一種基于鋁基板的加熱臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
目前市場(chǎng)上加熱臺(tái)多種多樣,功能方面不能達(dá)到使用者的預(yù)期,且板面材質(zhì)粗糙易臟,收拾打掃不易,對(duì)于電子愛好者來說需要能夠自己動(dòng)手做一款低成本簡(jiǎn)潔且心儀的加熱臺(tái)。本文設(shè)計(jì)的加熱臺(tái)具有多種功能,適合多種使用場(chǎng)合,臺(tái)面光滑整潔,可以用于電子元器件焊接回流焊,加熱拆卸手機(jī)殼等,最高溫度可達(dá)250 ℃并保持,加上智能溫度控制系統(tǒng)和多種模式切換,外觀新穎設(shè)計(jì)合理,可成為電子愛好者必備的開發(fā)工具。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202303/444295.htm本文介紹的系統(tǒng)主要包括以下模塊:印刷鋁基板加熱臺(tái)、單片機(jī)主控制板、溫度采集系統(tǒng)、液晶LCD 顯示模塊、按鍵輸入模塊、外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。單片機(jī)控制板是整個(gè)系統(tǒng)的核心大腦,將按鍵輸入和溫度輸入整合后做出處理,通過PID 算法合理輸出PWM 控制MOS管加熱系統(tǒng),顯示模塊顯示當(dāng)前加熱臺(tái)溫度及運(yùn)行模式,結(jié)構(gòu)外觀設(shè)計(jì)合理便于使用。
1 總體方案設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)是單片機(jī)采集用戶輸入的按鍵信息和溫度信息,進(jìn)行整合后采用PID 算法[6]控制輸出PWM波驅(qū)動(dòng)MOS 管[2],印刷鋁基板上均勻分布著覆銅走線,根據(jù)歐姆定律可知,電流流過導(dǎo)線可以產(chǎn)生熱量,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)平面加熱,由于存在溫度采集模塊,整個(gè)系統(tǒng)處于閉環(huán)狀態(tài),達(dá)到溫度能夠精確控制的目的。整個(gè)方案如下。
系統(tǒng)上電后首先讀取內(nèi)部FLASH數(shù)據(jù),判斷當(dāng)前運(yùn)行的模式及設(shè)定的溫度,然后通過讀取IO口采集按鍵信息,設(shè)定目標(biāo)溫度及運(yùn)行模式,通過ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換獲取加熱臺(tái)溫度數(shù)據(jù),將目標(biāo)溫度和實(shí)際溫度通過PID算法,輸出PWM 控制MOS管,讓鋁基板銅箔層通電,流過的電流即可開始對(duì)鋁基板加熱,鋁基板又通過溫度傳感器反饋到控制板,達(dá)到閉環(huán)控制目的。各個(gè)模塊之間關(guān)系如圖1所示。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)硬件大致可分為鋁基板電路、主控制板電路,下面分別介紹兩個(gè)板子電路原理圖。
2.1 鋁基板電路
鋁基板是一種具有良好散熱功能的金屬基覆銅板,一般來說單面板由三層結(jié)構(gòu)組成,依次為銅箔層、絕緣層和金屬鋁層,高端的也有單面雙層板,結(jié)構(gòu)層依次為頂層銅箔層、絕緣層、底層銅箔層、絕緣層和金屬鋁層。
本設(shè)計(jì)采用的是單層單面鋁基板,采用其良好的散熱性能,故可以達(dá)到熱面均衡的目的[3]。
要達(dá)到散熱均衡,導(dǎo)線都是有電阻的,根據(jù)歐姆定律,要求銅箔層布線均衡,所以布線本設(shè)計(jì)采用希爾伯特曲線。
本文預(yù)估設(shè)計(jì)功率為200W左右,電壓為24V直流電,根據(jù)公式
P: 功率,U:電壓,R:電阻
可計(jì)算出所需銅箔電阻為2.88 Ω。根據(jù)PCB 走線電阻公式
R:電阻,ρ:銅電阻率,L:走線長(zhǎng)度,W:走線寬度,D:銅箔厚度。
在走線寬度和銅箔厚度確定的前提下可計(jì)算出所需走線的長(zhǎng)度L。
希爾伯特曲線是一種能夠填充滿一個(gè)平面正方形的分形曲線(空間填充曲線),由大衛(wèi). 希爾伯特在1891年提出,希爾伯特曲線長(zhǎng)度計(jì)算公式為:
L:曲線總長(zhǎng)度,N:曲線階數(shù)。D:?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度,M:方形邊長(zhǎng)度。
希爾伯特曲線如圖2所示:
圖2 希爾伯特曲線
選擇合適銅箔走線寬度和厚度以及希爾伯特曲線階數(shù),當(dāng)然階數(shù)越高導(dǎo)線分布越均衡,根據(jù)PCB 電阻公式和希爾伯特曲線長(zhǎng)度公式可計(jì)算出所需的布線參考值,當(dāng)然這是理論值,實(shí)際情況還會(huì)受到PCB 加工誤差、90° 拐角計(jì)算誤差等因素影響。
本文設(shè)計(jì)的鋁基板PCB 電路如圖3 所示:
圖3 鋁基板PCB
2.2 控制板電路
2.2.1 主控芯片
主控芯片采用的是STC12C5A60S2 單片機(jī)[5],是國(guó)內(nèi)宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘周期1T 的單片機(jī),它是新一代8051 單片機(jī),低成本,指令兼容傳統(tǒng)的8051,速度提升8-12 倍,內(nèi)部集成2 路PWM,8 路高速10 位AD轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換速度250 K/S,具有可編程數(shù)據(jù)的更新方式,60 KB FLASGH 內(nèi)存,1 280 字節(jié)片內(nèi)RAM,具有低成本高性能的優(yōu)勢(shì)[7],適用于本文系統(tǒng)低成本控制思路。如圖4 所示為主控芯片最小系統(tǒng):
圖4 系統(tǒng)最小系統(tǒng)原理圖
2.2.2 程序下載電路
單片機(jī)硬件實(shí)現(xiàn)了ISP 和IAP 在線可編程系統(tǒng),可以通過串口燒寫程序,本電路是通過CH340G芯片實(shí)現(xiàn)USB電平轉(zhuǎn)UART,串口電平連接單片機(jī)P3.0和P3.1引腳,能夠通過USB 在STC 在線燒寫程序軟件下向單片機(jī)燒寫程序,電路圖如圖5 所示:
圖5 下載電路原理
2.2.3 液晶顯示模塊
液晶型號(hào)采用的是LCD1602,是廣泛使用的一種字符型液晶顯示模塊,能夠顯示字母數(shù)字以及符號(hào),主要由液晶顯示屏、控制驅(qū)動(dòng)電路、電容和電阻組成。其控制引腳RS、RW 和E 引腳分別連接在單片機(jī)P0.5-P0.7引腳上,8 bit 數(shù)據(jù)接口分別接在P2.0-P2.7 引腳上。
2.2.4 加熱驅(qū)動(dòng)電路
加熱驅(qū)動(dòng)電路選用的是下橋驅(qū)動(dòng),選用N 溝道的MOS,MOS管打開即可開始加熱,因?yàn)楸疚脑O(shè)計(jì)功率為24 V200 W,所以需要選用合理的MOS 管,以防止炸管,為考慮到成本問題,本文選用的是三款便宜低RdsON導(dǎo)通電阻的MOS 管并聯(lián)的方式,以達(dá)到安全使用的目的,采用一顆S8050 三極管驅(qū)動(dòng)三個(gè)MOS 管柵極,起增加帶載能力和隔離保護(hù)的作用。
2.2.5 按鍵模塊
本文設(shè)計(jì)的按鍵一共四個(gè),作用分別是模式選擇按鍵,待機(jī)開機(jī)按鍵,溫度加按鍵,溫度減按鍵,電路上設(shè)計(jì)上拉電阻,低電平觸發(fā)有效。
2.2.6 溫度傳感器模塊
溫度傳感器模塊采用的是MAX6675芯片,是一個(gè)嵌入12 bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器復(fù)雜的熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換器,該芯片包含了冷端補(bǔ)償和校正電路、一個(gè)數(shù)字控制器、SPI兼容接口和與之相關(guān)的控制邏輯[8]。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)選用的是KEIL C51 平臺(tái)編程軟件[1],采用STC 專有的下載軟件燒寫程序,軟件系統(tǒng)整體采用模塊設(shè)計(jì),便于維護(hù)和瀏覽,系統(tǒng)主要由初始化子程序、讀寫內(nèi)部FLASH 子程序、開環(huán)加熱和閉環(huán)加熱子程序、液晶顯示程序和按鍵采集子程序構(gòu)成。系統(tǒng)運(yùn)行有兩種模式,可由模式按鍵進(jìn)行選擇,模式一:閉環(huán)控制,由用戶設(shè)定目標(biāo)溫度,設(shè)定完之后存儲(chǔ)于內(nèi)部FLASH,防止掉電丟失數(shù)據(jù),溫度在閉環(huán)控制下能夠精確控制,達(dá)到恒溫效果;模式二:開環(huán)控制,按鍵設(shè)定溫度無效,加熱臺(tái)自行工作。
系統(tǒng)軟件流程圖如圖6 所示:
4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本著簡(jiǎn)單耐用好看角度出發(fā),采用分層模塊化設(shè)計(jì),3D 圖如圖7 所示:
1 鋁基板加熱臺(tái)置于頂層,固定方式采用兩個(gè)陶瓷螺絲和兩個(gè)支撐螺絲,考慮到固定絕緣的問題,所以采用內(nèi)六角沉頭陶瓷螺絲,該螺絲不占用加熱臺(tái)表面空間,具有耐高溫高硬度和絕緣的特點(diǎn)。溫度傳感器固定于加熱臺(tái)底面,可采用韌性好、強(qiáng)度高、防震防潮和耐高溫的卡夫特膠固定于平臺(tái)底面,緊密貼合不易掉落。
2 顯示液晶屏位于加熱臺(tái)側(cè)面,便于觀察溫度和運(yùn)行模式,其四周安裝有四個(gè)按鍵,便于用戶按鍵輸入信息,調(diào)節(jié)溫度和模式的切換。
圖7 加熱臺(tái)3D結(jié)構(gòu)
5 系統(tǒng)實(shí)測(cè)效果
完成了硬件焊接、軟件編寫和結(jié)構(gòu)搭建的工作后,開始上電調(diào)試測(cè)試,對(duì)加熱效果和長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行測(cè)試,最后實(shí)際進(jìn)行回流焊接[4]和加熱手機(jī)殼測(cè)試。實(shí)際測(cè)試表明,功能設(shè)計(jì)合理,整體設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期目的,加熱升溫迅速,恒溫保持穩(wěn)定,耐久測(cè)試良好。實(shí)際液晶顯示效果如圖8 所示:
圖8 實(shí)測(cè)效果圖
6 結(jié)束語
本文充分利用了高精度溫度傳感器技術(shù)、集成電路單片機(jī)技術(shù)、以及嵌入式技術(shù),設(shè)計(jì)了一款低成本以鋁基板為平臺(tái)的全新加熱臺(tái),通過負(fù)反饋調(diào)節(jié),臺(tái)面溫度可高效精確控制。
本文從硬件、軟件和結(jié)構(gòu)安裝角度細(xì)致講解出發(fā),介紹了加熱臺(tái)的其中各個(gè)模塊,使得用戶能夠全面了解加熱臺(tái)的制作過程和步驟,給自己動(dòng)手做提供了理論模型化指導(dǎo),具有實(shí)用性價(jià)值。
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(本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年4月期)
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