基于μC/OS-II的智能拆焊、回流焊溫度控制系統(tǒng)

近幾年國(guó)內(nèi)逐漸開(kāi)始使用拆焊臺(tái)和回流焊，但普遍存在以下問(wèn)題：(1)控制芯片采用簡(jiǎn)單的單片機(jī)，以"裸奔"為主沒(méi)嵌操作系統(tǒng)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)過(guò)于簡(jiǎn)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(méi)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(cè)出與溫度對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，然后經(jīng)27L2放大和ARM7內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換成處理器可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。再通過(guò)ARM7來(lái)采集溫度信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行運(yùn)算、處理，最后根據(jù)運(yùn)算、處理的結(jié)果來(lái)控制紅外線(xiàn)燈頭和電熱盤(pán)。整個(gè)過(guò)程通過(guò)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(hào)芯片。加熱燈頭能夠按規(guī)定的溫度曲線(xiàn)加熱，可設(shè)置存儲(chǔ)8條曲線(xiàn)(掉電數(shù)據(jù)不丟失)。預(yù)熱盤(pán)能夠保持設(shè)置的恒定溫度(誤差不能超過(guò)3℃)，有實(shí)時(shí)溫度跟蹤功能。

　　圖1 設(shè)計(jì)方框圖。

　　主要包括電路供電單元、信號(hào)檢測(cè)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(hào)檢測(cè)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(shí)別的數(shù)字信號(hào)。

　　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(hào)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(hào)放大器)將信號(hào)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(hào)被傳到ARM7，經(jīng)其內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換器將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成處理器可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。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(duì)應(yīng)發(fā)生變化，然后該電壓信號(hào)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(cè)溫僅有熱電偶測(cè)溫模塊是不夠的。

　　圖2 溫度采集電路。

　　因?yàn)闊犭娕紓鞲衅饔幸粋€(gè)缺陷，它測(cè)的溫度是探頭與冷端之間的溫度差，也就是說(shuō)若僅用上述電路測(cè)溫，則只有在冷端溫度為零點(diǎn)的情況下測(cè)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(cè)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(cè)溫不準(zhǔn)確。為了解決上述問(wèn)題，特別增加了DS18B20作為補(bǔ)償，在工業(yè)上稱(chēng)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(cè)得的溫度，T2為熱電偶傳感器模塊測(cè)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?xún)r(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(xiàn)、SPI和具有緩沖作用和數(shù)據(jù)長(zhǎng)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(xiě)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。[!--empirenews.page--]

　　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(pán)接口，網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)KONG1和KONG2接ARM的兩個(gè)控制引腳。當(dāng)ARM測(cè)到當(dāng)前溫度低于溫度曲線(xiàn)上的對(duì)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(duì)應(yīng)的控制端口置零，此時(shí)對(duì)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(pán)或燈頭便開(kāi)始加熱工作。類(lèi)似的道理，當(dāng)ARM的控制端給出低電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的可控硅截止，燈頭或電熱盤(pán)停止加熱。

　　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(pán)構(gòu)成。操作者可通過(guò)鍵盤(pán)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(guò)液晶顯示屏告訴操作者其所處的狀態(tài)或溫度曲線(xiàn)。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(jiǎn)化嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)，有效地確保穩(wěn)定性和可靠性，便于維護(hù)和二次開(kāi)發(fā)，除此以外，μC/OS-II的鮮明特點(diǎn)就是源碼公開(kāi)，便于移植和維護(hù)，可裁剪性強(qiáng)。

　　編完程序在調(diào)試過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇到程序跑飛或陷入死循環(huán)等問(wèn)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(pán)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(duì)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(wèn)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(kāi)銷(xiāo)，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(yǔ)

　　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(kāi)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(guò)程劃分成多個(gè)任務(wù)，按照優(yōu)先級(jí)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(duì)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(duì)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?xún)r(jià)比。

　　(4)采用高精度智能8段可編程控制全程控制，即開(kāi)即用，無(wú)需預(yù)熱，小巧多用，增加了測(cè)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(lái)對(duì)回流焊機(jī)、拆焊臺(tái)的需求越來(lái)越大，因此多功能智能拆焊、回流焊臺(tái)的設(shè)計(jì)將對(duì)電子工業(yè)的發(fā)展有很大的促進(jìn)作用。