手持SMT 元件料帶計數器設計

李楊

（南京江寧高等職業(yè)技術學校，江蘇南京，211100）

目前，SMT(Surface Mounted Technology)表面貼裝技術作為電子組裝行業(yè)中主流的技術與工藝，有著精度高、自動化程度高、一致性好的優(yōu)勢，在電子行業(yè)中發(fā)揮著重要的作用。SMT 元件也隨著材料與制造工藝的進步而不斷發(fā)展，SMT 元件小型化水平也在逐步提高。SMT 元件主要分為表面組裝元件SMC(Surface Mounted Components)、表面組裝器件SMD（Surface Mounted Devices)和機電元件三大類[1]。其中SMC 為無源器件，SMD 為有源器件。

SMT元件的準確計數對表面貼裝技術有著重要的意義，在SMT 電子組裝中發(fā)揮著重要作用。同樣，在散料的快速計數、分配環(huán)節(jié)中也需要對SMT 元件進行準確計數。比如元件售賣及領取環(huán)節(jié)中對貼片元件配單清點、學校實訓課程中元器件的領用及分發(fā)都有著較大的需求。本作品以低成本、高普及推廣性、便攜手持為設計要點，采用低成本、PCB 印制電路板組建傳感器機械結構的方式設計SMT 元件的計數傳感器，配合鋰電池充電電路、升降壓電路、開關機電路，完成手持SMT 元件計數器功能，針對SMT 貼片元件計數器的需求廣泛、成本較高、使用普及程度低的問題提出了相應的解決方案。

1 總體方案設計

該手持SMT 元件料帶計數器由檢測計數傳感器、0.91寸OLED 液晶屏、STC15W204AS 單片機核心主控模塊、按鍵模塊、鋰電池充電電路、升降壓電路、開關機電路等部分組成。系統總體設計框圖如圖1 所示。

采用0.91 寸OLED 顯示屏顯示的信息除計數值外，還包括供電方式顯示、供電電壓大小信息。檢測計數傳感器以料間距為4mm 的SMT 元件料帶的為計數對象，例如0805、0603 封裝的貼片阻容器件的料帶，可對其進行個數的統計。當料帶經過計數傳感器檢測通道時，顯示屏可自動累加通過的元件個數。裝置可手持使用，通過開關機按鍵進行對裝置的啟動和關閉，短按該按鍵開機，長按該按鍵為關機操作，關機后功耗為零。裝置采用單節(jié)18650 鋰電池供電，利用TP4054 充電電路對其充電，充電接口使用USB Type-C 形式。充電時自動將鋰電池供電轉為USB 充電口電源供電，以實現供電的自動切換功能。按鍵模塊采用獨立按鍵，可進行計數的歸零操作，方便進行重新計數。升降壓電路完成鋰電池及USB 充電口電源的電壓轉換，使其鋰電池3.7V 電壓及5V 充電電壓均轉換為3.3V 電壓，為裝置提供電源。

2 檢測計數傳感器電路設計

■2.1 檢測計數傳感器電路圖設計

圖2 為檢測計數傳感器電路圖[2]，其中采用兩個光電開關電路對料帶進行檢測。這里以其中一個光電開關電路進行說明。

圖2 檢測計數傳感器電路圖

為優(yōu)化電路減少元件使用數量并方便電平的處理和轉換，該電路采用與單片機一致的3.3V 電壓供電，因此該電路中比較器的選擇應滿足3.3V工作電壓的要求。運放LMV358 芯片的單電源供電范圍為+2.5V～+5.5V，符合工作電壓的要求，故這里將其作為比較器使用。電阻R1 與紅外接收二極管LED1 構成紅外接收電路部分，R3 與R4 構成電阻分壓電路，因為R3 與R4 電阻均為10kΩ，所以其運放的3 腳電壓作為比較器的比較電壓為2.5V。運放2 腳的電壓是根據紅外接收管LED 的接收情況來變化的，具體是在有一定紅外線接收時電壓值較小（遠小于2.5V)，在沒有紅外線接收或接收紅外線不足時電壓值較大（遠大于2.5V)。故而運放1 腳的電平根據比較器2 腳、3 腳兩個輸入端的電平比較情況，呈現高低電平的不同，具體為LED1 有紅外光線接收（無遮擋)時1 腳電平為高，LED1 無紅外光線接收（有遮擋)時1 腳電平為低，從而實現了光電開關的功能。在這里將其電路進行對SMT 料帶孔進行檢測，從而構成檢測計數傳感器電路。

根據 EIA-481-D 貼裝組件封裝標準，8mm 的料帶的定位孔直徑為1.5±0.1mm，定位孔間距根據料帶不同有2mm和4mm 兩種規(guī)格。此裝置以定位孔間距為4mm 的料帶進行計數檢測。圖3 為SMT 貼片元件8mm 料帶尺寸圖。

圖3 SMT 貼片元件8mm 料帶尺寸圖

■2.2 檢測計數傳感器結構設計

檢測計數傳感器使用需配合紅外發(fā)射模組，該模組的效果圖如圖4 所示，將電阻R1、R7 與紅外發(fā)光二極管LED1、LED2 放置在一個PCB 板上，作為一獨立模組進行裝配上主體電路板上使用。其中，圖4(a)為其頂層，采用直徑3mm、波長940nm 的紅外發(fā)射管特殊安裝形式，將其管腳進行兩次彎折并整形，發(fā)射頭緊貼板上兩個直徑為0.6mm、間距為3mm 的檢測孔，檢測孔A 和檢測孔B 如圖4(b)紅外發(fā)射模組底層所示。

圖4 檢測計數傳感器發(fā)射模組PCB效果圖

檢測計數傳感器電路設置在主電路板上，并采用2.54mm單排針進行與發(fā)射模組相連，構建其料帶檢測通道。該檢測通道的寬為8mm，高度為2.54mm，針對8mm 貼片元件料帶進行檢測。

3 便攜手持式硬件電路設計

■3.1 開關機電路及供電自動切換電路

該電路可實現USB 供電和電池供電的自動切換，當通過USB Type-C 口充電時自動切換到USB 供電方式，當沒有充電時，裝置采用電池供電方式。此外，通過獨立按鍵可進行開關機控制，當按鍵按下后P3.6 為高電平，Q3 三極管導通，Q2 的SI2301 場效應管柵極變?yōu)榈碗娖剑茏訉ǎ瑥亩鴮崿F開機，單片機正常工作，P1.5 置高電平。當按鍵按下并長按2S 后，P3.6 口檢測到1S 高電平后，延時通過P1.5 賦值低電平進行關機操作。

■ 3.2 供電電壓檢測電路

由于STC15W204 單片機內部沒有A/D 模數轉換器，為了測量供電電壓大小，這里采用單片機的內部比較器進行ADC 轉換，如圖6 所示，ADC 的原理是基于電荷平衡的計數式ADC。電壓從V_ad 輸入，通過R23 與C5 濾波，進入比較器P5.5 的正輸入端，經過比較器的比較，將結果輸出到P1.2，再通過R22 與C6 濾波后，送入到比較器P5.4的負輸入端，跟輸入電壓平衡。通過計數周期adc_duty 和比較結果高電平的計數值adc 在程序中的運算，最終得到ADC 的結果，根據R24、R25 電阻分壓可知：0.6*VBAT2=V_ad，經過數據處理轉換即可得到供電電壓值。

圖6 供電電壓檢測電路圖

根據R26、R27 電阻分壓可知，當VBUS 有5V 供電時，P3.7 口即可檢測到約為3.3V 高電平電壓，如果VBUS沒有電壓供給，P3.7 口為低電平，所以這里可以檢測USB Type-C 是否再充電，其結果通過OLED 液晶屏顯示。

■3.3 升降壓電路

圖7 升降壓電路原理圖

電路采用低壓降（LDO)線性穩(wěn)壓器TLV70033 將供電電壓轉換為3.3V 固定輸出，其具有出色的線路和負載瞬態(tài)性能。由于該電路可將2V～5.5V 的輸入電壓轉換為3.3V，所以USB Type-C 與18650 鋰電池供電均滿足要求。

4 SMT 元件料帶計數檢測程序設計

為了使該裝置計數更準確，設置了A、B 兩個檢測孔，該方式比單檢測孔脈沖計數更加準確，避免了進料計數時由于抖動造成的錯誤計數。這樣可以在進行料帶計數檢測時，根據料帶的進出料進行相應的數量加減，確保計數的準確性。

程序設計中需要根據A、B 兩個檢測點的電平變化情況判斷料帶是出料狀態(tài)還是進料狀態(tài)，出料狀態(tài)進行加計數，進料狀態(tài)進行減計數，所以在程序設計中需要進行出料和進料的判別。

在進出料過程中A、B 兩個檢測點的電平變化情況，分別對應單片機的IO 口P1.5 和P3.2 實時檢測，其電平變化情況如表1 所示。從表中可知，除進出料開始和結束外，A、B 兩個檢測點在每個計數周期電平變化都是固定的。在進料計數時，AB 電平周期性11-10-00-01-11-10-00-01；在出料計數時，AB 電平周期性信號為11-01-00-10-11-01-00-10[3]。

表1 進出料時不同階段檢測口電平狀態(tài)表

根據信號的變化規(guī)律，可根據AB 電平變化，檢測到11 和00 信號的中間的信號是10 為進料，相應計數值加一，是01 為出料，相應計數值減一。檢測的主體程序如下。

檢測部分程序設計：

整體流程圖如圖8 所示。

5 結語

手持SMT 元件料帶計數器采用了紅外光發(fā)射管與光敏接收二極管搭建的光電開關為主體檢測計數傳感器的實用計數裝置。該設計采用單節(jié)鋰電池供電，并有充電電路和升降壓電路，使裝置易于手持便攜使用。該裝置針對8mm 料寬的SMT 貼片元件料帶提出了可行有效準確的計數方案，可用于貼片元件的配單領用料環(huán)節(jié)，方便了對貼片元件數量的統計。