基于μC/OS-II的智能拆焊、回流焊温度控制系统
近几年国内逐渐开始使用拆焊台和回流焊，但普遍存在以下问题：(1)控制芯片采用简单的单片机，以裸奔为主没嵌操作系统，从而导致系统过于简单或分配不合理。(2)传感器一般都采用热电偶，但不加补偿电路，而且很少在程序中采用算法，这样加热器件往往存在惯性和滞后性，从而导致控温不精准。(3)没有将拆焊台和回流焊炉集于一体，使硬件利用率不高。
因此，本文提出并研究设计了一种基于μc/os-ii嵌入式实时系统的智能拆焊、回流焊温度控制系统。
1 智能拆焊、回流焊台电路设计原理
本设计利用热电偶传感器检测出与温度对应的电压信号，然后经27l2放大和arm7内部a/d转换成处理器可识别的数字信号。再通过arm7来采集温度信号并对其进行运算、处理，最后根据运算、处理的结果来控制红外线灯头和电热盘。整个过程通过液晶显示屏(128×64)清晰显示。能够智能控温，顺利拆、焊多种型号芯片。加热灯头能够按规定的温度曲线加热，可设置存储8条曲线(掉电数据不丢失)。预热盘能够保持设置的恒定温度(误差不能超过3℃)，有实时温度跟踪功能。
图1 设计方框图。
主要包括电路供电单元、信号检测电路、执行控制单元、人机交互界面几部分单元模块。
2 硬件电路
2.1 电路供电单元
主要由变压器、整流二极管、滤波电容、集成稳压器等构成，为电路提供5v、3.3v和1.8v的稳定电压。
2.2 信号检测电路
主要由热电偶、运算放大器27l2、ds18b20及arm7内部ad等组成。将温度转换成处理器可识别的数字信号。
本设计的温度采集电路如图2所示，在p6口的1、3引脚接热电偶传感器的正端，2、4引脚接热电偶传感器的负端。热电偶采集到信号后经c00、c10(高频滤波电容)将高频杂波滤除，再经27l2(低频小信号放大器)将信号放大，其中r64与r63的和与r65的比值即为u3b的放大倍数，同理，r60与r62的和与r61的比值为u3a的放大倍数。放大后再经c01和c11将高频杂波滤除，最后该信号被传到arm7，经其内部ad转换器将模拟电压信号转换成处理器可识别的数字信号。当热电偶传感器探头部分的温度发生变化时，热电偶传感器两端的电压也按一定比例对应发生变化，然后该电压信号经27l2放大，再经arm内部ad将模拟量转换成数字量，arm处理器得到数字量后便知道现在的温度。当然要想精确测温仅有热电偶测温模块是不够的。
图2 温度采集电路。
因为热电偶传感器有一个缺陷，它测的温度是探头与冷端之间的温度差，也就是说若仅用上述电路测温，则只有在冷端温度为零点的情况下测得的温度才是最精确的，冷端的温度与零点的温差越大，测得的温度数据越不精确。而本设计中焊台加热的同时，热电偶冷端温度会变化，从而造成了测温不准确。为了解决上述问题，特别增加了ds18b20作为补偿，在工业上称为补正系数修正法。应用的公式为：
t=t1+kt2
式中t为实际温度，t1为ds18b20测得的温度，t2为热电偶传感器模块测得的温度，k为补正系数，这里取0.82。
2.3 arm最小系统
本设计采用arm7作为主控芯片，主要因其性价比高、资源丰富、工作稳定可靠。它带有32kb的片内flash程序存储器和8kb的片内静态ram;128位宽度接口/加速器可实现高达70mhz工作频率;10位a/d转换器提供8路输入;2个32位定时计数器和2个16位定时计数器;多达32个通用io口，可承受5v电压;多个串行接口，包括2个uart、2个i2c总线、spi和具有缓冲作用和数据长度可变功能的ssp;多达13个边沿、电平触发的外部中断管脚;一个可编程的片内pll可实现最大为70mhz的cpu操作频率等等。
在图3arm最小系统中，11.0592m的晶振和两个20pf电容为系统提供稳定的工作频率，然后再经arm内部锁相环倍频使其工作频率最大可达70mhz。图中的u1为cat1052，它为系统提供稳定的复位电路，同时为系统提供了256字节的可读写的e2prom，使系统存储掉电不丢失数据空间。
图3 arm最小系统及外部存储电路图。
2.4 执行电路
该设计的执行电路如图4所示。其中pl端口接控制指示灯，ps1为ac220接口，ps2为灯体接口，ps3为电热盘接口，网络标号kong1和kong2接arm的两个控制引脚。当arm测到当前温度低于温度曲线上的对应温度(即当前需要加热到的温度)时arm处理器便让对应的控制端口置零，此时对应的光电耦合器(us1或us2)的发射端工作，使接收端导通，这时电源电压经触发二极管(ds1或ds2)和300ω电阻后到达双向晶闸管(qs1或qs2)的触发极使其导通，这样电热盘或灯头便开始加热工作。类似的道理，当arm的控制端给出低电平时，对应的可控硅截止，灯头或电热盘停止加热。
图4 执行模块电路图。
2.5 人机交互界面
这部分作为人机接口，主要实现与本设计系统的交流，由液晶显示屏(128×64)和独立键盘构成。操作者可通过键盘选择功能，让系统执行特定命令或进入特定状态，而系统则通过液晶显示屏告诉操作者其所处的状态或温度曲线。从而实现可视性的人工操作与实时的输出显示。
3 软件设计
3.1 嵌入式实时操作系统μc/os-ii
μc/os-ii是一个基于抢占式的实时多任务内核，可固化、可剪裁、具有高稳定性和可靠性。实时操作系统的使用，能够简化嵌入式系统的应用开发，有效地确保稳定性和可靠性，便于维护和二次开发，除此以外，μc/os-ii的鲜明特点就是源码公开，便于移植和维护，可裁剪性强。
编完程序在调试过程中经常会遇到程序跑飞或陷入死循环等问题，但本系统嵌入了μc/os-ii操作系统，把整个程序分成多个任务，包括液晶屏显示任务、键盘扫描任务、数据处理运算任务、终端控制任务、温度采集任务，每个任务相对独立。然后在每个任务中设置超时函数，时间用完以后，任务必须交出cpu的使用权。即使一个任务发生问题，也不会影响其它任务的运行。这样既提高了系统的可靠性，也使得调试程序变得容易。
当然有利必有弊，在系统中嵌入μc/os-ii必将增加系统的开销，这需要系统有足够的ram空间。在本系统中采用了arm7(lpc2103)，带有8k的ram，再加上我们选择操作系统的功能也不多(μc/os-ii操作系统可裁剪)，8k的ram已足够用。
3.2 程序流程图
图5 程序流程图
4 结束语
本设计实现了以下几个方面的功能：
(1)系统在软件上以μc/osii实时系统为系统平台，以ads1.2为编译器开发了适用于拆焊、回流焊工业控制系统的软件，软件内核采用多任务设计构架，将控制过程划分成多个任务，按照优先级的方式轮流工作，体现了实时系统任务分配合理、响应快、可移植性好的优点。
(2)控制策略方案综合考虑了模糊控制和pid控制的特点，针对模糊控制在控制精度上的不足，采用模糊-pid混合控制的方式，充分发扬两种控制方法的优点，以适应系统温度受控对象惯性大、滞后性强的特性，使系统在控制策略上有了很大的改善。
(3)集回流焊炉和拆焊台于一体，使同一台机子既能当回流焊炉用，又能当拆焊台用，提高了硬件利用率和性价比。
(4)采用高精度智能8段可编程控制全程控制，即开即用，无需预热，小巧多用，增加了测温补偿功能，可在高温度环境下稳定运行。
电子时代的到来对回流焊机、拆焊台的需求越来越大，因此多功能智能拆焊、回流焊台的设计将对电子工业的发展有很大的促进作用。
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因此，本文提出并研究设计了一种基于μc/os-ii嵌入式实时系统的智能拆焊、回流焊温度控制系统。
1 智能拆焊、回流焊台电路设计原理
本设计利用热电偶传感器检测出与温度对应的电压信号，然后经27l2放大和arm7内部a/d转换成处理器可识别的数字信号。再通过arm7来采集温度信号并对其进行运算、处理，最后根据运算、处理的结果来控制红外线灯头和电热盘。整个过程通过液晶显示屏(128×64)清晰显示。能够智能控温，顺利拆、焊多种型号芯片。加热灯头能够按规定的温度曲线加热，可设置存储8条曲线(掉电数据不丢失)。预热盘能够保持设置的恒定温度(误差不能超过3℃)，有实时温度跟踪功能。
图1 设计方框图。
主要包括电路供电单元、信号检测电路、执行控制单元、人机交互界面几部分单元模块。
2 硬件电路
2.1 电路供电单元
主要由变压器、整流二极管、滤波电容、集成稳压器等构成，为电路提供5v、3.3v和1.8v的稳定电压。
2.2 信号检测电路
主要由热电偶、运算放大器27l2、ds18b20及arm7内部ad等组成。将温度转换成处理器可识别的数字信号。
本设计的温度采集电路如图2所示，在p6口的1、3引脚接热电偶传感器的正端，2、4引脚接热电偶传感器的负端。热电偶采集到信号后经c00、c10(高频滤波电容)将高频杂波滤除，再经27l2(低频小信号放大器)将信号放大，其中r64与r63的和与r65的比值即为u3b的放大倍数，同理，r60与r62的和与r61的比值为u3a的放大倍数。放大后再经c01和c11将高频杂波滤除，最后该信号被传到arm7，经其内部ad转换器将模拟电压信号转换成处理器可识别的数字信号。当热电偶传感器探头部分的温度发生变化时，热电偶传感器两端的电压也按一定比例对应发生变化，然后该电压信号经27l2放大，再经arm内部ad将模拟量转换成数字量，arm处理器得到数字量后便知道现在的温度。当然要想精确测温仅有热电偶测温模块是不够的。
图2 温度采集电路。
因为热电偶传感器有一个缺陷，它测的温度是探头与冷端之间的温度差，也就是说若仅用上述电路测温，则只有在冷端温度为零点的情况下测得的温度才是最精确的，冷端的温度与零点的温差越大，测得的温度数据越不精确。而本设计中焊台加热的同时，热电偶冷端温度会变化，从而造成了测温不准确。为了解决上述问题，特别增加了ds18b20作为补偿，在工业上称为补正系数修正法。应用的公式为：
t=t1+kt2
式中t为实际温度，t1为ds18b20测得的温度，t2为热电偶传感器模块测得的温度，k为补正系数，这里取0.82。
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在图3arm最小系统中，11.0592m的晶振和两个20pf电容为系统提供稳定的工作频率，然后再经arm内部锁相环倍频使其工作频率最大可达70mhz。图中的u1为cat1052，它为系统提供稳定的复位电路，同时为系统提供了256字节的可读写的e2prom，使系统存储掉电不丢失数据空间。
图3 arm最小系统及外部存储电路图。
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图4 执行模块电路图。
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