一種基于鋁基板的加熱臺設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

目前市場上加熱臺多種多樣，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，對于電子愛好者來說需要能夠自己動手做一款低成本簡潔且心儀的加熱臺。本文設(shè)計(jì)的加熱臺具有多種功能，適合多種使用場合，臺面光滑整潔，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。

本文介紹的系統(tǒng)主要包括以下模塊：印刷鋁基板加熱臺、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，希爾伯特曲線長度計(jì)算公式為：

L：曲線總長度，N：曲線階數(shù)。D：單位長度，M：方形邊長度。

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^[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，主要由液晶顯示屏、控制驅(qū)動電路、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)動電路

加熱驅(qū)動電路選用的是下橋驅(qū)動，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底面，緊密貼合不易掉落。

2 顯示液晶屏位于加熱臺側(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3D結(jié)構(gòu)

5   系統(tǒng)實(shí)測效果

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)試測試，對加熱效果和長時(shí)間運(yùn)行測試，最后實(shí)際進(jìn)行回流焊接^[4]和加熱手機(jī)殼測試。實(shí)際測試表明，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，耐久測試良好。實(shí)際液晶顯示效果如圖8 所示：

圖8 實(shí)測效果圖

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的全新加熱臺，通過負(fù)反饋調(diào)節(jié)，臺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)，介紹了加熱臺的其中各個(gè)模塊，使得用戶能夠全面了解加熱臺的制作過程和步驟，給自己動手做提供了理論模型化指導(dǎo)，具有實(shí)用性價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年4月期）