 口充電時(shí)自動(dòng)切換到USB 供電方式，當(dāng)沒(méi)有充電時(shí)，裝置采用電池供電方式。此外，通過(guò)獨(dú)立按鍵可進(jìn)行開(kāi)關(guān)機(jī)控制，當(dāng)按鍵按下后P3.6 為高電平，Q3 三極管導(dǎo)通，Q2 的SI2301 場(chǎng)效應(yīng)管柵極變?yōu)榈碗娖剑茏訉?dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)機(jī)，單片機(jī)正常工作，P1.5 置高電平。當(dāng)按鍵按下并長(zhǎng)按2S 后，P3.6 口檢測(cè)到1S 高電平后，延時(shí)通過(guò)P1.5 賦值低電平進(jìn)行關(guān)機(jī)操作。

■ 3.2 供電電壓檢測(cè)電路

由于STC15W204 單片機(jī)內(nèi)部沒(méi)有A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，為了測(cè)量供電電壓大小，這里采用單片機(jī)的內(nèi)部比較器進(jìn)行ADC 轉(zhuǎn)換，如圖6 所示，ADC 的原理是基于電荷平衡的計(jì)數(shù)式ADC。電壓從V_ad 輸入，通過(guò)R23 與C5 濾波，進(jìn)入比較器P5.5 的正輸入端，經(jīng)過(guò)比較器的比較，將結(jié)果輸出到P1.2，再通過(guò)R22 與C6 濾波后，送入到比較器P5.4的負(fù)輸入端，跟輸入電壓平衡。通過(guò)計(jì)數(shù)周期adc_duty 和比較結(jié)果高電平的計(jì)數(shù)值adc 在程序中的運(yùn)算，最終得到ADC 的結(jié)果，根據(jù)R24、R25 電阻分壓可知：0.6*VBAT2=V_ad，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換即可得到供電電壓值。

圖6 供電電壓檢測(cè)電路圖

根據(jù)R26、R27 電阻分壓可知，當(dāng)VBUS 有5V 供電時(shí)，P3.7 口即可檢測(cè)到約為3.3V 高電平電壓，如果VBUS沒(méi)有電壓供給，P3.7 口為低電平，所以這里可以檢測(cè)USB Type-C 是否再充電，其結(jié)果通過(guò)OLED 液晶屏顯示。

■3.3 升降壓電路

圖7 升降壓電路原理圖

電路采用低壓降（LDO)線性穩(wěn)壓器TLV70033 將供電電壓轉(zhuǎn)換為3.3V 固定輸出，其具有出色的線路和負(fù)載瞬態(tài)性能。由于該電路可將2V～5.5V 的輸入電壓轉(zhuǎn)換為3.3V，所以USB Type-C 與18650 鋰電池供電均滿足要求。

4 SMT 元件料帶計(jì)數(shù)檢測(cè)程序設(shè)計(jì)

為了使該裝置計(jì)數(shù)更準(zhǔn)確，設(shè)置了A、B 兩個(gè)檢測(cè)孔，該方式比單檢測(cè)孔脈沖計(jì)數(shù)更加準(zhǔn)確，避免了進(jìn)料計(jì)數(shù)時(shí)由于抖動(dòng)造成的錯(cuò)誤計(jì)數(shù)。這樣可以在進(jìn)行料帶計(jì)數(shù)檢測(cè)時(shí)，根據(jù)料帶的進(jìn)出料進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)量加減，確保計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性。

程序設(shè)計(jì)中需要根據(jù)A、B 兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的電平變化情況判斷料帶是出料狀態(tài)還是進(jìn)料狀態(tài)，出料狀態(tài)進(jìn)行加計(jì)數(shù)，進(jìn)料狀態(tài)進(jìn)行減計(jì)數(shù)，所以在程序設(shè)計(jì)中需要進(jìn)行出料和進(jìn)料的判別。

在進(jìn)出料過(guò)程中A、B 兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的電平變化情況，分別對(duì)應(yīng)單片機(jī)的IO 口P1.5 和P3.2 實(shí)時(shí)檢測(cè)，其電平變化情況如表1 所示。從表中可知，除進(jìn)出料開(kāi)始和結(jié)束外，A、B 兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)在每個(gè)計(jì)數(shù)周期電平變化都是固定的。在進(jìn)料計(jì)數(shù)時(shí)，AB 電平周期性11-10-00-01-11-10-00-01；在出料計(jì)數(shù)時(shí)，AB 電平周期性信號(hào)為11-01-00-10-11-01-00-10[3]。

表1 進(jìn)出料時(shí)不同階段檢測(cè)口電平狀態(tài)表

根據(jù)信號(hào)的變化規(guī)律，可根據(jù)AB 電平變化，檢測(cè)到11 和00 信號(hào)的中間的信號(hào)是10 為進(jìn)料，相應(yīng)計(jì)數(shù)值加一，是01 為出料，相應(yīng)計(jì)數(shù)值減一。檢測(cè)的主體程序如下。

檢測(cè)部分程序設(shè)計(jì)：

整體流程圖如圖8 所示。

5 結(jié)語(yǔ)

手持SMT 元件料帶計(jì)數(shù)器采用了紅外光發(fā)射管與光敏接收二極管搭建的光電開(kāi)關(guān)為主體檢測(cè)計(jì)數(shù)傳感器的實(shí)用計(jì)數(shù)裝置。該設(shè)計(jì)采用單節(jié)鋰電池供電，并有充電電路和升降壓電路，使裝置易于手持便攜使用。該裝置針對(duì)8mm 料寬的SMT 貼片元件料帶提出了可行有效準(zhǔn)確的計(jì)數(shù)方案，可用于貼片元件的配單領(lǐng)用料環(huán)節(jié)，方便了對(duì)貼片元件數(shù)量的統(tǒng)計(jì)。