葉莎莎,胡磐石,肖永軍*,黃建紅,陳節(jié)高,曾佳豪,黃浩榮,劉志豪

(1.湖北工程學(xué)院 物理與電子信息工程學(xué)院,湖北 孝感 4320002.孝感市科先電力工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司,湖北 孝感 432000)

電烙鐵是電子設(shè)計(jì)、調(diào)試以及電子產(chǎn)品維修的必要工具,主要用來焊接電路板、導(dǎo)線及電子元器件,基本上每個(gè)涉及電子的行業(yè)都需要用電烙鐵進(jìn)行焊接。普通電烙鐵的烙鐵頭大部分是純銅,而烙鐵的加熱裝置大部分是電阻絲,在使用的過程中極易漏電,容易導(dǎo)致觸電風(fēng)險(xiǎn)[1-4]。另外,此類烙鐵存在“高溫空燒”的問題,導(dǎo)致烙鐵不易沾錫,而且溫度不能恒定、不可調(diào)節(jié)[5-9]。相比之下,恒溫電烙鐵采用數(shù)字式溫度控制技術(shù),具有高精度、多功能等特性[10-11]。因此,本文嘗試以STM32F103T8U6為控制核心,搭配Type-C電源輸入、PD誘導(dǎo)電路、降壓電路、溫度傳感及其信號處理電路、MOS管驅(qū)動電路、加速度傳感器電路等一些硬件部分,設(shè)計(jì)并制作T12電烙鐵,在此基礎(chǔ)上研究如何實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的溫度控制,以及如何在不同的工作環(huán)境下自動調(diào)節(jié)溫度。

1 快速升溫T12電烙鐵硬件設(shè)計(jì)

T12電烙鐵總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示,主要由STM32F103T8U6單片機(jī)、Type-C電源輸入、PD誘導(dǎo)電路、降壓電路、溫度傳感及其信號處理電路、MOS管驅(qū)動電路、加速度傳感器電路、OLED顯示電路和按鍵電路組成。烙鐵頭的溫度由溫度傳感器獲取到,并經(jīng)過電壓放大、濾波之后,送至單片機(jī)AD端子,單片機(jī)將測得的電壓轉(zhuǎn)換為溫度數(shù)據(jù),并與設(shè)定值比較,計(jì)算出新PWM占空比并驅(qū)動MOS管開關(guān)使焊咀發(fā)熱,通過控制占空比穩(wěn)定溫度值,并將檢測的溫度顯示在OLED上。通過按鍵模塊實(shí)現(xiàn)設(shè)定溫度的加減,當(dāng)加速度傳感器檢測到電烙鐵靜止時(shí)電烙鐵停止加熱,進(jìn)入睡眠模式。本文可以實(shí)現(xiàn)高精度控溫,低功耗工作,具有使用安全、操作簡單、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

1.1 STM32F103T8U6單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

STM32F103T8U6是一款只存在QFPN-36封裝的F1系列Cotex-M3內(nèi)核單片機(jī),共計(jì)36個(gè)引腳,其中最大24個(gè)IO口,專用的PWM接口、SCI、I2C通信接口均具備。該單片機(jī)外圍也需要配置晶振電路(8 M晶振,最大倍頻后為72 MHz主頻)、復(fù)位電路以及下載設(shè)置電路。最小系統(tǒng)電路圖如圖2所示,C13、C14和OSC1組成晶振電路,SW2、R11、C16構(gòu)成手動復(fù)位電路,R9為下拉電阻,主要設(shè)置STM32單片機(jī)的啟動方式。

圖2 STM32F103T8U6最小系統(tǒng)原理圖

1.2 Type-C接口電源輸入及PD誘導(dǎo)電路設(shè)計(jì)

為方便進(jìn)行焊接控制,系統(tǒng)采用了Type-C接口接入直流電源,經(jīng)過PD誘導(dǎo)后,得到20 V的直流電壓,進(jìn)而施加在MOS管上,給負(fù)載供電。

電源輸入設(shè)計(jì)原理圖如圖3所示。Type-C比之前的Micro USB接口允許的電流大,適合高功率供電,充電速度快,大大減少了充電時(shí)間。采用新的USB PD標(biāo)準(zhǔn)的USB Type-C連接器可將功率提高到100 W,并允許雙向電流,本文采用接近60 W供電。D+、D-為USB2.0的信號線。TX1/RX1和TX2/RX2為數(shù)據(jù)線,用于與設(shè)備傳輸數(shù)據(jù),為全雙工。Type-C數(shù)據(jù)線不分正反,支持盲插,使用起來非常方便。PCB板上需要一顆電源誘導(dǎo)芯片與CC1或CC2通信,從而誘導(dǎo)芯片控制電源適配器輸出響應(yīng)電壓或傳輸數(shù)據(jù)。故本文只需要連接1至5號和11號引腳即可達(dá)到輸出20 V的要求。

圖3 Type-C電源輸入原理圖

HUSB238已取得USB-IF的PD3.0認(rèn)證,只需要VSET端連接相應(yīng)電阻即可輸出對應(yīng)電壓。外部電阻網(wǎng)絡(luò)設(shè)置動態(tài)申請電壓值如表1所示。本文設(shè)計(jì)需要較高電壓,故VSET外部不需要接電阻直接短路,VBUS即可產(chǎn)生20 V電壓。

表1 外部電阻網(wǎng)絡(luò)設(shè)置動態(tài)申請電壓值

1.3 MOS驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

MOS管驅(qū)動電路原理圖如圖4所示,AON7409為P溝道場效應(yīng)管,正常工作時(shí)P溝道MOS管的襯底必須與源極相連,而漏極對源極的電壓VDS應(yīng)為負(fù)值,以保證兩個(gè)P區(qū)與襯底之間的PN結(jié)均為反偏。源柵極最高耐壓為25 V,為保證導(dǎo)通效果更好,采用接近-20 V電壓驅(qū)動,STM32的引腳最大耐壓為5 V,故需要在MOS管柵極加三極管驅(qū)動20 V電壓。當(dāng)三極管基極為高電平即PWM輸出為3.3 V時(shí);三極管處于導(dǎo)通狀態(tài),同時(shí)MOS管柵極電壓接近0 V,MOS管柵源電壓接近-20 V,此時(shí)MOS管接近完全導(dǎo)通狀態(tài),P+端電壓變?yōu)閂BUS,給焊咀供電,電烙鐵發(fā)熱。

圖4 MOS管驅(qū)動電路原理圖

2 快速升溫T12電烙鐵軟件設(shè)計(jì)

軟件執(zhí)行總流程圖如圖5所示,主程序的主要功能是負(fù)責(zé)采集溫度,產(chǎn)生PWM,讀取按鍵,檢測加速度并顯示在OLED屏幕上。

圖5 軟件執(zhí)行總流程圖

系統(tǒng)上電后,中斷、OLED、ADC和GPIO口初始化,ADC檢測溫度值后顯示溫度,再與設(shè)定值進(jìn)行PID計(jì)算,然后輸出對應(yīng)占空比的PWM波,隨后再次檢測形成負(fù)反饋控制溫度穩(wěn)定。期間允許用戶通過按鍵設(shè)定目標(biāo)溫度值。同時(shí),單片機(jī)不斷檢測加速度傳感器數(shù)據(jù),判定系統(tǒng)是否在被使用,若長時(shí)間(內(nèi)部程序設(shè)定)擱置未使用,則斷開烙鐵頭電源,從而避免長期干燒導(dǎo)致電烙鐵壽命降低。

3 測試及結(jié)果分析

3.1 T12電烙鐵實(shí)物制作

實(shí)物外殼使用Creo進(jìn)行繪制,并使用嘉立創(chuàng)的三維猴進(jìn)行3D打印,使用LEDO 6060材料,該材料熱變形溫度為56 ℃,韌性好、強(qiáng)度高,防水防潮,尺寸穩(wěn)定性高,適合本文設(shè)計(jì)需求。3D模型圖如圖6所示,圖7為T12電烙鐵裝配前散件圖,圖8為T12電烙鐵裝配后實(shí)物圖。

圖6 T12電烙鐵外殼3D模型圖

圖7 T12電烙鐵裝配前散件圖

圖8 T12電烙鐵裝配后實(shí)物圖

3.2 測試結(jié)果分析

升溫速度以及溫度穩(wěn)定性是電烙鐵的重要的性能指標(biāo),所以針對溫度控制準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性以及升溫速度進(jìn)行了測試,測試方式是:插上電烙鐵,使烙鐵從常溫升至目標(biāo)溫度,溫度穩(wěn)定后,記錄升溫時(shí)間。之后用風(fēng)扇強(qiáng)迫烙鐵頭溫度降至常溫,等待一段時(shí)間后再次測試。同時(shí)用電烙鐵接觸市售的溫度傳感器,并從測試設(shè)備上讀取數(shù)值與電烙鐵顯示的溫度進(jìn)行對比。詳細(xì)的測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 電烙鐵性能測試數(shù)據(jù)表

由此可見,溫度控制誤差和溫度顯示誤差在±2 ℃以內(nèi),說明該設(shè)計(jì)能較好穩(wěn)定控制溫度和準(zhǔn)確顯示溫度值。從常溫升至350 ℃所需時(shí)間約為13.2 s,且溫度越高升溫越快,從350 ℃至450 ℃僅需5.4 s。同時(shí)當(dāng)電烙鐵放置桌面靜止不動時(shí),一定時(shí)間之后OLED顯示“休眠中”,說明電烙鐵停止加熱,進(jìn)入休眠模式。當(dāng)再次拿起時(shí),烙鐵快速進(jìn)行加熱狀態(tài)。

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)的電烙鐵采用Type-C接口引入,PD誘導(dǎo)供電,系統(tǒng)上電后,電源穩(wěn)定輸出20 V,降壓電路輸出穩(wěn)定5 V左右,穩(wěn)壓電路輸出3.3 V,電源輸出正常運(yùn)行,功率在正常范圍內(nèi)波動。電烙鐵使用時(shí)驅(qū)動電路正常關(guān)斷能夠驅(qū)動烙鐵頭發(fā)熱,OLED顯示屏正常顯示設(shè)定溫度和檢測溫度,屏幕顯示正常,可實(shí)時(shí)顯示電烙鐵溫度。用電烙鐵溫度測量儀測試?yán)予F頭溫度穩(wěn)定在設(shè)定值左右,屏幕顯示溫度準(zhǔn)確,誤差小于3 ℃。從室溫上升至350 ℃所用時(shí)間小于15 s,溫度控制在50 ～ 550 ℃內(nèi),按鍵可正常調(diào)節(jié)設(shè)定溫度。采用3D外殼打印,安裝方便,使用便捷。