李楊

（南京江寧高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇南京，211100）

目前，SMT(Surface Mounted Technology)表面貼裝技術(shù)作為電子組裝行業(yè)中主流的技術(shù)與工藝，有著精度高、自動化程度高、一致性好的優(yōu)勢，在電子行業(yè)中發(fā)揮著重要的作用。SMT 元件也隨著材料與制造工藝的進步而不斷發(fā)展，SMT 元件小型化水平也在逐步提高。SMT 元件主要分為表面組裝元件SMC(Surface Mounted Components)、表面組裝器件SMD（Surface Mounted Devices)和機電元件三大類[1]。其中SMC 為無源器件，SMD 為有源器件。

SMT元件的準(zhǔn)確計數(shù)對表面貼裝技術(shù)有著重要的意義，在SMT 電子組裝中發(fā)揮著重要作用。同樣，在散料的快速計數(shù)、分配環(huán)節(jié)中也需要對SMT 元件進行準(zhǔn)確計數(shù)。比如元件售賣及領(lǐng)取環(huán)節(jié)中對貼片元件配單清點、學(xué)校實訓(xùn)課程中元器件的領(lǐng)用及分發(fā)都有著較大的需求。本作品以低成本、高普及推廣性、便攜手持為設(shè)計要點，采用低成本、PCB 印制電路板組建傳感器機械結(jié)構(gòu)的方式設(shè)計SMT 元件的計數(shù)傳感器，配合鋰電池充電電路、升降壓電路、開關(guān)機電路，完成手持SMT 元件計數(shù)器功能，針對SMT 貼片元件計數(shù)器的需求廣泛、成本較高、使用普及程度低的問題提出了相應(yīng)的解決方案。

1 總體方案設(shè)計

該手持SMT 元件料帶計數(shù)器由檢測計數(shù)傳感器、0.91寸OLED 液晶屏、STC15W204AS 單片機核心主控模塊、按鍵模塊、鋰電池充電電路、升降壓電路、開關(guān)機電路等部分組成。系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1 所示。

采用0.91 寸OLED 顯示屏顯示的信息除計數(shù)值外，還包括供電方式顯示、供電電壓大小信息。檢測計數(shù)傳感器以料間距為4mm 的SMT 元件料帶的為計數(shù)對象，例如0805、0603 封裝的貼片阻容器件的料帶，可對其進行個數(shù)的統(tǒng)計。當(dāng)料帶經(jīng)過計數(shù)傳感器檢測通道時，顯示屏可自動累加通過的元件個數(shù)。裝置可手持使用，通過開關(guān)機按鍵進行對裝置的啟動和關(guān)閉，短按該按鍵開機，長按該按鍵為關(guān)機操作，關(guān)機后功耗為零。裝置采用單節(jié)18650 鋰電池供電，利用TP4054 充電電路對其充電，充電接口使用USB Type-C 形式。充電時自動將鋰電池供電轉(zhuǎn)為USB 充電口電源供電，以實現(xiàn)供電的自動切換功能。按鍵模塊采用獨立按鍵，可進行計數(shù)的歸零操作，方便進行重新計數(shù)。升降壓電路完成鋰電池及USB 充電口電源的電壓轉(zhuǎn)換，使其鋰電池3.7V 電壓及5V 充電電壓均轉(zhuǎn)換為3.3V 電壓，為裝置提供電源。

2 檢測計數(shù)傳感器電路設(shè)計

■2.1 檢測計數(shù)傳感器電路圖設(shè)計

圖2 為檢測計數(shù)傳感器電路圖[2]，其中采用兩個光電開關(guān)電路對料帶進行檢測。這里以其中一個光電開關(guān)電路進行說明。

圖2 檢測計數(shù)傳感器電路圖

為優(yōu)化電路減少元件使用數(shù)量并方便電平的處理和轉(zhuǎn)換，該電路采用與單片機一致的3.3V 電壓供電，因此該電路中比較器的選擇應(yīng)滿足3.3V工作電壓的要求。運放LMV358 芯片的單電源供電范圍為+2.5V～+5.5V，符合工作電壓的要求，故這里將其作為比較器使用。電阻R1 與紅外接收二極管LED1 構(gòu)成紅外接收電路部分，R3 與R4 構(gòu)成電阻分壓電路，因為R3 與R4 電阻均為10kΩ，所以其運放的3 腳電壓作為比較器的比較電壓為2.5V。運放2 腳的電壓是根據(jù)紅外接收管LED 的接收情況來變化的，具體是在有一定紅外線接收時電壓值較小（遠小于2.5V)，在沒有紅外線接收或接收紅外線不足時電壓值較大（遠大于2.5V)。故而運放1 腳的電平根據(jù)比較器2 腳、3 腳兩個輸入端的電平比較情況，呈現(xiàn)高低電平的不同，具體為LED1 有紅外光線接收（無遮擋)時1 腳電平為高，LED1 無紅外光線接收（有遮擋)時1 腳電平為低，從而實現(xiàn)了光電開關(guān)的功能。在這里將其電路進行對SMT 料帶孔進行檢測，從而構(gòu)成檢測計數(shù)傳感器電路。

根據(jù) EIA-481-D 貼裝組件封裝標(biāo)準(zhǔn)，8mm 的料帶的定位孔直徑為1.5±0.1mm，定位孔間距根據(jù)料帶不同有2mm和4mm 兩種規(guī)格。此裝置以定位孔間距為4mm 的料帶進行計數(shù)檢測。圖3 為SMT 貼片元件8mm 料帶尺寸圖。

圖3 SMT 貼片元件8mm 料帶尺寸圖

■2.2 檢測計數(shù)傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計

檢測計數(shù)傳感器使用需配合紅外發(fā)射模組，該模組的效果圖如圖4 所示，將電阻R1、R7 與紅外發(fā)光二極管LED1、LED2 放置在一個PCB 板上，作為一獨立模組進行裝配上主體電路板上使用。其中，圖4(a)為其頂層，采用直徑3mm、波長940nm 的紅外發(fā)射管特殊安裝形式，將其管腳進行兩次彎折并整形，發(fā)射頭緊貼板上兩個直徑為0.6mm、間距為3mm 的檢測孔，檢測孔A 和檢測孔B 如圖4(b)紅外發(fā)射模組底層所示。

圖4 檢測計數(shù)傳感器發(fā)射模組PCB效果圖

檢測計數(shù)傳感器電路設(shè)置在主電路板上，并采用2.54mm單排針進行與發(fā)射模組相連，構(gòu)建其料帶檢測通道。該檢測通道的寬為8mm，高度為2.54mm，針對8mm 貼片元件料帶進行檢測。

3 便攜手持式硬件電路設(shè)計

■3.1 開關(guān)機電路及供電自動切換電路

該電路可實現(xiàn)USB 供電和電池供電的自動切換，當(dāng)通過USB Type-C 口充電時自動切換到USB 供電方式，當(dāng)沒有充電時，裝置采用電池供電方式。此外，通過獨立按鍵可進行開關(guān)機控制，當(dāng)按鍵按下后P3.6 為高電平，Q3 三極管導(dǎo)通，Q2 的SI2301 場效應(yīng)管柵極變?yōu)榈碗娖?，管子?dǎo)通，從而實現(xiàn)開機，單片機正常工作，P1.5 置高電平。當(dāng)按鍵按下并長按2S 后，P3.6 口檢測到1S 高電平后，延時通過P1.5 賦值低電平進行關(guān)機操作。

■ 3.2 供電電壓檢測電路

由于STC15W204 單片機內(nèi)部沒有A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，為了測量供電電壓大小，這里采用單片機的內(nèi)部比較器進行ADC 轉(zhuǎn)換，如圖6 所示，ADC 的原理是基于電荷平衡的計數(shù)式ADC。電壓從V_ad 輸入，通過R23 與C5 濾波，進入比較器P5.5 的正輸入端，經(jīng)過比較器的比較，將結(jié)果輸出到P1.2，再通過R22 與C6 濾波后，送入到比較器P5.4的負輸入端，跟輸入電壓平衡。通過計數(shù)周期adc_duty 和比較結(jié)果高電平的計數(shù)值adc 在程序中的運算，最終得到ADC 的結(jié)果，根據(jù)R24、R25 電阻分壓可知：0.6*VBAT2=V_ad，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換即可得到供電電壓值。

圖6 供電電壓檢測電路圖

根據(jù)R26、R27 電阻分壓可知，當(dāng)VBUS 有5V 供電時，P3.7 口即可檢測到約為3.3V 高電平電壓，如果VBUS沒有電壓供給，P3.7 口為低電平，所以這里可以檢測USB Type-C 是否再充電，其結(jié)果通過OLED 液晶屏顯示。

■3.3 升降壓電路

圖7 升降壓電路原理圖

電路采用低壓降（LDO)線性穩(wěn)壓器TLV70033 將供電電壓轉(zhuǎn)換為3.3V 固定輸出，其具有出色的線路和負載瞬態(tài)性能。由于該電路可將2V～5.5V 的輸入電壓轉(zhuǎn)換為3.3V，所以USB Type-C 與18650 鋰電池供電均滿足要求。

4 SMT 元件料帶計數(shù)檢測程序設(shè)計

為了使該裝置計數(shù)更準(zhǔn)確，設(shè)置了A、B 兩個檢測孔，該方式比單檢測孔脈沖計數(shù)更加準(zhǔn)確，避免了進料計數(shù)時由于抖動造成的錯誤計數(shù)。這樣可以在進行料帶計數(shù)檢測時，根據(jù)料帶的進出料進行相應(yīng)的數(shù)量加減，確保計數(shù)的準(zhǔn)確性。

程序設(shè)計中需要根據(jù)A、B 兩個檢測點的電平變化情況判斷料帶是出料狀態(tài)還是進料狀態(tài)，出料狀態(tài)進行加計數(shù)，進料狀態(tài)進行減計數(shù)，所以在程序設(shè)計中需要進行出料和進料的判別。

在進出料過程中A、B 兩個檢測點的電平變化情況，分別對應(yīng)單片機的IO 口P1.5 和P3.2 實時檢測，其電平變化情況如表1 所示。從表中可知，除進出料開始和結(jié)束外，A、B 兩個檢測點在每個計數(shù)周期電平變化都是固定的。在進料計數(shù)時，AB 電平周期性11-10-00-01-11-10-00-01；在出料計數(shù)時，AB 電平周期性信號為11-01-00-10-11-01-00-10[3]。

表1 進出料時不同階段檢測口電平狀態(tài)表

根據(jù)信號的變化規(guī)律，可根據(jù)AB 電平變化，檢測到11 和00 信號的中間的信號是10 為進料，相應(yīng)計數(shù)值加一，是01 為出料，相應(yīng)計數(shù)值減一。檢測的主體程序如下。

檢測部分程序設(shè)計：

整體流程圖如圖8 所示。

5 結(jié)語

手持SMT 元件料帶計數(shù)器采用了紅外光發(fā)射管與光敏接收二極管搭建的光電開關(guān)為主體檢測計數(shù)傳感器的實用計數(shù)裝置。該設(shè)計采用單節(jié)鋰電池供電，并有充電電路和升降壓電路，使裝置易于手持便攜使用。該裝置針對8mm 料寬的SMT 貼片元件料帶提出了可行有效準(zhǔn)確的計數(shù)方案，可用于貼片元件的配單領(lǐng)用料環(huán)節(jié)，方便了對貼片元件數(shù)量的統(tǒng)計。