一種基于鋁基板的加熱臺設計與實(shí)現

目前市場(chǎng)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(zhì)粗糙易臟，收拾打掃不易，對于電子愛(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。本文設計的加熱臺具有多種功能，適合多種使用場(chǎng)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 ℃并保持，加上智能溫度控制系統和多種模式切換，外觀(guān)新穎設計合理，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(guān)結構設計等。單片機控制板是整個(gè)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(guò)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(guān)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(hù)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波驅動(dòng)MOS 管^[2]，印刷鋁基板上均勻分布著(zhù)覆銅走線(xiàn)，根據歐姆定律可知，電流流過(guò)導線(xiàn)可以產(chǎn)生熱量，進(jìn)而實(shí)現平面加熱，由于存在溫度采集模塊，整個(gè)系統處于閉環(huán)狀態(tài)，達到溫度能夠精確控制的目的。整個(gè)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(guò)讀取IO口采集按鍵信息，設定目標溫度及運行模式，通過(guò)ADC模數轉換獲取加熱臺溫度數據，將目標溫度和實(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)始對鋁基板加熱，鋁基板又通過(guò)溫度傳感器反饋到控制板，達到閉環(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(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(xiàn)都是有電阻的，根據歐姆定律，要求銅箔層布線(xiàn)均衡，所以布線(xiàn)本設計采用希爾伯特曲線(xiàn)。

本文預估設計功率為200W左右，電壓為24V直流電，根據公式

P: 功率，U：電壓，R：電阻

可計算出所需銅箔電阻為2.88 Ω。根據PCB 走線(xiàn)電阻公式

R：電阻，ρ：銅電阻率，L：走線(xiàn)長(cháng)度，W：走線(xiàn)寬度，D：銅箔厚度。

在走線(xiàn)寬度和銅箔厚度確定的前提下可計算出所需走線(xiàn)的長(cháng)度L。

希爾伯特曲線(xiàn)是一種能夠填充滿(mǎn)一個(gè)平面正方形的分形曲線(xiàn)（空間填充曲線(xiàn)），由大衛. 希爾伯特在1891年提出，希爾伯特曲線(xiàn)長(cháng)度計算公式為：

L：曲線(xiàn)總長(cháng)度，N：曲線(xiàn)階數。D：?jiǎn)挝婚L(cháng)度，M：方形邊長(cháng)度。

希爾伯特曲線(xiàn)如圖2所示：

 圖2 希爾伯特曲線(xiàn)

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

本文設計的鋁基板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^[5]，是國內宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)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，1 280 字節片內RAM，具有低成本高性能的優(yōu)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：

圖4 系統最小系統原理圖

2.2.2 程序下載電路

單片機硬件實(shí)現了ISP 和IAP 在線(xiàn)可編程系統，可以通過(guò)串口燒寫(xiě)程序，本電路是通過(guò)CH340G芯片實(shí)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(guò)USB 在STC 在線(xiàn)燒寫(xiě)程序軟件下向單片機燒寫(xiě)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，能夠顯示字母數字以及符號，主要由液晶顯示屏、控制驅動(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(dòng)電路

加熱驅動(dòng)電路選用的是下橋驅動(dòng)，選用N 溝道的MOS，MOS管打開(kāi)即可開(kāi)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(wèn)題，本文選用的是三款便宜低RdsON導通電阻的MOS 管并聯(lián)的方式，以達到安全使用的目的，采用一顆S8050 三極管驅動(dòng)三個(gè)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(gè)，作用分別是模式選擇按鍵，待機開(kāi)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(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(gè)數字控制器、SPI兼容接口和與之相關(guān)的控制邏輯^[8]。

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(zhuān)有的下載軟件燒寫(xiě)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(xiě)內部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成。系統運行有兩種模式，可由模式按鍵進(jìn)行選擇，模式一：閉環(huán)控制，由用戶(hù)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(huán)控制下能夠精確控制，達到恒溫效果；模式二：開(kāi)環(huán)控制，按鍵設定溫度無(wú)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(zhù)簡(jiǎn)單耐用好看角度出發(fā)，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(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(guān)察溫度和運行模式，其四周安裝有四個(gè)按鍵，便于用戶(hù)按鍵輸入信息，調節溫度和模式的切換。

圖7 加熱臺3D結構

5   系統實(shí)測效果

完成了硬件焊接、軟件編寫(xiě)和結構搭建的工作后，開(kāi)始上電調試測試，對加熱效果和長(cháng)時(shí)間運行測試，最后實(shí)際進(jìn)行回流焊接^[4]和加熱手機殼測試。實(shí)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(shí)際液晶顯示效果如圖8 所示：

圖8 實(shí)測效果圖

6   結束語(yǔ)

本文充分利用了高精度溫度傳感器技術(shù)、集成電路單片機技術(shù)、以及嵌入式技術(shù)，設計了一款低成本以鋁基板為平臺的全新加熱臺，通過(guò)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(fā)，介紹了加熱臺的其中各個(gè)模塊，使得用戶(hù)能夠全面了解加熱臺的制作過(guò)程和步驟，給自己動(dòng)手做提供了理論模型化指導，具有實(shí)用性?xún)r(jià)值。

參考文獻：

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年4月期）