近幾年國內(nèi)逐漸開始使用拆焊臺(tái)和回流焊，但普遍存在以下問題：(1)控制芯片采用簡單的單片機(jī),，以"裸奔"為主沒嵌操作系統(tǒng),，從而導(dǎo)致系統(tǒng)過于簡單或分配不合理。(2)傳感器一般都采用熱電偶,，但不加補(bǔ)償電路,，而且很少在程序中采用算法，這樣加熱器件往往存在慣性和滯后性,，從而導(dǎo)致控溫不精準(zhǔn),。(3)沒有將拆焊臺(tái)和回流焊爐集于一體，使硬件利用率不高,。
因此,，本文提出并研究設(shè)計(jì)了一種基于μC/OS-II嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的智能拆焊、回流焊溫度控制系統(tǒng),。
1 智能拆焊,、回流焊臺(tái)電路設(shè)計(jì)原理
本設(shè)計(jì)利用熱電偶傳感器檢測出與溫度對應(yīng)的電壓信號，然后經(jīng)27L2放大和ARM7內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換成處理器可識別的數(shù)字信號。再通過ARM7來采集溫度信號并對其進(jìn)行運(yùn)算,、處理,，最后根據(jù)運(yùn)算、處理的結(jié)果來控制紅外線燈頭和電熱盤,。整個(gè)過程通過液晶顯示屏(128×64)清晰顯示,。能夠智能控溫，順利拆,、焊多種型號芯片,。加熱燈頭能夠按規(guī)定的溫度曲線加熱，可設(shè)置存儲(chǔ)8條曲線(掉電數(shù)據(jù)不丟失),。預(yù)熱盤能夠保持設(shè)置的恒定溫度(誤差不能超過3℃),，有實(shí)時(shí)溫度跟蹤功能?！?br />
圖1 設(shè)計(jì)方框圖,。
主要包括電路供電單元、信號檢測電路,、執(zhí)行控制單元,、人機(jī)交互界面幾部分單元模塊。
2 硬件電路
2.1 電路供電單元
主要由變壓器,、整流二極管,、濾波電容、集成穩(wěn)壓器等構(gòu)成,，為電路提供5V,、3.3V和1.8V的穩(wěn)定電壓。
2.2 信號檢測電路
主要由熱電偶,、運(yùn)算放大器27L2,、DS18B20及ARM7內(nèi)部AD等組成。將溫度轉(zhuǎn)換成處理器可識別的數(shù)字信號,。
本設(shè)計(jì)的溫度采集電路如圖2所示，在P6口的1,、3引腳接熱電偶傳感器的正端,，2、4引腳接熱電偶傳感器的負(fù)端,。熱電偶采集到信號后經(jīng)C00,、C10(高頻濾波電容)將高頻雜波濾除，再經(jīng)27L2(低頻小信號放大器)將信號放大,，其中R64與R63的和與R65的比值即為U3B的放大倍數(shù),，同理，R60與R62的和與R61的比值為U3A的放大倍數(shù)。放大后再經(jīng)C01和C11將高頻雜波濾除,，最后該信號被傳到ARM7,，經(jīng)其內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換器將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成處理器可識別的數(shù)字信號。當(dāng)熱電偶傳感器探頭部分的溫度發(fā)生變化時(shí),，熱電偶傳感器兩端的電壓也按一定比例對應(yīng)發(fā)生變化,，然后該電壓信號經(jīng)27L2放大，再經(jīng)ARM內(nèi)部AD將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,，ARM處理器得到數(shù)字量后便知道現(xiàn)在的溫度,。當(dāng)然要想精確測溫僅有熱電偶測溫模塊是不夠的?！?br />
圖2 溫度采集電路,。
因?yàn)闊犭娕?font class="f14">傳感器有一個(gè)缺陷，它測的溫度是探頭與冷端之間的溫度差,，也就是說若僅用上述電路測溫,，則只有在冷端溫度為零點(diǎn)的情況下測得的溫度才是最精確的，冷端的溫度與零點(diǎn)的溫差越大,，測得的溫度數(shù)據(jù)越不精確,。而本設(shè)計(jì)中焊臺(tái)加熱的同時(shí)，熱電偶冷端溫度會(huì)變化,，從而造成了測溫不準(zhǔn)確,。為了解決上述問題，特別增加了DS18B20作為補(bǔ)償,，在工業(yè)上稱為補(bǔ)正系數(shù)修正法,。應(yīng)用的公式為：
T=T1+kT2
式中T為實(shí)際溫度，T1為DS18B20測得的溫度,，T2為熱電偶傳感器模塊測得的溫度,，k為補(bǔ)正系數(shù)，這里取0.82,。
2.3 ARM最小系統(tǒng)
本設(shè)計(jì)采用ARM7作為主控芯片,，主要因其性價(jià)比高、資源豐富,、工作穩(wěn)定可靠,。它帶有32kB的片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器和8kB的片內(nèi)靜態(tài)RAM;128位寬度接口/加速器可實(shí)現(xiàn)高達(dá)70MHz工作頻率;10位A/D轉(zhuǎn)換器提供8路輸入;2個(gè)32位定時(shí)計(jì)數(shù)器和2個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器;多達(dá)32個(gè)通用IO口，可承受5V電壓;多個(gè)串行接口,，包括2個(gè)UART,、2個(gè)I2C總線、SPI和具有緩沖作用和數(shù)據(jù)長度可變功能的SSP;多達(dá)13個(gè)邊沿,、電平觸發(fā)的外部中斷管腳;一個(gè)可編程的片內(nèi)PLL可實(shí)現(xiàn)最大為70MHz的CPU操作頻率等等,。
在圖3ARM最小系統(tǒng)中，11.0592M的晶振和兩個(gè)20pF電容為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的工作頻率，然后再經(jīng)ARM內(nèi)部鎖相環(huán)倍頻使其工作頻率最大可達(dá)70MHz,。圖中的U1為CAT1052,，它為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的復(fù)位電路，同時(shí)為系統(tǒng)提供了256字節(jié)的可讀寫的E2PROM,，使系統(tǒng)存儲(chǔ)掉電不丟失數(shù)據(jù)空間,。
圖3 ARM最小系統(tǒng)及外部存儲(chǔ)電路圖,。
2.4 執(zhí)行電路
該設(shè)計(jì)的執(zhí)行電路如圖4所示,。其中PL端口接控制指示燈，PS1為AC220接口,，PS2為燈體接口,，PS3為電熱盤接口，網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號KONG1和KONG2接ARM的兩個(gè)控制引腳,。當(dāng)ARM測到當(dāng)前溫度低于溫度曲線上的對應(yīng)溫度(即當(dāng)前需要加熱到的溫度)時(shí)ARM處理器便讓對應(yīng)的控制端口置零,，此時(shí)對應(yīng)的光電耦合器(US1或US2)的發(fā)射端工作，使接收端導(dǎo)通,，這時(shí)電源電壓經(jīng)觸發(fā)二極管(DS1或DS2)和300Ω電阻后到達(dá)雙向晶閘管(QS1或QS2)的觸發(fā)極使其導(dǎo)通,，這樣電熱盤或燈頭便開始加熱工作。類似的道理,，當(dāng)ARM的控制端給出低電平時(shí),，對應(yīng)的可控硅截止，燈頭或電熱盤停止加熱,?！?br />
圖4 執(zhí)行模塊電路圖。
2.5 人機(jī)交互界面
這部分作為人機(jī)接口,，主要實(shí)現(xiàn)與本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的交流,，由液晶顯示屏(128×64)和獨(dú)立鍵盤構(gòu)成。操作者可通過鍵盤選擇功能,，讓系統(tǒng)執(zhí)行特定命令或進(jìn)入特定狀態(tài),，而系統(tǒng)則通過液晶顯示屏告訴操作者其所處的狀態(tài)或溫度曲線。從而實(shí)現(xiàn)可視性的人工操作與實(shí)時(shí)的輸出顯示,。
3 軟件設(shè)計(jì)
3.1 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II
μC/OS-II是一個(gè)基于搶占式的實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核,，可固化、可剪裁,、具有高穩(wěn)定性和可靠性。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的使用,，能夠簡化嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā),，有效地確保穩(wěn)定性和可靠性，便于維護(hù)和二次開發(fā)，除此以外,，μC/OS-II的鮮明特點(diǎn)就是源碼公開,，便于移植和維護(hù)，可裁剪性強(qiáng),。
編完程序在調(diào)試過程中經(jīng)常會(huì)遇到程序跑飛或陷入死循環(huán)等問題,，但本系統(tǒng)嵌入了μC/OS-II操作系統(tǒng)，把整個(gè)程序分成多個(gè)任務(wù),，包括液晶屏顯示任務(wù),、鍵盤掃描任務(wù)、數(shù)據(jù)處理運(yùn)算任務(wù),、終端控制任務(wù),、溫度采集任務(wù)，每個(gè)任務(wù)相對獨(dú)立,。然后在每個(gè)任務(wù)中設(shè)置超時(shí)函數(shù),，時(shí)間用完以后，任務(wù)必須交出CPU的使用權(quán),。即使一個(gè)任務(wù)發(fā)生問題,，也不會(huì)影響其它任務(wù)的運(yùn)行。這樣既提高了系統(tǒng)的可靠性,，也使得調(diào)試程序變得容易,。
當(dāng)然有利必有弊，在系統(tǒng)中嵌入μC/OS-II必將增加系統(tǒng)的開銷,，這需要系統(tǒng)有足夠的RAM空間,。在本系統(tǒng)中采用了ARM7(LPC2103)，帶有8k的RAM,，再加上我們選擇操作系統(tǒng)的功能也不多(μC/OS-II操作系統(tǒng)可裁剪),，8k的RAM已足夠用。
3.2 程序流程圖
圖5 程序流程圖
4 結(jié)束語
本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了以下幾個(gè)方面的功能：
(1)系統(tǒng)在軟件上以μC/OSII實(shí)時(shí)系統(tǒng)為系統(tǒng)平臺(tái),，以ADS1.2為編譯器開發(fā)了適用于拆焊,、回流焊工業(yè)控制系統(tǒng)的軟件，軟件內(nèi)核采用多任務(wù)設(shè)計(jì)構(gòu)架,，將控制過程劃分成多個(gè)任務(wù),，按照優(yōu)先級的方式輪流工作，體現(xiàn)了實(shí)時(shí)系統(tǒng)任務(wù)分配合理,、響應(yīng)快,、可移植性好的優(yōu)點(diǎn)。
(2)控制策略方案綜合考慮了模糊控制和PID控制的特點(diǎn),，針對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,，充分發(fā)揚(yáng)兩種控制方法的優(yōu)點(diǎn)，以適應(yīng)系統(tǒng)溫度受控對象慣性大,、滯后性強(qiáng)的特性,，使系統(tǒng)在控制策略上有了很大的改善。
(3)集回流焊爐和拆焊臺(tái)于一體,，使同一臺(tái)機(jī)子既能當(dāng)回流焊爐用,，又能當(dāng)拆焊臺(tái)用，提高了硬件利用率和性價(jià)比,。
(4)采用高精度智能8段可編程控制全程控制,，即開即用，無需預(yù)熱,，小巧多用,，增加了測溫補(bǔ)償功能，可在高溫度環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行,。
電子時(shí)代的到來對回流焊機(jī),、拆焊臺(tái)的需求越來越大，因此多功能智能拆焊,、回流焊臺(tái)的設(shè)計(jì)將對電子工業(yè)的發(fā)展有很大的促進(jìn)作用,。