全自動粉末封裝機溫控系統設計

裴有柱

（天津電子信息職業技術學院，天津 300312）

全自動粉末封裝機溫控系統設計

裴有柱

（天津電子信息職業技術學院，天津 300312）

從提高粉末封裝機溫度控制與檢測精度的角度介紹89S52單片機溫制系統的設計。選用普通高效的熱電阻測量電路和性價比高的芯片，節約了設計的成本和硬件的消耗，并保障了對烤箱溫度的有效控制，使其具有精度高、價格低，簡單靈活等優點。該設計實際工作表現良好，有很好的應用前景。

89S52單片機；溫度檢測；溫度控制；接口電路

0 引言

全自動粉末封裝機是一種能均勻地把粉體經加熱手段封裝于電子部件上的設備，由于封裝后外形美觀，均勻光滑，立體感強，故適用于電阻器、電容器等部件的封裝工藝，更能滿足電子儀器，電器設備及計算機設備等機電產品的需要。

在整個電子部件封裝過程中，對溫度進行有效地控制是一項非常重要的工作，利用單片機對烤箱的溫度進行控制，具有精度高、價格低，簡單靈活等優點，能很好地滿足粉末封裝工藝的要求。本文將著重從溫度調控的角度介紹單片機溫度控制系統的原理與方法。

1 系統硬件設計

整個溫度控制系統由溫度檢測模塊，溫度控制模塊，鍵盤設置（單片機與外部接口電路）模塊，LED顯示(單片機與外圍設備)模塊等部分組成（不包括烤箱）。單片機溫度控制系統框圖如圖1所示。

圖1 溫度控制系統框圖

2 溫度檢測

準確監測烤箱內的溫度是實現高精度溫度控制和粉末封裝的前提，故準確的檢測是做好溫度控制的第一步，也是硬件設計中最關鍵的一步。為了將變化的溫度值轉化為變化的電壓信號，以熱電阻作為檢測元件（熱電阻和熱電偶是工業生產過程自動化最常用的兩種溫度傳感器，熱電阻由于在測量的靈敏度、線性度、穩定性、抗干擾能力等諸多方面均優于熱電偶，因此選用之），根據被控溫度的測量范圍及控溫精度，選用Pt100鉑電阻，其測溫范圍-50～650℃。由于熱電阻變化輸出電壓信號太小，需要連接變送器，用變送器將熱電阻變化輸出的電壓轉變成為0～5V電壓信號。而變送以后生成的電壓也不是一個可為單片機進行控制的數字量，所以必須進行模數轉化，模數轉換芯片的位數，轉換速率則應根據實際工作需要選擇。由此可以看出溫度檢測的精度取決于：1）設計合理實用的變送器（溫度檢測放大電路）；2）增加模數轉換器的位數。

2.1 溫度檢測放大電路

準確的檢測和合理的信號轉換電路是實現高精度溫度控制的關鍵。設計中利用由熱電阻溫度傳感器構成的電橋，先將溫度轉換成電壓信號，然后將溫度采樣值與溫度設定值的差值放大，再經A/D轉換送至89S52，溫度信號測量電路的組成如圖2所示。

當溫度變化時，鉑電阻阻值隨溫度變化而變化，為了測出某一時刻的溫度值，可把電阻阻值的變化轉化成電壓的變化。設計中采用了平衡電橋法，如圖2所示。Pt100作為電橋的一個橋臂，R1、R2、R3三個電阻構成其他三個橋臂。在0℃時，電橋給出電壓為0，溫度升高或降低時，Pt100阻值增加或減小，電橋平衡狀態被打破，電橋輸出電壓的大小反映了溫度變化的大小。

圖2 溫度信號測量電路

電橋輸出電壓一般在幾毫伏到幾十毫伏，故需要放大。為了減小失調和溫漂對溫度信號的影響，通常使用測量放大器。在圖2中集成放大器A1、A2、A3及相應的外圍電路構成差分放大電路，它具有高輸入阻抗，低輸出阻抗，強抗共模干擾能力，低溫漂，低失調電壓和高增益等特點。R10和C1構成積分電路，用來增加系統的慣性，對信號起阻尼作用。當取R6=R7= R8= R9，R 4= R5時，差分放大器的電壓增益為：

通過適當調整電阻RW就可以獲得較理想的電壓增益，再將經過處理的溫度傳感器感測到的電信號UT放大后，送入下一級的差值放大電路的負相端。系統的爐溫工藝曲線經分段換算后轉換為對應的電壓數據DTS，再經過進制轉換后以表格的形式存入E2PROM中。當系統投入運行后，為了實現誤差測量，單片機依據時鐘定時器，按一定的時間間隔將數據通過總線傳至DAC0832與A4構成D/A數模轉換器，經D/A轉換后的模擬電壓UTS，送入由A5、R11、R12、R13和R14構成的差值檢測放大電路的正相端，與經過轉換的采樣電壓值UT作差，得到的差值放大后送入A/D轉換器ICL7135。

C1和R10構成積分電路，以增加系統的慣性，對變化較快的信號起阻尼作用。

2.2 增加模數轉換器件位數

為了能達到最好的性價比與控制結果，本設計采用價格低廉的雙斜積分式4位半單片A/D轉換器ICL7135，盡量少占用微處理器I/O 口線，以最少原器件、完成盡可能多的任務。利用7135的“BUSY”端，只需占用單片機89S52 的一個I/O口和內部的一個定時器， 就可以在十幾微秒的中斷服務程序中把ICL7135的A/D 轉換值送入單片機89S52內。

ICL7135為28腳DIP封裝。為了節約89S52的I/O端口，使用ICL7135的串行工作模式，只用兩個I/O完成工作。如圖3所示。

圖3 ICL7135與89S52的連接

將89S52的ALE（30腳）進行四分頻，得到500KHz的時鐘，作為頻率發生器，與ICL7135的CLK（22腳）相連；利用ICL7135的“BUSY”輸出信號（21腳）與單片機89S52的INT0(12腳)相連，計數"BUSY"高電平的周期數。

其工作原理如下：ICL7135是以雙積分方式進行A/D轉換的電路。每個轉換周期分為三個階段：1）自校零階段；2）被測電壓積分階段；3）對基準電壓進行反積分階段。以輸入電壓Vx為例，其積分器輸出端（ICL7135的4腳）的波形如圖4所示。“BUSY”輸出端（ICL7135的21腳）高電平的寬度等于積分和反積分時間之和。ICL7135內部規定積分時間固定為10000個時鐘脈沖時間，反積分時間長度與被測電壓的大小成比例。如果利用單片機內部的計數器對ICL7135的時鐘脈沖計數，用“BUSY”作為計數器門控信號，控制計數器只能在BUSY為高電平時計數，將這段BUSY高電平時間內計數器的內容減去10000，其余數便等于被測電壓的數值。

圖4 “BUSY”輸出波形

3 溫度控制

本設計采用89S52為微控制芯片，從鍵盤設置得到溫度控制的數字量，然后經12位數模轉換器DAC7611并放大轉換成0～12V的模擬量控制加熱電阻絲的功率。選用89S52單片機的原因是它有較寬的工作頻率范圍：0～40MHZ；更寬的工作溫度范圍-40℃～+85℃；并且可通過串口（P3.0/ P3.1）直接下載用戶程序（8K程序3秒即可完成一片）。這樣選擇可以使本設計有更好的通用性，適應性，并有更大升級空間。而選用DAC7611的原因于用ICL7135相似，串行，占用I/O口較少；功耗低；性能也滿足要求。主要性能：12位串行數模轉（1/4096），最高可適應20MHz時鐘，低功耗（2.5mW）。具體的連接是：（2腳）與52單片機（P3.6）連接做片選信號 ；CLK（3 腳）與（P3.7）連接做時鐘信號；SDI（4腳）與 T1連接做串行信號輸入口；（5腳）與P1.2連接做下載選通信號；（6腳）與1（P3.3）連接做異步清零信號。這樣只用5個I/O口完成了DAC7611與單片機的連接。

4 外部接口電路

本設計的外部接口電路主要包括有4×4 矩陣式鍵盤和五位 LED數碼管。因為兩者都是常用電路，就不再贅述。

使用 4×4矩陣式鍵盤，實現設定溫度及有關參數的設置，具體包括有“0～9”數字鍵，“SET”鍵，“確定”鍵，參數建等 16個按鍵。

反應溫度可在 1000℃以上，測量精度在0.1℃，故設 5位共陽極 LED 數碼管。

5 結束語

本設計已投入使用，表現良好，在溫度控制過程中溫度測量與標準溫度計測的絕對誤差不超過 0.5℃；最大相對誤差為 0.6%。本設計已經達到了實際工作精度要求。在溫度測量及調節方面具有較高的實用價值和推廣價值，可以方便地用于其它的溫度測控對象。

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The design of the automatic powder packaging machine temperature control system

PEI You-zhu

book=54,ebook=8

TP273

A

1009-0134(2010)12(上)-0054-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.12(上).19

2010-08-02

裴有柱（1959 -），男，天津人，碩士研究生，研究方向為計算機應用。