基于ARM的多功能綜合焊臺(tái)的研究與開發(fā)

盧志椿

【摘 要】焊臺(tái)是進(jìn)行電子產(chǎn)品研發(fā)、調(diào)試和維修時(shí)必不可少的工具，而焊臺(tái)的研發(fā)對(duì)產(chǎn)品的性能和穩(wěn)定性具有直接影響。目前，在使用焊臺(tái)時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)電烙鐵溫度不可控、熱風(fēng)槍拆裝貼片芯片時(shí)不方便、吸錫器堵塞和吸錫效果差等問題。為此，文章基于ARM展開多功能綜合焊臺(tái)的研究與開發(fā)，綜合焊臺(tái)由電烙鐵、熱風(fēng)槍、真空吸錫器組成，以ARM為主控芯片，能精準(zhǔn)控制電烙鐵溫度和設(shè)置熱風(fēng)槍的熱風(fēng)溫度與熱風(fēng)風(fēng)量，同時(shí)電烙鐵溫度、熱風(fēng)溫度和風(fēng)量均可通過按鍵設(shè)定且在OLED屏幕顯示出來。實(shí)驗(yàn)證明，文章設(shè)計(jì)的多功能綜合焊臺(tái)較傳統(tǒng)焊接技術(shù)，施焊效率提升1.2倍，適用于大批量電子焊接工藝。

【關(guān)鍵詞】ARM;多功能;焊臺(tái)

【中圖分類號(hào)】TP273 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2019）03-0111-03

1 研究和開發(fā)背景

在日常的電子產(chǎn)品開發(fā)、調(diào)試和焊裝過程中，焊臺(tái)是必不可少的工具。目前，在高校中的模擬電子技術(shù)等專業(yè)課程上，需用訓(xùn)練學(xué)生焊接電子元器件及按電路圖完成電子元件的焊接。然而學(xué)生使用的焊接工具主要是普通的電烙鐵，普通的電烙鐵是采用簡單的電熱絲加熱方式，普遍存在加熱速度慢、烙鐵溫度不可知且不可調(diào)等問題。在日常使用過程中，無法滿足快速、長時(shí)間焊接的需求，降低了焊接效率、增加了焊接時(shí)間，使電子元件更容易損壞，特別是在焊接多管腳的芯片時(shí)，這個(gè)問題更加突出，嚴(yán)重影響焊接成功率。

并且，在電子產(chǎn)品的安裝調(diào)試焊接過程中，存在需要將部分電子元器件拆除或更換的情況，通常會(huì)用到吸錫器，傳統(tǒng)吸錫器為手動(dòng)式，大多由鋁合金和塑料組成，長時(shí)間使用會(huì)造成吸錫器的吸頭高溫變形，手動(dòng)吸錫器也需要經(jīng)常清零錫渣，使用效果不理想。與此同時(shí)，隨著科技的進(jìn)步，大量的元器件以貼片的形式封裝，有些芯片焊盤則隱藏在芯片底部，拆裝更換電子元器件時(shí)，必須依賴熱風(fēng)槍，普通熱風(fēng)槍的吹風(fēng)溫度和風(fēng)量不易控制，經(jīng)常出現(xiàn)高溫?fù)p傷元器件的情況。

鑒于此，本文提出研究開發(fā)一種多功能焊臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電焊溫度及熱風(fēng)槍的出風(fēng)量和溫度的調(diào)節(jié)與監(jiān)控，提供友好的人機(jī)交互界面，可通過按鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)上述參數(shù)的調(diào)節(jié)，并且將溫度和風(fēng)量信息通過屏幕顯示出來。同時(shí)，焊臺(tái)配備電動(dòng)真空吸錫器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)直插元件管腳焊錫的高效率吸除。

2 多功能綜合焊臺(tái)的設(shè)計(jì)

本文對(duì)多功能焊臺(tái)的設(shè)計(jì)均從解決實(shí)際問題出發(fā)，抓住傳統(tǒng)焊臺(tái)的痛點(diǎn)問題，有針對(duì)性地進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)。

2.1 整體設(shè)計(jì)

進(jìn)行多功能綜合焊臺(tái)的整體設(shè)計(jì)，這是開展各項(xiàng)具體設(shè)計(jì)的第一步。本文先明確多功能綜合焊臺(tái)需要實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)功能：電烙鐵溫度可調(diào)節(jié);熱風(fēng)槍的出風(fēng)溫度和出風(fēng)風(fēng)量可調(diào)節(jié);電烙鐵溫度、熱風(fēng)槍出風(fēng)溫度和熱風(fēng)槍出風(fēng)風(fēng)量可以友好地顯示;配備電動(dòng)真空吸錫器。

為此，本文設(shè)計(jì)多功能綜合焊臺(tái)的硬件架構(gòu)（如圖1所示），之后將逐個(gè)開展各部分硬件電路及軟件程序的設(shè)計(jì)。

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.2.1 ARM最小系統(tǒng)

該多功能綜合焊臺(tái)以ARM為主控芯片，本文選用ARMCortex-M4F核心，芯片型號(hào)為M481，該芯片是NUVOTON公司推出的帶有DSP指令集的ARM微處理器，其主要特點(diǎn)是使用簡便、功耗低、高效能。

2.2.2 電烙鐵模塊

多功能焊臺(tái)要實(shí)現(xiàn)對(duì)電烙鐵溫度的控制和監(jiān)控，需要控制電烙鐵加熱管，并且能實(shí)時(shí)獲取電烙鐵的溫度。

首先，為了滿足電烙鐵快速溫升的需求，這里為電烙鐵配置80 W大功率的發(fā)熱管，當(dāng)焊臺(tái)的主控ARM判斷需要對(duì)烙鐵加熱時(shí)，則向外發(fā)送指令，即由ARM控制電烙鐵發(fā)熱管的啟動(dòng)和關(guān)閉。本文設(shè)計(jì)ARM連接三極管，三極管連接繼電器，繼電器連接發(fā)熱管，以此作為控制發(fā)熱管工作的開關(guān)。當(dāng)ARM判定電烙鐵溫度未達(dá)到要求，則控制發(fā)熱管啟動(dòng)加熱;當(dāng)判定電烙鐵溫度已達(dá)到要求，則控制發(fā)熱管關(guān)閉。

其次，在判定電烙鐵溫度是否達(dá)到要求時(shí)，需要準(zhǔn)確地獲取電烙鐵的溫度，因此必須設(shè)計(jì)電烙鐵溫度采集部分的電路。由于電烙鐵正常工作時(shí)的溫度一般在300 ℃以上，則常規(guī)的溫度傳感器或傳感芯片將不能適用，因此本文選擇熱電偶作為采集電烙鐵溫度的傳感元件。熱電偶可視作為能量轉(zhuǎn)換器件，即將熱能轉(zhuǎn)換成電能，其本身具有安裝簡單、使用便捷的特點(diǎn)，同時(shí)其測量溫度范圍寬、機(jī)械強(qiáng)度較高、熱反應(yīng)時(shí)間極短，精度高，可靠性和使用壽命也較為理想。此外，本文需要設(shè)計(jì)數(shù)模轉(zhuǎn)換的電路，將熱電偶輸出的電動(dòng)勢轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，傳送至ARM。本文選用TM7709作為數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，該芯片為單通道、24位的高精度ADC，數(shù)模轉(zhuǎn)換的結(jié)果可通過串行數(shù)據(jù)接口送至ARM，能夠滿足對(duì)電烙鐵測溫的需求。

2.2.3 熱風(fēng)槍模塊

焊臺(tái)設(shè)計(jì)需求中，提出了熱風(fēng)槍的出風(fēng)溫度和出風(fēng)風(fēng)量可調(diào)節(jié)的要求。熱風(fēng)槍吹出熱風(fēng)，需要加熱管和風(fēng)扇。本文為熱風(fēng)槍配備了650 W的加熱管，滿足熱風(fēng)槍極短時(shí)間內(nèi)溫升的需求。為了控制熱風(fēng)槍的出風(fēng)量，本文為熱風(fēng)槍配備了4個(gè)小型直流風(fēng)扇，ARM可通過三極管分別控制4個(gè)直流風(fēng)扇的開斷，以此實(shí)現(xiàn)多擋調(diào)節(jié)風(fēng)槍出風(fēng)量。

此外，同電烙鐵一樣，熱風(fēng)槍將出風(fēng)溫度維持在設(shè)置溫度一致，因此需要實(shí)時(shí)采集出風(fēng)溫度，控制加熱管是否工作，此部分電路原理與電烙鐵部分近似，這里不再贅述。

2.2.4 OLED顯示模塊

在電子開發(fā)人員實(shí)際使用焊臺(tái)的過程中，需要準(zhǔn)確清晰地獲知當(dāng)前電烙鐵的溫度、熱風(fēng)槍的出風(fēng)溫度和出風(fēng)量，本文選用OLED屏幕作為綜合焊臺(tái)的顯示部分，同時(shí)為了功能的清晰劃分，電烙鐵和熱風(fēng)槍的信息各用一塊OLED顯示屏。

OLED屏幕本身具有自發(fā)光、不需要背光源、高對(duì)比度、厚度小及超廣視角等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品的顯示機(jī)構(gòu)上。本文選用128×128高分辨率的OLED屏幕，可視角度在160°以上，亮度和對(duì)比度可以通過程序指令控制，可通過I2C總線的形式與ARM連接，以此達(dá)到控制顯示內(nèi)容的目的。

2.2.5 按鍵模塊

為了提供人工調(diào)節(jié)電烙鐵溫度、熱風(fēng)槍出風(fēng)溫度和出風(fēng)量的接口，本文為多功能焊臺(tái)設(shè)計(jì)按鍵控制電路。這里一共布置4個(gè)按鍵，其中2個(gè)為旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)EC11，功能分別為主機(jī)電源的開關(guān)機(jī)、電烙鐵溫度升高和降低的調(diào)整、熱風(fēng)槍的功能開關(guān)、熱風(fēng)溫度升高及溫度降低調(diào)整、熱分量加大及熱風(fēng)量減小的調(diào)節(jié)。

2.3 軟件程序設(shè)計(jì)

綜合焊臺(tái)的各種功能實(shí)現(xiàn)需要依賴于ARM根據(jù)程序設(shè)計(jì)來執(zhí)行，即通過軟件編程的形式實(shí)現(xiàn)，本軟件程序設(shè)計(jì)采用模塊化的方式。

2.3.1 電烙鐵溫度的控制

綜合焊臺(tái)需要維持電烙鐵溫度在設(shè)定溫度，因此需要采取PID閉環(huán)控制的方式。溫度控制的整體思路如圖2所示。

首先需要獲取電烙鐵的實(shí)時(shí)溫度，從ADC芯片獲取采樣值，然后通過與熱敏電阻的分度表進(jìn)行比對(duì)，將采集到的電動(dòng)勢大小轉(zhuǎn)換為溫度值，得到當(dāng)前電烙鐵的溫度T1。若T1低于設(shè)定溫度T 2，則開啟加熱管，使電烙鐵升溫，達(dá)到設(shè)定的溫度。

2.3.2 熱風(fēng)槍溫度和出風(fēng)量的控制

熱風(fēng)槍溫度的控制思路與電烙鐵溫度控制的思路相同，這里不贅述。出風(fēng)量的控制即根據(jù)設(shè)定的出風(fēng)擋，控制開通的風(fēng)扇，達(dá)到多擋控風(fēng)的目的。

2.3.3 按鍵掃描和OLED的顯示

按鍵掃描即不斷地掃描按鍵接口電路的電平狀態(tài)，以此獲知操作人員通過按鍵輸入的控制信息。OLED顯示溫度和風(fēng)量等重要信息，電烙鐵和熱風(fēng)槍的信息分屏顯示。為了保證操作簡潔方便且容錯(cuò)性強(qiáng)，本文設(shè)計(jì)對(duì)溫度的調(diào)節(jié)為5 ℃一擋，即按鍵一次，溫度增減5 ℃，溫度調(diào)節(jié)范圍為100～450 ℃，若超出溫度調(diào)節(jié)范圍則繼續(xù)按鍵，焊臺(tái)無響應(yīng)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

完成多功能焊臺(tái)的軟、硬件設(shè)計(jì)后，最終制成樣機(jī)5臺(tái)，在北海職業(yè)學(xué)院機(jī)電系的模擬電路和數(shù)字電路課上供學(xué)生使用，即對(duì)多功能焊臺(tái)的效果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，安排30名學(xué)生使用多功能焊臺(tái)，安排另外30名學(xué)生使用普通焊接設(shè)備，即普通電烙鐵、熱風(fēng)槍和普通吸錫器，均完成相同工作量的開發(fā)任務(wù)，對(duì)使用效果進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行量化后的結(jié)果見表1。

由表1可見，相比普通的焊接設(shè)備，多功能焊臺(tái)在焊接時(shí)間、成品率和美觀程度上均占有優(yōu)勢，其綜合施焊效率為普通焊接設(shè)備的1.28倍。

4 結(jié)語

本文從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，抓住電子設(shè)計(jì)開發(fā)過程中焊接設(shè)備存在的痛點(diǎn)問題，研究開發(fā)了基于ARM的多功能綜合焊臺(tái)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)電烙鐵溫度、熱風(fēng)槍溫度和出風(fēng)量的精準(zhǔn)控制，配備真空吸錫器，同時(shí)也將焊臺(tái)信息友好地展示給開發(fā)者。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，能有效提高施焊效率1.2倍以上，是高校實(shí)驗(yàn)課程開設(shè)和電子設(shè)計(jì)開發(fā)人員的好幫手，具有顯著的實(shí)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

參 考 文 獻(xiàn)

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[責(zé)任編輯：陳澤琦]