一種基于鋁基板的加熱臺設計與實現

聶士昂 葛繼成 趙彩云 肖小兵 翟勝娜

摘要：本項目設計了一種以印刷鋁基板為加熱平臺，STC12C5A60S2為單片機控制芯片，采用直流24 V電壓供電，設計MOS管功率驅動電路，利用溫度傳感器獲取到加熱平臺的溫度，根據用戶設定的加熱模式及溫度采用PI D算法調節加熱曲線，形成閉環控制，以達到加熱平臺恒溫的目的。最后實驗結果表明，所設計的整套系統，具有低成本，靈敏度高，適合發燒友玩家DIY的一款產品，具有較高的使用和推廣價值。

關鍵詞：加熱臺;鋁基板;STC12C5A60S2;單片機;PID算法;功率管

目前市場上加熱臺多種多樣，功能方面不能達到使用者的預期，且板面材質粗糙易臟，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。本文設計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，加熱拆卸手機殼等，最高溫度可達250°C 并保持，加上智能溫度控制系統和多種模式切換，外觀新穎設計合理，可成為電子愛好者必備的開發工具。

本文介紹的系統主要包括以下模塊：印刷鋁基板加熱臺、單片機主控制板、溫度采集系統、液晶LCD顯示模塊、按鍵輸入模塊、外觀結構設計等。單片機控制板是整個系統的核心大腦，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，顯示模塊顯示當前加熱臺溫度及運行模式，結構外觀設計合理便于使用。

1總體方案設計

本設計的總體目標是單片機采集用戶輸入的按鍵信息和溫度信息，進行整合后采用PID算法同控制輸出 PWM波驅動MOS管[2]，印刷鋁基板上均勻分布著覆銅走線，根據歐姆定律可知，電流流過導線可以產生熱量，進而實現平面加熱，由于存在溫度采集模塊，整個系統處于閉環狀態，達到溫度能夠精確控制的目的。整個方案如下：

系統上電后首先讀取內部FLASH數據，判斷當前運行的模式及設定的溫度，然后通過讀取IO 口采集按鍵信息，設定目標溫度及運行模式，通過ADC模數轉換獲取加熱臺溫度數據，將目標溫度和實際溫度通過 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，達到閉環控制目的。各個模塊之間關系如圖1所示。

2系統硬件設計

系統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，—般來說單面板由三層結構組成，依次為銅箔層、絕緣層和金屬鋁層，高端的也有單面雙層板，結構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。本設計采用的是單層單面鋁基板，采用其良好的散熱性能，故可以達到熱面均衡的目的[3]。

要達到散熱均衡，導線都是有電阻的，根據歐姆定律，要求銅箔層布線均衡，所以布線本設計采用希爾伯特曲線。

本文預估設計功率為200 W左右，電壓為24 V直流電，根據公式

戶：功率，U：電壓，正：電阻

可計算岀所需銅箔電阻為2.88 Q。根據PCB走線電阻公式

R：電阻，：p銅電阻率，Z：走線長度，W：走線寬度，。：銅箔厚度

在走線寬度和銅箔厚度確定的前提下可計算岀所需走線的長度L。

希爾伯特曲線是一種能夠填充滿一個平面正方形的分形曲線（空間填充曲線），由大衛.希爾伯特在1891年提岀，希爾伯特曲線長度計算公式為：

L：曲線總長度，N：曲線階數。D：單位長度，M：方形邊長度

希爾伯特曲線如圖2所示：

選擇合適銅箔走線寬度和厚度以及希爾伯特曲線階數，當然階數越高導線分布越均衡，根據PCB電阻公式和希爾伯特曲線長度公式可計算出所需的布線參考值，當然這是理論值，實際情況還會受到PCB加工誤差、90°拐角計算誤差等因素影響。

本文設計的鋁基板PCB電路如圖3所示：

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[5]，是國內宏晶科技生產的單時鐘周期1T的單片機，它是新一代8051單片機，低成本，指令兼容傳統的8051，速度提升8-12倍，內部集成2路PWM，8路高速10位AD 轉換，轉換速度250 K/S，具有可編程數據的更新方式，60 KB FLASGH內存，1280字節片內RAM，具有低成本高性能的優勢[7]，適用于本文系統低成本控制思路。如圖4所示為主控芯片最小系統：

2.2.2程序下載電路

單片機硬件實現了 ISP和IAP在線可編程系統，可以通過串口燒寫程序，本電路是通過CH340G芯片實現 USB電平轉UART，串口電平連接單片機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燒寫程序，電路圖如圖5所示：

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，能夠顯示字母數字以及符號，主要由液晶顯示屏、控制驅動電路、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P0.5-P0.7引腳上，8 bit數據接口分別接在P2.0-P2.7引腳上。

2.2.4加熱驅動電路

加熱驅動電路選用的是下橋驅動，選用N溝道的 MOS，MOS管打開即可開始加熱，因為本文設計功率為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導通電阻的MOS管并聯的方式，以達到安全使用的目的，采用一顆S8050三極管驅動三個MOS管柵極，起增加帶載能力和隔離保護的作用。

2.2.5按鍵模塊

本文設計的按鍵一共四個，作用分別是模式選擇按鍵，待機開機按鍵，溫度加按鍵，溫度減按鍵，電路上設計上拉電阻，低電平觸發有效。

2.2.6溫度傳感器模塊

溫度傳感器模塊采用的是MAX6675芯片，是一個嵌入12 bit模數轉換器復雜的熱電偶數字轉換器，該芯片包含了冷端補償和校正電路、一個數字控制器、SPI 兼容接口和與之相關的控制邏輯回。

3系統軟件設計

本文設計的系統選用的是KEIL C51平臺編程軟件[1]，采用STC專有的下載軟件燒寫程序，軟件系統整體采用模塊設計，便于維護和瀏覽，系統主要由初始化子程序、讀寫內部FLASH子程序、開環加熱和閉環加熱子程序、液晶顯示程序和按鍵采集子程序構成。

系統運行有兩種模式，可由模式按鍵進行選擇，模式一：閉環控制，由用戶設定目標溫度，設定完之后存儲于內部FLASH，防止掉電丟失數據，溫度在閉環控制下能夠精確控制，達到恒溫效果;模式二：開環控制，按鍵設定溫度無效，加熱臺自行工作。

系統軟件流程圖如圖6所示：

4系統結構設計

系統結構設計本著簡單耐用好看角度出發，采用分

層模塊化設計，3D圖如圖7所示：

1鋁基板加熱臺置于頂層，固定方式采用兩個陶瓷螺絲和兩個支撐螺絲，考慮到固定絕緣的問題，所以采用內六角沉頭陶瓷螺絲，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。溫度傳感器固定于加熱臺底面，可采用韌性好、強度高、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面，便于觀察溫度和運行模式，其四周安裝有四個按鍵，便于用戶按鍵輸入信息，調節溫度和模式的切換。

5系統實測效果

完成了硬件焊接、軟件編寫和結構搭建的工作后，開始上電調試測試，對加熱效果和長時間運行測試，最后實際進行回流焊接[4]和加熱手機殼測試。實際測試表明，功能設計合理，整體設計達到預期目的，加熱升溫迅速，恒溫保持穩定，耐久測試良好。實際液晶顯示效果如圖8所示：

6結束語

本文充分利用了高精度溫度傳感器技術、集成電路單片機技術、以及嵌入式技術，設計了一款低成本以鋁基板為平臺的全新加熱臺，通過負反饋調節，臺面溫度可高效精確控制。

本文從硬件、軟件和結構安裝角度細致講解出發，介紹了加熱臺的其中各個模塊，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，具有實用性價值。

參考文獻：

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[4]徐智.高精度加熱平臺的研制[D].武漢：華中科技大學.2009.

[5]宋鳳娟，付侃，薛雅麗.STC12C5A60S2單片機高速A/D轉換方法[J].煤礦機械.2020，31（06）.

[6]王冠龍，崔靚，朱學軍.基于數字PID算法的溫度控制系統設計[J].傳感器與微系統.2019，31（1）.

[7]倪丹艷.基于S TC89C52單片機的溫濕度環境監測系統設計與實現[J].產業科技創新.2020.2（19）;43-44.

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