一種基于鋁基板的加熱臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

目前市場(chǎng)上加熱臺(tái)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(duì)于電子愛(ài)好者來(lái)說(shuō)需要能夠自己動(dòng)手做一款低成本簡(jiǎn)潔且心儀的加熱臺(tái)。本文設(shè)計(jì)的加熱臺(tái)具有多種功能，適合多種使用場(chǎng)合，臺(tái)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(ài)好者必備的開(kāi)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(tái)、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(guò)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(tái)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(dòng)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(guò)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(guò)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(guò)ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換獲取加熱臺(tái)溫度數(shù)據(jù)，將目標(biāo)溫度和實(shí)際溫度通過(guò)PID算法，輸出PWM 控制MOS管，讓鋁基板銅箔層通電，流過(guò)的電流即可開(kāi)始對(duì)鋁基板加熱，鋁基板又通過(guò)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(lái)說(shuō)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)度計(jì)算公式為：

L：曲線總長(zhǎng)度，N：曲線階數(shù)。D：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度，M：方形邊長(zhǎng)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(zhǎng)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(huì)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(guó)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(shì)^[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(guò)串口燒寫程序，本電路是通過(guò)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(guò)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(hào)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(hào)，主要由液晶顯示屏、控制驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路

加熱驅(qū)動(dòng)電路選用的是下橋驅(qū)動(dòng)，選用N 溝道的MOS，MOS管打開(kāi)即可開(kāi)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(wèn)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(dòng)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(kāi)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(tái)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(kāi)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(chǔ)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(kāi)環(huán)控制，按鍵設(shè)定溫度無(wú)效，加熱臺(tái)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(jiǎn)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(tái)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(wèn)題，所以采用內(nèi)六角沉頭陶瓷螺絲，該螺絲不占用加熱臺(tái)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(tái)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(tái)底面，緊密貼合不易掉落。

2 顯示液晶屏位于加熱臺(tái)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(tái)3D結(jié)構(gòu)

5   系統(tǒng)實(shí)測(cè)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(kāi)始上電調(diào)試測(cè)試，對(duì)加熱效果和長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行測(cè)試，最后實(shí)際進(jìn)行回流焊接^[4]和加熱手機(jī)殼測(cè)試。實(shí)際測(cè)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(cè)試良好。實(shí)際液晶顯示效果如圖8 所示：

圖8 實(shí)測(cè)效果圖

6   結(jié)束語(yǔ)

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(tái)的全新加熱臺(tái)，通過(guò)負(fù)反饋調(diào)節(jié)，臺(tái)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(tái)的其中各個(gè)模塊，使得用戶能夠全面了解加熱臺(tái)的制作過(guò)程和步驟，給自己動(dòng)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)：

[1] 田園.基于STM32的智能家居警報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī).2021,34(10):32-36.

[2] 俞文武.基于STM32的智能跟蹤小車的設(shè)計(jì)[J].山東工業(yè)技術(shù).2017(08):258.

[3] 蘇達(dá).大功率LED封裝散熱性能的若干問(wèn)題研究[D].杭州:浙江大學(xué).20081121.

[4] 徐智.高精度加熱平臺(tái)的研制[D].武漢:華中科技大學(xué).2009.

[5] 宋鳳娟,付侃,薛雅麗.STC12C5A60S2單片機(jī)高速A/D轉(zhuǎn)換方法[J].煤礦機(jī)械.2020,31(06).

[6] 王冠龍,崔靚,朱學(xué)軍.基于數(shù)字PID算法的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng).2019,31(1).

[7] 倪丹艷.基于STC89C52單片機(jī)的溫濕度環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新.2020.2(19);43-44.

[8] 吳釗.基于單片機(jī)的實(shí)時(shí)溫度測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].信息技術(shù)與信息化[J],2020(12);128-131.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年4月期）