基于ARM7智能拆焊、回流焊台控制系统的设计

liyf · 发表于 2012-1-16 18:48:36

摘要：本文采用ARM7作为主控芯片，使用了μC/OS-II实时操作系统，设计了一种智能拆焊、回流焊台控制系统，可以通过键盘操作控制，通过液晶显示屏显示其所处的状态及实时温度曲线，能对多种集成芯片进行拆和焊，适用于集成电路板的维修和加工。
　　0 引言
　　随着电子工业的发展,电子产品越来越多,电路板上元器件的密度越来越大,并且多为贴片式元件。传统的手工焊接,比较适合直插式元件,对于贴片式焊接效果就差强人意,并且效率很低。同样，传统的的拆芯片方式，一般都用热风枪吹，这样也能够达到目的，但周围的小芯片容易被吹移位。基于以上的原因，有必要改变传统的手工焊接方式和用热风枪拆芯片的方式,采用计算机控制红外线加热的自动焊接。
　　近几年国内逐渐开始使用拆焊台和回流焊，但普遍存在以下问题：(1)控制芯片采用简单的单片机，以"裸奔"为主没嵌操作系统，从而导致系统过于简单或分配不合理。
　　(2)传感器一般都采用热电偶，但不加补偿电路，而且很少在程序中采用算法，这样加热器件往往存在惯性和滞后性，从而导致控温不精准。(3)没有将拆焊台和回流焊炉集于一体，使硬件利用率不高。
　　因此，本文提出并研究设计了一种基于μC/OS-II嵌入式实时系统的智能拆焊、回流焊温度控制系统。
　　1 智能拆焊、回流焊台电路设计原理

图1 设计方框图。
　　本设计利用热电偶传感器检测出与温度对应的电压信号，然后经27L2放大和ARM7内部A/D转换成处理器可识别的数字信号。再通过ARM7来采集温度信号并对其进行运算、处理，最后根据运算、处理的结果来控制红外线灯头和电热盘。整个过程通过液晶显示屏(128×64)清晰显示。能够智能控温，顺利拆、焊多种型号芯片。加热灯头能够按规定的温度曲线加热，可设置存储8条曲线(掉电数据不丢失)。预热盘能够保持设置的恒定温度(误差不能超过3℃)，有实时温度跟踪功能。
　　主要包括电路供电单元、信号检测电路、执行控制单元、人机交互界面几部分单元模块。
　　2 硬件电路
　　2.1 电路供电单元
　　主要由变压器、整流二极管、滤波电容、集成稳压器等构成，为电路提供5V、3.3V和1.8V的稳定电压。
　　2.2 信号检测电路
　　主要由热电偶、运算放大器27L2、DS18B20及ARM7内部AD等组成。将温度转换成处理器可识别的数字信号。

图2 温度采集电路。
　　本设计的温度采集电路如图2所示，在P6口的1、3引脚接热电偶传感器的正端，2、4引脚接热电偶传感器的负端。热电偶采集到信号后经C00、C10(高频滤波电容)将高频杂波滤除，再经27L2(低频小信号放大器)将信号放大，其中R64与R63的和与R65的比值即为U3B的放大倍数，同理，R60与R62的和与R61的比值为U3A的放大倍数。放大后再经C01和C11将高频杂波滤除，最后该信号被传到ARM7，经其内部AD转换器将模拟电压信号转换成处理器可识别的数字信号。当热电偶传感器探头部分的温度发生变化时，热电偶传感器两端的电压也按一定比例对应发生变化，然后该电压信号经27L2放大，再经ARM内部AD将模拟量转换成数字量，ARM处理器得到数字量后便知道现在的温度。当然要想精确测温仅有热电偶测温模块是不够的。
　　因为热电偶传感器有一个缺陷，它测的温度是探头与冷端之间的温度差，也就是说若仅用上述电路测温，则只有在冷端温度为零点的情况下测得的温度才是最精确的，冷端的温度与零点的温差越大，测得的温度数据越不精确。而本设计中焊台加热的同时，热电偶冷端温度会变化，从而造成了测温不准确。为了解决上述问题，特别增加了DS18B20作为补偿，在工业上称为补正系数修正法。应用的公式为：
T=T1+kT2
　　式中T为实际温度，T1为DS18B20测得的温度，T2为热电偶传感器模块测得的温度，k为补正系数，这里取0.82。
　　2.3 ARM最小系统

图3 ARM最小系统及外部存储电路图。
　　本设计采用ARM7作为主控芯片，主要因其性价比高、资源丰富、工作稳定可靠。它带有32kB的片内Flash程序存储器和8kB的片内静态RAM；128位宽度接口/加速器可实现高达70MHz工作频率；10位A/D转换器提供8路输入；2个32位定时计数器和2个16位定时计数器；多达32个通用IO口，可承受5V电压；多个串行接口，包括2个UART、2个I2C总线、SPI和具有缓冲作用和数据长度可变功能的SSP；多达13个边沿、电平触发的外部中断管脚；一个可编程的片内PLL可实现最大为70MHz的CPU操作频率等等。
　　在图3ARM最小系统中，11.0592M的晶振和两个20pF电容为系统提供稳定的工作频率，然后再经ARM内部锁相环倍频使其工作频率最大可达70MHz。图中的U1为CAT1052，它为系统提供稳定的复位电路，同时为系统提供了256字节的可读写的E2PROM，使系统存储掉电不丢失数据空间。
　　2.4 执行电路

图4 执行模块电路图。
　　该设计的执行电路如图4所示。其中PL端口接控制指示灯，PS1为AC220接口，PS2为灯体接口，PS3为电热盘接口，网络标号KONG1和KONG2接ARM的两个控制引脚。当ARM测到当前温度低于温度曲线上的对应温度(即当前需要加热到的温度)时ARM处理器便让对应的控制端口置零，此时对应的光电耦合器(US1或US2)的发射端工作，使接收端导通，这时电源电压经触发二极管(DS1或DS2)和300Ω电阻后到达双向晶闸管(QS1或QS2)的触发极使其导通，这样电热盘或灯头便开始加热工作。类似的道理，当ARM的控制端给出低电平时，对应的可控硅截止，灯头或电热盘停止加热。
　　2.5 人机交互界面
　　这部分作为人机接口，主要实现与本设计系统的交流，由液晶显示屏(128×64)和独立键盘构成。操作者可通过键盘选择功能，让系统执行特定命令或进入特定状态，而系统则通过液晶显示屏告诉操作者其所处的状态或温度曲线。从而实现可视性的人工操作与实时的输出显示。
　　3 软件设计
　　3.1 嵌入式实时操作系统μC/OS-II
　　μC/OS-II是一个基于抢占式的实时多任务内核，可固化、可剪裁、具有高稳定性和可靠性。实时操作系统的使用，能够简化嵌入式系统的应用开发，有效地确保稳定性和可靠性，便于维护和二次开发，除此以外，μC/OS-II的鲜明特点就是源码公开，便于移植和维护，可裁剪性强。
　　编完程序在调试过程中经常会遇到程序跑飞或陷入死循环等问题，但本系统嵌入了μC/OS-II操作系统，把整个程序分成多个任务，包括液晶屏显示任务、键盘扫描任务、数据处理运算任务、终端控制任务、温度采集任务，每个任务相对独立。然后在每个任务中设置超时函数，时间用完以后，任务必须交出CPU的使用权。即使一个任务发生问题，也不会影响其它任务的运行。这样既提高了系统的可靠性，也使得调试程序变得容易。
　　当然有利必有弊，在系统中嵌入μC/OS-II必将增加系统的开销，这需要系统有足够的RAM空间。在本系统中采用了ARM7(LPC2103)，带有8k的RAM，再加上我们选择操作系统的功能也不多(μC/OS-II操作系统可裁剪)，8k的RAM已足够用。
　　3.2 程序流程图

图5 程序流程图
　　4 结束语
　　本设计实现了以下几个方面的功能：
　　(1)系统在软件上以μC/OSII实时系统为系统平台，以ADS1.2为编译器开发了适用于拆焊、回流焊工业控制系统的软件，软件内核采用多任务设计构架，将控制过程划分成多个任务，按照优先级的方式轮流工作，体现了实时系统任务分配合理、响应快、可移植性好的优点。
　　(2)控制策略方案综合考虑了模糊控制和PID控制的特点，针对模糊控制在控制精度上的不足，采用模糊－PID混合控制的方式，充分发扬两种控制方法的优点，以适应系统温度受控对象惯性大、滞后性强的特性，使系统在控制策略上有了很大的改善。
　　(3)集回流焊炉和拆焊台于一体，使同一台机子既能当回流焊炉用，又能当拆焊台用，提高了硬件利用率和性价比。
　　(4)采用高精度智能8段可编程控制全程控制，即开即用，无需预热，小巧多用，增加了测温补偿功能，可在高温度环境下稳定运行。
　　电子时代的到来对回流焊机、拆焊台的需求越来越大，因此多功能智能拆焊、回流焊台的设计将对电子工业的发展有很大的促进作用。