基于爱特梅尔AVR的微型节能自动浸焊机的软硬件设计

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一、项目概述
          1.1 引言
          目前，焊接插件式线路板一般采用波峰焊接方法和浸焊方法。波峰焊接机虽然焊接速度快、焊接质量高，但因其价格高、体积大、维护复杂等因素用于大批量加工的场合，特别适用于流水线作业的大型工厂。浸焊机具有结构简单、体积小、焊接质量好、成本低、可视性强等特点，用于小批量生产，特别适合用于中小企业、各种科研单位和教学场所。然而，在目前的市场当中存在的浸焊机仍然存在能源浪费严重的现象。
           
          本设计在对目前市场上的各种浸焊机进行分析比较的基础上，针对目前市场已有浸焊机耗能大、不灵活等缺点，从节能环保的角度出发，通过采用爱特梅尔（Atmel）公司AVR-8位单片机(ATXMEGA64A3)设计出一种微型节能自动浸焊机。这种浸焊机具有环保节能、体积小、操作简单、自动化程度高、焊接质量好、成本低、可视性强、性价比高等特点，适合应用在教学、科研单位和小批量电路板生产与加工工厂，具有很强的市场竞争力，有很好的社会效益和经济效益。
           
          1.2 项目背景/选题动机
          改革开放以来，我国经济得到了突飞猛进的发展，电子产品已经成为人们生活中必不可少的一部分。电子产品的开发研制必然离不开印刷线路板的焊接。目前插件式线路板一般采用波峰焊接和浸焊两种方法。波峰焊接机因其价格高、体积大、维护复杂而只适用于流水线作业的大型工厂。浸焊机具有结构简单、焊接质量好、成本低等特点，广泛用于小批量生产中，特别适合用于中小企业，其应用范围广，有很强的市场潜力。
           
          通过对目前焊接机市场的调查发现：目前市场上的浸焊机种类虽然很多，但是都存在体积较大、不灵活、耗能过多的缺点。没有专门适合用于教学与科研单位的小型浸焊机，在电子线路板焊接工艺的教学设备还属于空白，没有专门应用于教学和科研方面的演示教学设备。
           
          因此研制并开发出一款低能耗、小型化、适合应用在教学与科研单位和小批量电路板生产的微型节能自动浸焊机具有很好的市场前景。
           
          下表是目前市场上浸焊机主要种类：

浸焊机种类	主要特点
台式浸焊机	焊接质量高、结构简单、速度快、采用空气泵打入惰性气体的方法实现助焊剂和焊锡发泡的方法实现浸泡、通过烘箱对电路板进行预热、采用人工进行放入电路板、但是每个工作周期之间的等待时间过长，操作复杂。
立式平面浸焊机	焊接质量高、结构简单、封闭式工作环境、成本低、速度慢、采用夹板夹取电路板的工作方式进行浸泡助焊剂和焊锡、体积大、焊接准备时间比较长。
联合型浸焊机	体积大、结构简单、速度快、成本低、可以同时焊接多块电路板、具有简单的预热装置、用人工进行放入电路板、非自动运行、焊接准备时间比较长。
手推式浸焊机	以手工操作为主、结构简单、速度慢、效率低、危险性比较大，目前己基本被淘汰。

           
          现有的浸焊机产品研究发现：目前市场上流通的浸焊机虽然具有结构简单、成本低等特点，也同时发现目前产品现有的缺陷：
           
          1.体积较大，不灵活；
          2.生产准备时间过长，其将焊锡和助焊剂变为液态的加热方法需要近两个小时；
          3.缺少很直观的数字显示部分；
          4.多数采用的是导轨滑动装置进行电路板焊接的操作，在整个的焊接过程中电路板在运行中的稳定性不够；
          5.市场上的浸焊机都采用封闭式的操作环境，不便于学生对实际焊接工艺的理解，不适用于电子教学场所。
           
          因此研制并开发出一款低能耗、小型化、操作简单、焊接质量好、成本低、可视性强，适合应用在教学与科研单位和小批量电路板生产的微型节能自动浸焊机具有很好的市场前景和很强的市场竞争力，并且具有良好的社会效益和经济效益。
        二、需求分析
          2.1 功能要求
          (1) 能够控制焊锡槽内的焊锡温度；
          (2) 能够声音提示错误信息，及时发出警报；
          (3) 能够显示温度等参数，增强可视性；
          (4) 能够设置时间、温度等参数；
          (5) 能够自动去除焊锡表面的氧化锡；
           

       

        图2.1系统架构

         

       

        图2.2 机械图—正视图(proe截图)

         

       

        图2.3 机械图—俯视图(proe截图)

         

       

        图2.4 机械图—侧视图(proe截图)

         

       

        图2.5机械图—内部结构视图(proe截图)

          注：此浸焊机机械部分均由汇智团队自主设计开发
         
          2.2 性能要求
          (1) 能够保证高质量的焊接效果；
          (2) 能够控制焊锡槽内的焊锡温度在有效的范围之内；
          (3) 能够判断系统错误，及时发出声音警报；
          (4) 能够控制时间、倾角等参数值在误差允许范围之内；
          (5) 能够焊接普通大小范围内的电路板；
           
          三、方案设计
          3.1 系统功能实现原理
          整体系统由微处理器(ATXMEGA64A3)和步进电机模块、显示模块、电源模块、测温模块、加热模块、声音报警等各个功能模块组成。
          具体的硬件实现如下：
           

       

        系统硬件结构框图

         

          3.2 系统各功能模块原理简介
          该设计是基于多功能ATMEGA64A3单片机而设计的微型节能自动浸焊机，共分为六部分：电源模块、加热模块、测温模块、步进机模块、声音模块、显示模块。
           
          (1)步进机模块:
          步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行元件，即当步进机驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。我们可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时我们也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
           
          设计思路：
          电机的运转一般由脉冲和方向信号来控制的，脉冲的频率控制电机的转速，脉冲的个数控制电机的转角；方向信号的高、低电平控制着电机的正、反转。用单片机控制步进电机，可以用一个输出口发送脉冲：高电平->延时->低电平->延时……延时的长短控制脉冲的频率，电平的转换次数就是脉冲个数。
           
           硬件电路：
          L298N芯片可以驱动两个二相电机(如下图)，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的I/O口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。
           

       

        L298N内部原理图

         

       

        步进电机模块原理图

         

          运行方式与方向的控制： 循环查表法
          步进电机的运行方式是指各相绕组循环轮流通电的方式。为了实现对各绕组按一定方式轮流加电，需要一个脉冲循环分配器。循环分配器可用硬件电路来实现，也可用软件来实现。采用软件来设计脉冲循环分配器，又有两种方法：控制字法和循环查表法。这里采用循环查表法。
           
          循环查表法是将各相绕组加电顺序的控制代码制成一张表——步进电机相序表，存放在内存区，再设置一个地址指针。当地址指针依次加1（或减1）时，即可从表中取出加电的代码，然后输出到步进电机，产生按一定运行方式的走步操作。若改变相序表内的加电代码和地址指针的指向，则可改变步进电机的运行方式和方向。
           
          步进电机的运行方向是采用设置相序表的指针进行控制的。如果把指针设在指向正相序表的第一个元素，依次加1，取出加电代码去控制步进电机的运行方向叫做正方向，那么，再把指针改设在指向反相序表的第一个元素，依次加1的方向就是反方向。
           
          步进电机运行速度的控制：硬件改变输入脉冲的频率，通过对定时器定时常数的设定，使其升频、降频或恒频。
           

       

       

          注：A、B:垂直步进电机；C:控制刮板翻转步进电机；D:水平步进电机
         
          步进电机工作流程：
          按下开始键后，步进电机C转动，使刮板转至水平后，步进电机D转动，将刮板从一段移动到另一端，步进电机C转动是刮板转至竖直，步进电机D转动，将刮板移至另一端，在移动的过程中，刮板将锡池表面的氧化膜刮去。然后步进电机A和B转动，使PCB板架下降，在下降至指定位置后暂停一下，步进电机A先转动，步进电机B随后转动，使PCB板架与水平面成一个角度，以防止在PCB板在接触锡池时产生气泡，影响焊接质量。焊接完成后，步进电机A先转动，使板架一端先上升，步进电机B随后转动，是另一端上升。
           
          (2)测温模块：
          K型热电偶是工业生产中最常用的温度传感器，具有结构简单、制造容易、使用方便、测温范围宽等特点。目前，在以Ｋ型热电偶为测温元件的工业测温系统中，热电偶输出的热电势信号必须经过中间转换环节，才能输入基于单片机的嵌入式系统。中间转换环节包括信号放大、冷端补偿、线性化及数字化等几个部分，实际应用中，由于中间环节较多，调试较为困难，系统的抗干扰性能往往也不理想，因此在设计产品中我们采用了MAXIM公司推出的MAX6675，它是一个集成了热电偶放大器、冷端补偿、A/D转换器及SPI串口的热电偶放大器与数字转换器，可以直接与单片机连接，大大简化系统的设计，保证了温度测量的快速、准确。
           
          MAX6675是一复杂的单片热电偶数字转换器。主要包括：低噪声电压放大器A1、电压跟随器A2、冷端温度补偿二极管、基准电压源、12位AD转换器、SPI串行接口、模拟开关及数字控制器。
           
               

         MAX6675内部原理图

         

          其工作原理如下：K型热电偶产生的热电势，经过低噪声电压放大器A1和电压跟随器A2放大、缓冲后，得到热电势信号U1，再经过S4送至ADC。对于K型热电偶，电压变化率为(41μV/℃)，电压可由如下公式来近似热电偶的特性。
           
          　　       U1=(41μV/℃)×(T-T0)
          上式中，U1为热电偶输出电压(mv)，T是测量点温度；T0是周围温度。
          在将温度电压值转换为相应的温度值之前，对热电偶的冷端温度进行补偿，冷端温度即是MAX6675周围温度与0℃实际参考值之间的差值。通过冷端温度补偿二极管，产生补偿电压U2经S4输入ADC转换器。
           
          　　              U2=(41μV/℃)×T0
          在数字控制器的控制下，ADC首先将U1、U2转换成数字量,即获得输出电压U0的数据，该数据就代表测量点的实际温度值T。
           

       

         

        测温模块原理图

         

          (3)加热模块：
          本设计的熔锡炉小而薄，采用电热丝加热，可以在较短的时间内将锡块融化，方便节能并且适合小型批量焊接。
           
          通过光电耦合器MOC3023芯片将单片机与高电压电路分开，并通过可控硅BTA20控制高电压电路来控制加热，增加了系统的稳定性和可靠性。
           
          其原理图如下：

       

        可控硅控制电路原理图

         

          (4)电源模块:
          LM7805为三端稳压电路，其输入电压范围为5V-18V，稳定电压为5V。用7805三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。
           
          线路板中个芯片的工作电压为5V，本设计采用7805芯片把12V电压转换成5为电路供电。
           

       

        电源模块原理图

         

          (5)显示模块：
          用数码管显示信息时，由于每个数码管至少需要8个I/O口。如果需要多个数码管，则需要的I/O口太多，为了节省I/O口，显示采用数码管动态显示方式。
           
          动态显示是多个数码管，交替显示，利用人的视觉暂留作用使人看到多个数码管同时显示。单片机输出段选和位选信号，位选信号选中其中一个数码管，然后输出段码，使该数码管显示所需要的内容，延时一段时间后，再选中另一个数码管，再输出对应的段码，高速交替。
           

       

        显示模块原理图

         

        (6)语音模块：

          为了使系统在工作时具有更好的表现出整个焊接过程，使焊接过程变得清晰明了，系统加了语音播放模块。语音播放部分预先将语音信号存放在语音芯片之中，再根据CPU传输过来的指令启动语音芯片内部预先存的语音信号，根据系统所处的状态及时的播放语音进行讲解说明。同时在语音的上部放置一个可以随机改变颜色的二极管，使整个系统在工作时变得更加美观，增加了系统的演示效果与操作的简单性。
           
          系统的语音播放部分芯片是ISD1200芯片语音芯片，ISD1200芯片语音芯片可以存储8~20秒语音信号，通过芯片17、18管脚即将语音信号直接录入到ISD1200芯片之中，通过接受CPU传输过来的语音信号存放地址得出是地址来播放语音。
           

       

        语音模块原理图

         

          3.3 硬件平台选用及资源配置
          本设计采用的元件比较多需要大量引脚去完成相应的功能，因而采用ATEMEL公司生产的ATXMEGA64A3处理器。
           
          ATXMEGA64A3是高性能、低功耗的AVR-8位微处理器，它的应用极其广泛。在设计中我们应用它自身所带的看门狗、可擦写的EEPROM、SPI串行接口以及众多I/O口来完成相应的功能。
           
          3.4系统软件架构
          系统的整体软件架构主要由系统输入、系统输出、和各个功能模块组成，整个软件系统乘驾在以ATXMEGA64A3为核心的硬件平台上。
           

       

        软件架构图

         

          3.5 系统软件流程
          上电后，系统播报语音，提示可以开始工作。然后读取温度的设定值，然后判断焊锡温度是否达到设定温度，若未达到设定温度则焊锡进行加热，当达到设定温度时，停止加热；调用显示程序显示焊锡的温度值；检测开始键是否按下，如果开始键按下，驱动水平步进电机完成刮锡功能，驱动垂直步进电机将机械手臂进行垂直运动，浸泡焊锡，完成焊接后返回到初始位置。
           

       

         

        加热模块程序流程图

         

       

        程序运行流程图

         

          3.6 系统预计实现结果
          焊锡机正常工作：
          ①能够正确测试焊锡槽内的焊锡温度并且能够正确显示温度等参数；
          ②如果出现紧急、错误等情况能够语音提示错误信息，及时发出警报；
          ③人工通过按键输入可以使系统运行或急停；
          最重要的是，能够保证高质量的焊接效果。