基于LabVIEW的電磁波峰焊測溫系統

聶 朋 張夢陽 麻永林 邢淑清

(內蒙古科技大學材料與冶金學院)

基于LabVIEW的電磁波峰焊測溫系統

聶 朋 張夢陽 麻永林 邢淑清

(內蒙古科技大學材料與冶金學院)

在電磁波峰焊接過程中波峰焊錫爐的溫度對焊接質量影響很大，焊接之前必須進行溫度測量。采用熱電偶、MAX6675模塊、Arduino控制器和計算機組成的溫度測控系統對電磁波峰焊焊料的溫度進行實時監控測量，并結合LabVIEW將溫度數據和溫度變化曲線形象地展示出來，從而及時反饋溫度變化數據，提高焊接質量。實驗結果表明：測量所得的溫度數據與預期值吻合。

溫度檢測 波峰焊錫爐溫度 MAX6675模塊 Arduino控制器 LabVIEW

隨著科技的發展，焊接電路和集成電路應用越來越廣泛，需求越來越大。由于印刷電路板(PCB)在電子產品中的不可替代性和必要性決定了它在下游領域應用的廣闊空間，因此更多的電子元器件的焊接，尤其大規模集成電路的使用，推動了電磁波峰焊的發展，從傳統的機械泵發展到了目前的三相感應電磁泵。焊接質量與效率也有很大提高。很多電路板對電磁波峰焊的焊接質量要求很高，尤其是一些高端智能產品的電路板與軍工產品對焊接質量要求更高。雖然影響焊件的因素很多，但主要因素仍然是錫液溫度。傳統的溫度檢測方法主要是通過溫度計或測溫儀直接測量，需要工作人員直接參與現場測量，因而存在諸如儀器操作或讀數時很容易產生誤差，對于一些環境惡劣或對人體有害的場所就不太適合工作人員直接進行溫度檢測。

溫度自動檢測已經成為各行各業進行安全生產所采用的必要措施[1]，目前也有一些將LabVIEW與NI公司生產的數據采集卡相結合進行溫度采集[2]的實例，但是成本較高。波峰焊在對焊件進行焊接時對溫度要求比較精確，溫度變化對焊件質量影響很大，為此將Arduino控制器與熱電偶組合，實現數據采集卡的功能，基于LabVIEW的電磁波峰焊測溫系統主要對電磁波峰焊錫液的融化溫度進行監測，在焊接時對溫度進行實時監控。LabVIEW可以根據測量數據生成隨時間變化的溫度曲線，將測量結果直接形象地展現出來[3]，尤其在一些不適合工作人員直接進行測量的環境進行溫度測量，使用起來比較方便。還可以通過設置進行人機界面操作，與傳統測量相比有很大優勢。而熱電偶作為測溫元件，結構簡單且測溫精度高[4]，測量溫度范圍在-200～1 600 ℃，滿足大部分工業生產要求，并且價格便宜，因此可廣泛應用到工業測量中。

1 測溫系統整體組成

如圖1所示，基于LabVIEW的電磁波峰焊測溫系統通過熱電偶對電磁波峰焊焊料錫液的溫度進行測量，并將測量的數據傳輸給MAX6675模塊，Arduino控制器通過USB與計算機進行串口通信[5]，Arduino控制器讀取上位機LabVIEW發送的熱電偶溫度采集命令，并讀取MAX6675模塊中的溫度數據，通過串口發給上位機軟件LabVIEW。LabVIEW用自帶的數據分析模塊對相關測量數據進行分析處理，將溫度隨時間變化的曲線實時顯示出來。

圖1 溫度測量系統框圖

2 硬件結構

測溫系統的硬件電路主要包括溫度測量、數據采集及數據處理等。溫度測量主要通過熱電偶完成，將它放在電磁波峰焊焊料中進行溫度數據測量。而數據采集部分是通過Arduino程序讀取MAX6675中的溫度數據來實現的，然后通過上位機對采集數據進行處理。

2.1 溫度傳感器

熱電偶在進行溫度測量時，輸出的熱電勢不僅與測量端的溫度有關，而且與冷端的溫度有關。閉合回路的總電勢如圖2所示。

圖2 閉合回路總電勢

通過圖2所示的閉合回路可以求出閉合回路的總電勢EAB(t，t0)，即：

EAB(t,t0)=EAB(t)+EB(t,t0)-EAB(t0)-EA(t,t0)

=EAB(t)-EAB(t0)

熱電偶冷端暴露于空間，受環境溫度影響，因熱電極長度有限，冷端會受到被測溫度變化的影響。因此采用硬件對冷端進行溫度補償，但是使用硬件電路進行冷端補償時，雖然測量精度有一定的改善，但由于熱電偶使用環境的不同，效果并不明顯。采用MAX6675對其內部元器件進行激光修正，從而對熱電偶的非線性進行內部修正。MAX6675內部集成冷端補償電路、非線性校正電流等(圖3)，從而給熱電偶的使用帶來方便。MAX6675溫度分辨率達0.25℃，冷端補償的溫度范圍-20～80℃ ，基本上滿足實驗需要。使用時將熱電偶的“+”極接模塊T+ ，“-”極接模塊T- ；SO、CS、SCK 分別接Arduino對應的I/O 端口；檢查確認上述接線正確后，將VCC、GND 分別接上+5V(DC)、GND。

圖3 MAX6675原理

2.2 控制器Arduino

本設計選用Arduino mega 2560型控制器，它是以ATmega2560為核心的微控制器開發板，本身具有54組數字I/O端(其中的14組可以作為PWM輸出)，16組模擬比輸入端，4組UART(hardware serial ports)，使用16 MHz crystal oscillator。由于具有bootloader，因此能夠通過USB直接下載程序而不需經過其他外部燒寫器。供電部分可選擇由USB直接提供電源[6]，或者使用AC-to-DC adapter和電池作為外部供電。

3 軟件部分

軟件部分主要包括兩部分，一部分是通過Arduino進行溫度采集的程序編寫；另一部分是上位機LabVIEW[7，8]程序的編寫，包括LabVIEW前面板與程序框圖的編寫。然后將Arduino與LabVIEW通過串口進行通信。Arduino程序主要進行溫度傳感器的數據讀取，然后將數據傳給上位機。在進行LabVIEW程序設計時主要考慮到串口連接問題，首先進行控制器的固件下載，這樣可以將編寫好的程序下載到控制器中；另外還要下載VI Package Manager，在里面添加相應的控制器，安裝完成之后就可以在LabVIEW程序中添加對應的端口號，實現二者之間的通信了。

3.1 Arduino溫度采集程序

Arduino溫度采集系統的軟件流程如圖4所示。

首先進行串口初始化，不斷檢測串口是否有數據，若無數據則繼續檢測；若有數據則接收溫度數據，并判斷命令是否有效，若無效則舍去，若有效則發送到上位機。

3.2 LabVIEW程序

LabVIEW前面板分別有配置數值控件、波形控件[9]，其中數值控件用來顯示具體的溫度數值，波形控件用來顯示溫度變化曲線，采用While循環實現了溫度數據的連續采集[10，11]，并利用定時器控制數據采集的頻率。

圖4 數據采集流程

3.3 程序調試

在完成相應的設計之后，需要對程序進行調試與驗證，檢查程序的穩定性與準確性。本實驗主要研究電磁波峰焊的溫度檢測，所以在實驗室首先將錫塊加熱熔化，連接好接線，然后進行溫度檢測，圖5為檢測溫度的界面截圖。

圖5 測量界面

實驗測量發現，溫度測量值基本與熱電偶測量的溫度數據相吻合。雖然有些波動，基本都在允許范圍之內，實現了溫度數據的動態監測[12]。而且溫度計顯示的溫度值與LabVIEW中的波形一致。

4 結束語

基于LabVIEW的電磁波峰焊測溫系統可以方便高效地對數據進行處理，可以很好地進行人機界面的交換，在工業生產中與傳統的溫度測量相比，顯現出更強的智能化。設計中，虛擬儀器與測量硬件的結合，減少了開發時間。本設計中的測溫系統可以準確安全地進行溫度測量，同時也可以應用于一些危險的環境中進行溫度測量。

[1] 肖正,艾紅.多點溫度檢測系統及其實時時間功能的實現[J].化工自動化及儀表,2015,42(3):303～306.

[2] 孟亮, 郭秀媛, 崔新強,等. 基于LabVIEW的熱電偶溫控系統[J]. 自動化儀表,2014,35(1):33～35.

[3] 王國華, 矯振偉, 黃海珍,等. LabVIEW軟件在熱分析實驗中的應用[J]. 實驗技術與管理,2007,24(11):74～76.

[4] 張憲.傳感器與測控電路[M].北京:化學工業出版社,2011:48～50.

[5] 李長林.Visual C++串口通信技術與典型實例[M].北京:清華大學出版社,2006:299～312.

[6] Gordon McComb，著，唐樂，譯.Arduino機器人制作指南[M].北京:科學出版社,2014:10～11.

[7] 阮奇楨.我和LabVIEW[M].北京:北京航空航天大學出版社,2014:371～377.

[8] Wang R,Zhang Z J,Zhao C Y,et al.Research on Thermocouple Transient Thermometry Technology Based on LabVIEW[J].Journal of Measurement Science and Instrumentation,2015,6(2):111～115.

[9] 豈興明,田京京,朱洪岐.LabVIEW入門與實戰開發100例[M].北京:電子工業出版社,2014:380～385.

[10] 林輝,郭艷珠.基于LabVIEW的測溫系統設計[J].電子設計工程,2010,18(8):79～81.

[11] 左明武, 盧孔漢,朱郭豪,等.基于LabVIEW的虛擬溫度測控系統設計[J].機電工程技術,2015,44(12):35～37.

[12] 李亞軍,尤文卿,呂瑞典,等.基于實時數據庫的換熱器實時監測管理系統[J].化工機械,2011,38(4):475～476.

WeldingTemperatureMeasurementSystemBasedonLabVIEW

NIE Peng, ZHANG Meng-yang, MA Yong-lin, XING Shu-qing

(SchoolofMaterialsandMetallurgy,InnerMongoliaUniversityofScienceandTechnology)

Wave solder pot temperature has a significant impact on welding quality in electromagnetic wave soldering process. The temperature measurement becomes necessary before the welding operation. Having the thermocouple, MAX6675 module, Arduino controller and the computer based to build a temperature measurement system for the real-time monitoring of the solder temperature in the electromagnetic wave-soldering operation was implemented, and then through combining with LabVIEW, both temperature data and its variation curves can be shown to reflect temperature variation in time and to improve the welding quality. The experimental results show that, the temperature data measured coincides with desired values.

temperature measurement, wave solder pot temperature, MAX6675 mode, Arduino controller, LabVIEW

TH811

A

1000-3932(2017)01-0062-04

內蒙古科技大學產學研合作培育基金項目(PY-201004)。

聶朋(1988-)，碩士研究生，從事傳感器方面的研究。

聯 系 人：麻永林(1962-)，教授，從事電磁冶金方面的研究，724555691@qq.com。

2016-03-22，

2016-04-26)

(Continued from Page 68)

trol in temperature’s main loop can eradicate large overshoot, time-delay and lagging in conventional temperature control system and any trouble incurred by many unmeasured disturbances can be avoided.

Keywordscatalyst temperature control system, DMC-PID cascade control, simulation analysis, Matlab