梁 璐謝華燕.蘭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與信息工程系 2.西安電子科技大學(xué)雷達(dá)信號(hào)處理國(guó)防科學(xué)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

基于單片機(jī)控制的小型回流焊接爐設(shè)計(jì)

梁 璐1，2謝華燕1
1.蘭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與信息工程系 2.西安電子科技大學(xué)雷達(dá)信號(hào)處理國(guó)防科學(xué)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

伴隨著表面組裝技術(shù)（SMT，Surface Mount Technology）的成熟和電子裝聯(lián)技術(shù)新的發(fā)展高潮的到來(lái)，回流焊工藝成為表面組裝技術(shù)焊接質(zhì)量?jī)?yōu)劣的主因。本文結(jié)合實(shí)際回流焊接時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)溫度曲線的控制要求，通過(guò)設(shè)計(jì)小型回流焊爐保證回流焊接溫度上升的速度和溫度值的穩(wěn)定度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)回流焊工藝的實(shí)時(shí)有效控制，從而有效解決了SMT回流焊產(chǎn)品質(zhì)量缺陷問(wèn)題。

表面組裝技術(shù)；回流焊；單片機(jī)；溫度曲線

0　引言

隨著電子產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，高集成度、高可靠性已經(jīng)成為行業(yè)的新潮流。在這種趨勢(shì)的推動(dòng)下， SMT（表面貼裝技術(shù)）得到了進(jìn)一步的推廣和發(fā)展。如今電子行業(yè)的公司在生產(chǎn)和研發(fā)中已經(jīng)大量的應(yīng)用了SMT工藝和表面貼裝元器件（SMC/SMD）。因此，焊接過(guò)程也就無(wú)法避免的大量的使用回流焊機(jī)（reflow soldering）。回流焊作為表面貼裝工藝生產(chǎn)的一個(gè)主要設(shè)備，它的正確使用無(wú)疑進(jìn)一步確保了焊接質(zhì)量和產(chǎn)品質(zhì)量。設(shè)計(jì)小型回流焊爐可在實(shí)驗(yàn)室等小批量表面組裝焊接時(shí)，節(jié)省成本，縮短生產(chǎn)周期。通過(guò)電路，機(jī)械結(jié)構(gòu)，控制方式的特殊設(shè)計(jì)，仍然可以保證良好的焊接溫度曲線，滿足回流焊接溫度上升的速度和溫度值的穩(wěn)定度，實(shí)現(xiàn)回流焊工藝的實(shí)時(shí)有效控制，從而有效解決了SMT回流焊產(chǎn)品質(zhì)量缺陷問(wèn)題。

1　設(shè)計(jì)原理

回流焊又稱為再流焊，是通過(guò)重新熔化預(yù)先分配到印制板焊盤上的膏狀軟纖焊料，實(shí)現(xiàn)表面組裝元器件焊端或引腳與印制板焊盤之間機(jī)械與電氣連接的軟釬焊?；亓骱附釉诠に嚿弦獫M足如下要求：

1.1要設(shè)置合理的回流焊溫度曲線ˉˉ回流焊是SMT生產(chǎn)中的關(guān)鍵工序，不恰當(dāng)?shù)臏囟惹€設(shè)置會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)焊接不完全、虛焊、元件翅立、錫珠多等焊接缺陷，影響產(chǎn)品質(zhì)量。

1.2要按照PCB設(shè)計(jì)時(shí)的焊接方向進(jìn)行焊接。

1.3焊接過(guò)程中，嚴(yán)防傳送帶震動(dòng)。

針對(duì)回流焊接的工藝要求，常用的回流焊爐結(jié)構(gòu)上主要由爐體、加熱源、 PCB傳輸裝置、空氣循環(huán)裝置、冷卻裝置、排風(fēng)裝置、溫度控制裝置，以及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成。結(jié)構(gòu)的完備與合理將極大的保證焊接時(shí)的溫度曲線與產(chǎn)品設(shè)計(jì)加工要求的曲線吻合。

圖1　回流焊溫度曲線

從溫度曲線（見(jiàn)圖1）分析回流焊的原理：當(dāng)PCB進(jìn)入升溫區(qū)（干燥區(qū)）時(shí)，焊膏中的溶劑、氣體蒸發(fā)掉，同時(shí)，焊膏中的助焊劑潤(rùn)濕焊盤、元器件端頭和引腳，焊膏軟化、塌落、覆蓋了焊盤、元器件端頭和引腳與氧氣隔離→PCB進(jìn)入保溫區(qū)時(shí)， PCB和元器件得到充分的預(yù)熱，以防PCB突然進(jìn)入焊接高溫區(qū)而損壞PCB和元器件→當(dāng)PCB進(jìn)入焊接區(qū)時(shí)，溫度迅速上升使焊膏達(dá)到熔化狀態(tài)，液態(tài)焊錫對(duì)PCB的焊盤、元器件端頭和引腳潤(rùn)濕、擴(kuò)散、漫流或回流混合形成焊錫接點(diǎn)→PCB進(jìn)入冷卻區(qū)，使焊點(diǎn)凝固。此時(shí)完成了回流焊。

根據(jù)回流焊接的原理，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室小批量生產(chǎn)的條件，本文規(guī)劃焊接爐結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　小型回流焊電路結(jié)構(gòu)

從圖中可以看到與SMT大批量生產(chǎn)中使用的回流焊接爐的結(jié)構(gòu)相比，由于空間的限制，小型臺(tái)式回流焊爐沒(méi)有PCB傳送裝置，溫度曲線的精確控制需要單片機(jī)控制加熱裝置以及空氣循環(huán)、排風(fēng)、冷卻裝置來(lái)保證爐內(nèi)溫度與焊接曲線的切合，這就要求在控制算法，硬件布局上進(jìn)行精心設(shè)計(jì)。

2　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

回流焊爐為了保證爐內(nèi)溫度與焊接曲線的切合，需要適時(shí)的檢測(cè)爐內(nèi)溫度并驅(qū)動(dòng)加熱單元提高溫度或是通過(guò)冷卻裝置、冷卻裝置降溫。整個(gè)過(guò)程中對(duì)于溫度的測(cè)量、比較和執(zhí)行構(gòu)成完整的閉環(huán)系統(tǒng)。因此在控制過(guò)程中運(yùn)用PID控制方法，對(duì)爐腔內(nèi)被控變量-溫度的實(shí)際值進(jìn)行測(cè)量，并與焊接時(shí)刻的溫度曲線設(shè)定值相比較，用這個(gè)偏差來(lái)糾正控制系統(tǒng)的響應(yīng)，執(zhí)行調(diào)節(jié)控制。 PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其輸入e（t）與輸出u（t）的關(guān)系為：

因此，它的傳遞函數(shù)為：

其中KP為比例系數(shù)；TI為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)。

2.1溫度控制程序設(shè)計(jì)

溫度控制的工作機(jī)理是：外界對(duì)于爐內(nèi)溫度的各種擾動(dòng)不斷產(chǎn)生，為達(dá)到控制系統(tǒng)對(duì)于某時(shí)刻溫度值保持恒定的目的，控制系統(tǒng)必須不斷地進(jìn)行溫度測(cè)量和溫度升降。當(dāng)外部干擾使得溫度值發(fā)生變化，溫度檢測(cè)元件就將細(xì)微變化采集后經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路送至單片機(jī)內(nèi)，單片機(jī)作為PID控制核心，將檢測(cè)值與預(yù)先設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較得到偏差值，調(diào)節(jié)器按此偏差并以我們預(yù)先設(shè)定的整定參數(shù)控制規(guī)律發(fā)出控制信號(hào)，去改變調(diào)節(jié)器的開(kāi)度，使之增加或減少，即驅(qū)動(dòng)加熱單元提高溫度或是通過(guò)冷卻裝置、冷卻裝置降溫。從而使?fàn)t腔內(nèi)的溫度值發(fā)生改變，并趨向于給定值，從而達(dá)到控制目的。簡(jiǎn)言之， PID的實(shí)質(zhì)就是對(duì)偏差進(jìn)行比例、積分、微分運(yùn)算，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果控制執(zhí)行部件的過(guò)程?？刂品桨溉鐖D3所示。

依據(jù)圖3的控制方案，在單片機(jī)內(nèi)部可以通過(guò)相應(yīng)算法將溫度傳感器采樣輸入作為當(dāng)前輸入，然后與設(shè)定值進(jìn)行相減得偏差，再對(duì)偏差值進(jìn)行PID運(yùn)算產(chǎn)生輸出結(jié)果，最后控制定時(shí)器的時(shí)間進(jìn)而控制加熱器。為了方便更改PID控制參數(shù)，加快調(diào)試參數(shù)的效率，在進(jìn)入閉環(huán)控制后，通過(guò)矩陣按鍵進(jìn)行參數(shù)狀態(tài)設(shè)定，此時(shí)暫退出閉環(huán)控制；然后通過(guò)按鍵分別設(shè)定KP、 TI、 TD等參數(shù)，當(dāng)新的參數(shù)設(shè)置完成后，程序再次進(jìn)入閉環(huán)狀態(tài)工作。

2.2鍵盤程序流程圖

鍵盤程序的設(shè)計(jì)采用中斷方式，通過(guò)10ms延時(shí)消除按鍵的機(jī)械抖動(dòng)。鍵盤程序中設(shè)置兩個(gè)標(biāo)志位Flag1和Flag2，其中Flag1是消抖動(dòng)標(biāo)志， Flag2用于按鍵的識(shí)別。當(dāng)進(jìn)入中斷后，如果Flag1=0，則沒(méi)有消除抖動(dòng)，那么需判斷是否有鍵按下；如果有鍵按下置Flag1=1，并退出程序，等待下次中斷。如果再次中斷，則繼續(xù)判斷是否有鍵按下，如有則說(shuō)明是真正的按鍵按下，根據(jù)按鍵位置確定其功能并得到鍵值，設(shè)置Flag2=1，表明完成了按鍵的識(shí)別；如果沒(méi)有按鍵被按下，則設(shè)置Flag1=0，重新掃描。

圖3　 PID控制方案

3　硬件設(shè)計(jì)

小型回流焊爐的硬件電路設(shè)計(jì)圍繞控制核心單片機(jī)展開(kāi)，主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)，電源電路，溫度調(diào)節(jié)電路，液晶顯示電路等。通過(guò)各個(gè)電路模塊之間的協(xié)同配合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于焊接溫度精確控制以及焊接流程的完善。

3.1單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)選用宏晶（STC）公司STC12C5A60S2單片機(jī)作為核心，該芯片內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。由于該單片機(jī)片內(nèi)自帶ADC，PWM電路，大大簡(jiǎn)化了整個(gè)系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)。

單片機(jī)最小系統(tǒng)包括單片機(jī)、電源、復(fù)位電路（含上電復(fù)位及按鍵復(fù)位）和時(shí)鐘電路。設(shè)計(jì)實(shí)施時(shí)晶振選用12MHz，復(fù)位采用按鍵復(fù)位方式，方便使用和調(diào)試。此外，基本硬件系統(tǒng)中連接了鍵盤， LCD， ISP接口等外部設(shè)備，在保證回流焊接爐基本功能的同時(shí)，通過(guò)優(yōu)化電路設(shè)計(jì)提高系統(tǒng)工作效率。

3.2溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)

溫度的調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性是一臺(tái)回流焊爐質(zhì)量關(guān)鍵，此部分電路包括爐腔升溫所必須的加熱電路以及降溫所需的空氣循環(huán)和冷卻電路。受臺(tái)式結(jié)構(gòu)的影響，在加熱方面本設(shè)計(jì)回流焊爐采用紅外加熱與熱風(fēng)對(duì)流共同工作的方式，在上下加熱區(qū)各有若干紅外加熱管和一個(gè)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的高速旋轉(zhuǎn)葉輪，產(chǎn)生空氣的吹力，空氣經(jīng)加熱管加熱后，從多孔板里吹出到PCB板上。馬達(dá)轉(zhuǎn)速越快，風(fēng)力越大，熱交換能力越強(qiáng)。

PCB板在回流焊接后，將進(jìn)入冷卻區(qū)進(jìn)行冷卻，如此才能得到良好的焊接效果。冷卻區(qū)的結(jié)構(gòu)是一個(gè)水循環(huán)的熱交換器。冷卻風(fēng)扇把熱氣吹到循環(huán)水換熱器后，經(jīng)降溫的氣體再吹到PCB板上。熱交換器內(nèi)的熱量經(jīng)循環(huán)水帶走，循環(huán)水經(jīng)降溫后再流回?fù)Q熱器。

回流焊爐的加熱區(qū)的溫度控制都是獨(dú)立的閉環(huán)控制系統(tǒng)。溫度控制器通過(guò)PID控制把溫度保持在設(shè)定值。因此回流焊爐內(nèi)溫度的調(diào)節(jié)需要溫度傳感器來(lái)采集，溫度傳感器采用的熱偶線，裝在多孔板的下面，感應(yīng)氣流的溫度，反饋溫度信息給單片機(jī)進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。

3.3顯示電路

顯示電路選用ST7920控制核心的12864點(diǎn)陣LCD顯示器。LCD與MCU的通信接口設(shè)計(jì)可以使用直接或間接的訪問(wèn)方式。在本設(shè)計(jì)中單片機(jī)通過(guò)I/O口與STC12C5A60S2并行連接。

4　結(jié)束語(yǔ)

回流焊的演變始終是跟隨電子裝聯(lián)技術(shù)的發(fā)展而變化的。本文針對(duì)特定條件設(shè)計(jì)的回流焊爐通過(guò)PID控制算法，提高了爐內(nèi)溫度的控制精度，滿足了現(xiàn)階段在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行SMT組裝焊接的要求，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，觀測(cè)數(shù)據(jù)，證明本文涉及的回流焊爐能夠有效降低SMT加工中因回流焊接設(shè)備不佳造成的質(zhì)量缺陷，同時(shí)希望本文提出的控制方案能為類似的應(yīng)用提供參考。

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2015年度甘肅省高等學(xué)?？茖W(xué)研究自籌經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（編號(hào)：2015B-185）