全自動(dòng)粉末封裝機(jī)溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

裴有柱

（天津電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300312）

全自動(dòng)粉末封裝機(jī)溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

裴有柱

（天津電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300312）

從提高粉末封裝機(jī)溫度控制與檢測精度的角度介紹89S52單片機(jī)溫制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。選用普通高效的熱電阻測量電路和性價(jià)比高的芯片，節(jié)約了設(shè)計(jì)的成本和硬件的消耗，并保障了對(duì)烤箱溫度的有效控制，使其具有精度高、價(jià)格低，簡單靈活等優(yōu)點(diǎn)。該設(shè)計(jì)實(shí)際工作表現(xiàn)良好，有很好的應(yīng)用前景。

89S52單片機(jī)；溫度檢測；溫度控制；接口電路

0 引言

全自動(dòng)粉末封裝機(jī)是一種能均勻地把粉體經(jīng)加熱手段封裝于電子部件上的設(shè)備，由于封裝后外形美觀，均勻光滑，立體感強(qiáng)，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(shè)備及計(jì)算機(jī)設(shè)備等機(jī)電產(chǎn)品的需要。

在整個(gè)電子部件封裝過程中，對(duì)溫度進(jìn)行有效地控制是一項(xiàng)非常重要的工作，利用單片機(jī)對(duì)烤箱的溫度進(jìn)行控制，具有精度高、價(jià)格低，簡單靈活等優(yōu)點(diǎn)，能很好地滿足粉末封裝工藝的要求。本文將著重從溫度調(diào)控的角度介紹單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的原理與方法。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)溫度控制系統(tǒng)由溫度檢測模塊，溫度控制模塊，鍵盤設(shè)置（單片機(jī)與外部接口電路）模塊，LED顯示(單片機(jī)與外圍設(shè)備)模塊等部分組成（不包括烤箱）。單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 溫度控制系統(tǒng)框圖

2 溫度檢測

準(zhǔn)確監(jiān)測烤箱內(nèi)的溫度是實(shí)現(xiàn)高精度溫度控制和粉末封裝的前提，故準(zhǔn)確的檢測是做好溫度控制的第一步，也是硬件設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的一步。為了將變化的溫度值轉(zhuǎn)化為變化的電壓信號(hào)，以熱電阻作為檢測元件（熱電阻和熱電偶是工業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)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(wěn)定性、抗干擾能力等諸多方面均優(yōu)于熱電偶，因此選用之），根據(jù)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(hào)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(zhuǎn)變成為0～5V電壓信號(hào)。而變送以后生成的電壓也不是一個(gè)可為單片機(jī)進(jìn)行控制的數(shù)字量，所以必須進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)化，模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的位數(shù)，轉(zhuǎn)換速率則應(yīng)根據(jù)實(shí)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(shè)計(jì)合理實(shí)用的變送器（溫度檢測放大電路）；2）增加模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。

2.1 溫度檢測放大電路

準(zhǔn)確的檢測和合理的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路是實(shí)現(xiàn)高精度溫度控制的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)中利用由熱電阻溫度傳感器構(gòu)成的電橋，先將溫度轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，然后將溫度采樣值與溫度設(shè)定值的差值放大，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送至89S52，溫度信號(hào)測量電路的組成如圖2所示。

當(dāng)溫度變化時(shí)，鉑電阻阻值隨溫度變化而變化，為了測出某一時(shí)刻的溫度值，可把電阻阻值的變化轉(zhuǎn)化成電壓的變化。設(shè)計(jì)中采用了平衡電橋法，如圖2所示。Pt100作為電橋的一個(gè)橋臂，R1、R2、R3三個(gè)電阻構(gòu)成其他三個(gè)橋臂。在0℃時(shí)，電橋給出電壓為0，溫度升高或降低時(shí)，Pt100阻值增加或減小，電橋平衡狀態(tài)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(hào)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(diào)和溫漂對(duì)溫度信號(hào)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(yīng)的外圍電路構(gòu)成差分放大電路，它具有高輸入阻抗，低輸出阻抗，強(qiáng)抗共模干擾能力，低溫漂，低失調(diào)電壓和高增益等特點(diǎn)。R10和C1構(gòu)成積分電路，用來增加系統(tǒng)的慣性，對(duì)信號(hào)起阻尼作用。當(dāng)取R6=R7= R8= R9，R 4= R5時(shí)，差分放大器的電壓增益為：

通過適當(dāng)調(diào)整電阻RW就可以獲得較理想的電壓增益，再將經(jīng)過處理的溫度傳感器感測到的電信號(hào)UT放大后，送入下一級(jí)的差值放大電路的負(fù)相端。系統(tǒng)的爐溫工藝曲線經(jīng)分段換算后轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電壓數(shù)據(jù)DTS，再經(jīng)過進(jìn)制轉(zhuǎn)換后以表格的形式存入E2PROM中。當(dāng)系統(tǒng)投入運(yùn)行后，為了實(shí)現(xiàn)誤差測量，單片機(jī)依據(jù)時(shí)鐘定時(shí)器，按一定的時(shí)間間隔將數(shù)據(jù)通過總線傳至DAC0832與A4構(gòu)成D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后的模擬電壓UTS，送入由A5、R11、R12、R13和R14構(gòu)成的差值檢測放大電路的正相端，與經(jīng)過轉(zhuǎn)換的采樣電壓值UT作差，得到的差值放大后送入A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135。

C1和R10構(gòu)成積分電路，以增加系統(tǒng)的慣性，對(duì)變化較快的信號(hào)起阻尼作用。

2.2 增加模數(shù)轉(zhuǎn)換器件位數(shù)

為了能達(dá)到最好的性價(jià)比與控制結(jié)果，本設(shè)計(jì)采用價(jià)格低廉的雙斜積分式4位半單片A/D轉(zhuǎn)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(wù)。利用7135的“BUSY”端，只需占用單片機(jī)89S52 的一個(gè)I/O口和內(nèi)部的一個(gè)定時(shí)器， 就可以在十幾微秒的中斷服務(wù)程序中把ICL7135的A/D 轉(zhuǎn)換值送入單片機(jī)89S52內(nèi)。

ICL7135為28腳DIP封裝。為了節(jié)約89S52的I/O端口，使用ICL7135的串行工作模式，只用兩個(gè)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(jìn)行四分頻，得到500KHz的時(shí)鐘，作為頻率發(fā)生器，與ICL7135的CLK（22腳）相連；利用ICL7135的“BUSY”輸出信號(hào)（21腳）與單片機(jī)89S52的INT0(12腳)相連，計(jì)數(shù)"BUSY"高電平的周期數(shù)。

其工作原理如下：ICL7135是以雙積分方式進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的電路。每個(gè)轉(zhuǎn)換周期分為三個(gè)階段：1）自校零階段；2）被測電壓積分階段；3）對(duì)基準(zhǔn)電壓進(jìn)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(shí)間之和。ICL7135內(nèi)部規(guī)定積分時(shí)間固定為10000個(gè)時(shí)鐘脈沖時(shí)間，反積分時(shí)間長度與被測電壓的大小成比例。如果利用單片機(jī)內(nèi)部的計(jì)數(shù)器對(duì)ICL7135的時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，用“BUSY”作為計(jì)數(shù)器門控信號(hào)，控制計(jì)數(shù)器只能在BUSY為高電平時(shí)計(jì)數(shù)，將這段BUSY高電平時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)器的內(nèi)容減去10000，其余數(shù)便等于被測電壓的數(shù)值。

圖4 “BUSY”輸出波形

3 溫度控制

本設(shè)計(jì)采用89S52為微控制芯片，從鍵盤設(shè)置得到溫度控制的數(shù)字量，然后經(jīng)12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC7611并放大轉(zhuǎn)換成0～12V的模擬量控制加熱電阻絲的功率。選用89S52單片機(jī)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(shè)計(jì)有更好的通用性，適應(yīng)性，并有更大升級(jí)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(shù)模轉(zhuǎn)（1/4096），最高可適應(yīng)20MHz時(shí)鐘，低功耗（2.5mW）。具體的連接是：（2腳）與52單片機(jī)（P3.6）連接做片選信號(hào) ；CLK（3 腳）與（P3.7）連接做時(shí)鐘信號(hào)；SDI（4腳）與 T1連接做串行信號(hào)輸入口；（5腳）與P1.2連接做下載選通信號(hào)；（6腳）與1（P3.3）連接做異步清零信號(hào)。這樣只用5個(gè)I/O口完成了DAC7611與單片機(jī)的連接。

4 外部接口電路

本設(shè)計(jì)的外部接口電路主要包括有4×4 矩陣式鍵盤和五位 LED數(shù)碼管。因?yàn)閮烧叨际浅Ｓ秒娐罚筒辉儋樖觥?/p>

使用 4×4矩陣式鍵盤，實(shí)現(xiàn)設(shè)定溫度及有關(guān)參數(shù)的設(shè)置，具體包括有“0～9”數(shù)字鍵，“SET”鍵，“確定”鍵，參數(shù)建等 16個(gè)按鍵。

反應(yīng)溫度可在 1000℃以上，測量精度在0.1℃，故設(shè) 5位共陽極 LED 數(shù)碼管。

5 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)已投入使用，表現(xiàn)良好，在溫度控制過程中溫度測量與標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)測的絕對(duì)誤差不超過 0.5℃；最大相對(duì)誤差為 0.6%。本設(shè)計(jì)已經(jīng)達(dá)到了實(shí)際工作精度要求。在溫度測量及調(diào)節(jié)方面具有較高的實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值，可以方便地用于其它的溫度測控對(duì)象。

[1]鄭建國.一種高精度的鉑電阻溫度測量方案[J].自動(dòng)化儀表,2007,18(8).

[2]趙學(xué)增.檢測與傳感技術(shù)[M].哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1998.

[3]楊振江.智能儀器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中新器件及應(yīng)用[M].西安電子科技大學(xué)出版社,2001.

[4]王延平.計(jì)算機(jī)高精度測溫系統(tǒng)研究與開發(fā)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2006,6.

[5]于海生.計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

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?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用。