贴片焊机温度测试仪毕业设计.docx

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贴片焊机温度测试仪毕业设计

1前言

随着表面贴装器件（SMD）的普及和表贴技术（SMT）的发展，电子电路板的表贴工艺越来越受到电子工程师们的关注，为了提高产品的性能和工艺水平，降低硬件成本，增加市场竞争能力，采用表面贴装工艺制作的电子产品越来越多。

随着贴片的应用越来越多伴随而来的就是对它焊盘温度的检测问题。

近年来，温度的检测在理论上发展比较成熟，但在实际测量和控制中，如何保证快速实时地对温度进行采样，确保数据的正确传输，并能对所测温度场进行较精确地控制，仍然是目前需要解决的问题。

温度测控技术包括温度测量技术和温度控制技术两个方面。

在温度的测量技术中，接触式测量发展较早，这种测量方法的优点是：

简单、可靠、低廉、测量精度较高，一般能够测得真实温度，但由于检测元件热惯性的影响，响应时间较长，对热容量小的物体难以实现精确地测量，并且该方法不适于对腐蚀性介质测温，不能用于超高温测量，难于测量运动物体的温度。

另外的非接触式测量方法是通过对辐射能量的检测来实现温度测量的方法，其优点是：

不破坏被测温度，可以测量热容量小的物体，适于测量运动物体的温度，还可以测量区域的温度分布，响应速度较快。

但也存在测量误差较大，仪表指示值一般仅代表物体表现温度，测温装置结构复杂，价格昂贵等缺点。

因此，在实际的温度测量中，要根据具体对象选择合适的测量方法，在满足测量精度要求的前提下尽量减少投入。

对于温度控制，不同的系统有不同的温控要求，有的是恒温控制，有的是按给定进行跟踪控制。

工业温控对象一般都认为它们含有纯滞后环节，容易引起系统超调和持续振荡。

此外，温控对象参数根据工况会发生幅度较大的变化，例如，在对回流焊机的温度控制中，由于不断的向回流焊炉送入冷的不同型号PCB板，导致温度对象数学模型发生变化，而所有这些变化都会改变温控对象的参数。

这些随机产生和不可准确预计的变化，无疑增加了温度控制的难度。

而且贴片焊机的温度控制在整个焊接过程中起到了相当重要的作用，如果温度不适宜，在焊接元件的时候就会出现变形或错焊移位等问题，在国内一般的贴片焊机都具有测温系统，但是和大多数测温系统相比较仍缺少一个冗余系统来保证系统的正常工作。

通常的贴片焊机有自带的温度测试显示系统，但是单一的测试系统没有对比检测功能，如果焊机测温系统出现问题就会显示错误信息，而使用者无法判断温度显示是否真实，容易引起贴片焊机误操作，基于此原因我们设计一种贴片焊机温度测试仪，工作人员可以通过查询不同焊点在不同时刻的温度与焊机自带测温系统所测温度对比，从而降低操作误差，因此本次毕业设计我选择“贴片焊机温度测试仪”这个题目.本此设计主要特点是精度高，测温范围广，成本低效果理想，可应用在工业领域进行温度的精密测量和监控等。

可以用于各种较低现场温度的测量，广泛应用与工业生产中。

2贴片焊机温度测试仪总体方案设计

2.1项目设计要求与内容

多路温度测试系统一般都是由传感器部分及A/D转换模块及控制模块所构成，基于本次设计的要求，主要是通过传感器采集温度信号，通过A/D转换器转换，最后将信号通过单片机处理并通过液晶屏显示。

该测试仪是利用半导体热敏电阻作为温度传感器采集温度信号，

1）由温度传感器对温度进行采样和转换成数字信号输入单片机；

2）实现对现场8个焊盘温度的测试并显示；

3）测试范围为25℃～250℃；

4）精度可以达到±2℃以上；

5）最终能实现模块之间的联调，并能通过该测试仪对贴片焊机多个焊点温度的测试，显示，查询等.

2.2方案的提出

方案一是通过热电偶测量贴片焊机焊盘上的温度变换，然后将电压变化信号同时

输出到多路选择器，在单片机的控制下各通道逐个开通，将信号经过放大后输入到8位A/D转换器，同时增加一个常温传感器LM35D将两个温度信号都经过转换后输出数字信号到单片机，通过程序把两个温度信号相比较后，对热电偶进行自由端补偿，经过调整最后在通过LCD显示器显示各通道热电偶的温度,同时可以通过串口通讯与上位机进行数据传输。

如图2.1所示。

方案二是用MAX6675热电偶数字转换器，将采集到的K型热电偶信号转换成数字信号，输入给单片机，它能独立完成信号放大、冷端补偿、线性化、A/D转换以及SPI串口数字化输出功能。

它类似一个AD590这样的温度传感器，通过感应芯片周围的温度来得到此时热电偶的冷端温度值，即是通过冷端补偿检测和校正周围温度变化的。

当热电偶的冷端与芯片温度相等时，MAX6675可获得最佳的测量精度。

如图2.2所示。

图2.2方案二图

2.3方案的比较与选择

方案二中MAX6675测量精度较高，转换器温度分辨率为0.25°C，可读取温度达+1024°C，热电偶在0°C至+700°C温度范围内精度为8LSB。

最大的特点就是内部集成有冷端补偿电路，根据热电偶测温原理，热电偶的输出热电势不仅与测量端的温度有关，而且与冷端的温度有关，方案一使用硬件电路进行冷端补偿时，虽能部分改善测量精度，但由于热电偶使用环境的不同及硬件电路本身的局限性，效果并不明显；而使用软件补偿，通常是使用微处理机表格法或线性电路等方法来减小热电偶本身非线性带来的测量误差，但同时也增加了程序编制及调试电路的难度。

MAX6675对其内部元器件参数进行了激光修正，从而对热电偶的非线性进行了内部修正。

同时，MAX6675内部集成的冷端补偿电路、非线性校正电路、断偶检测电路都给K型热电偶的使用带来了极大方便，它能独立完成信号放大、冷端补偿、线性化、A/D转换及SPI串口数字化输出功能，大大简化了热电偶测量智能装置的软硬件设计。

因此它可广泛使用在热电偶温度信号的采集装置中，从而大大减少装置的体积，减轻系统软硬件设计的困难，提高装置运行的可靠性。

综上所述，方案二测量精度高，系统软硬件设计简单，装置运行可靠性较高，所以选择方案二。

3贴片焊机温度测试仪硬件设计

3.1单片机系统设计

这里选择MCS-51系列STC89C52单片机，STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器（FPEROM）的低电压，高性能COMOS8的微处理器，俗称单片机。

该器件采用ATMEL搞密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

总电路图如附录一所示。

3.1.1单片机最小系统设计

STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

具有以下标准功能：

8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。

另外STC89X52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

最高运作频率35MHz，6T/12T可选。

如图3.1所示，单片机实物图如图3.2所示。

图3.1单片机最小系统图

图3.2STC89C52单片机实物图

单片机工作需要时钟信号，STC89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。

时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。

内部方式的时钟电路在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。

定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。

晶体振荡频率可以在1.2～12MHz之间选择，电容值在5～30pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。

时钟电路如图3.3所示

图3.3时钟电路

3.1.2液晶显示电路设计

点阵液晶模块点阵规格128*64，点尺寸0.48*0.48mm,点中心距0.52*0.52mm，有效显示区域66.52*33.24mm,外形尺寸93.0x70.0x13.00mmMax，工作温度：

-20C----+70C储藏温度：

-30C----+80C，数据总线为串口、8位或4位并口，如图3.4所示。

图3.4液晶接口

3.1.3键盘电路设计

键盘是实现人机对话的重要手动之一，为了控制系统的工作状态，人们需要通过键盘或按键向系统输入数据或发送命令。

按键加与门，采用中断扫描方式对独立式键盘进行扫描，当键盘上有按键闭合时，产生中断请求，单片机响应中断并在中断服务程序中判断键盘闭合键的键号，并作相应的处理。

4个功能按键分别是S2、S3、S4、S5,功能是单点查询、温度点加、温度点减、循环显示。

当没有按键按下时，所有引脚都为高电平，代表无键按下。

一旦有键按下，则相应的输入线就被拉低。

通过读入输入线的状态，判断是否有键按下。

当检测到有按键按下后，调用延时程序消除机械抖动，再做下一步按键判断，防止抖动误操作。

直到按键松开，引脚被拉高，才进入相应功能程序。

如图3.5所示。

图3.5键盘电路

3.1.4看门狗电路介绍

在由单片机构成的微型计算机系统中,由于单片机的工作常常会受到来自外界电磁场的干扰,造成程序的跑飞,而陷入死循环,程序的正常运行被打断,由单片机控制的系统无法继续工作,会造成整个系统的陷入停滞状态,发生不可预料的后果,所以出于对单片机运行状态进行实时监测的考虑,便产生了一种专门用于监测单片机程序运行状态的芯片,俗称"看门狗"

看门狗电路电路的应用,使单片机可以在无人状态下实现连续工作,其工作原理是:

看门狗芯片和单片机的一个I/O引脚相连,该I/O引脚通过程序控制它定时地往看门狗的这个引脚上送入高电平（或低电平）,这一程序语句是分散地放在单片机其他控制语句中间的，一旦单片机由于干扰造成程序跑飞后而陷入某一程序段不进入死循环状态时,写看门狗引脚的程序便不能被执行,这个时候,看门狗电路就会由于得不到单片机送来的信号,便在它和单片机复位引脚相连的引脚上送出一个复位信号,使单片机发生复位,即程序从程序存储器的起始位置开始执行,这样便实现了单片机的自动复位.

看门狗,又叫watchdogtimer,是一个定时器电路,一般有一个输入,叫喂狗（kickingthedogorservicethedog）,一个输出到MCU的RST端,MCU正常工作的时候,每隔一端时间输出一个信号到喂狗端,给WDT清零,如果超过规定的时间不喂狗,（一般在程序跑飞时）,WDT定时超过,就会给出一个复位信号到MCU,使MCU复位.防止MCU死机.看门狗的作用就是防止程序发生死循环，或者说程序跑飞。

工作原理：

在系统运行以后也就启动了看门狗的计数器，看门狗就开始自动计数，如果到了一定的时间还不去清看门狗，那么看门狗计数器就会溢出从而引起看门狗中断，造成系统复位。

所以在使用有看门狗的芯片时要注意清看门狗。

硬件看门狗是利用了一个定时器，来监控主程序的运行，也就是说在主程序的运行过程中，我们要在定时时间到之前对定时器进行复位如果出现死循环，或者说PC指针不能回来。

那么定时时间到后就会使单片机复位。

大多数51系列单片机都有看门狗,当看门狗没有被定时清零时,将引起复位。

这可防止程序跑飞。

设计者必须清楚看门狗的溢出时间以决定在合适的时候，清看门狗。

清看门狗也不能太过频繁否则会造成资源浪费。

程序正常运行时，软件每隔一定的时间（小于定时器的溢出周期）给定时器置数，即可预防溢出中断而引起的误复位。

如图3.6所示。

图3.6看门狗电路

3.1.5电源电路设计

STC89C52单片机工作电压为+5V，MAX6675热电偶数字转换器工作电压也是+5V直流电压，电源电压设定为+5V。

本次设计这里选择LM2576芯片构建电源电路，完成转换电压的功能。

把12-24V电压转换成5V电压。

电源模块设计总电路图如图3.9所示。

LM2576系列是美国国家半导体公司生产的3A电流输出降压开关型集成稳压电路，它内含固定频率振荡器（52kHz）和基准稳压器（1.23V），并具有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等，利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。

电路中加入了ESD静电阻抗器进行静电保护。

静电放电（ESD）的危害极大，特别是对集成电路和半导体器件。

如果静电放电发生在电子部件上，可导致电子部件的损坏；轻者击穿二极管，重则损坏集成电路。

试验表明，未加静电保护措施的RS－232接口芯片，受到15kV（一般测试水平）的静电放电冲击后会造成永久性损坏。

这是因为在静电放电瞬间产生的大电流将芯片内部的金属气化，导致大面积损伤。

特别是CMOS电路和MOS场效应管，其输入阻抗很高，输入电容又非常小，即使在输入端感应少量的电荷也会形成高压，而将器件损坏。

工作状态外部引脚和实物图如图3.7、3.8所示。

LM2576系列开关稳压集成电路的主要特性如下：

●最大输出电流：

3A；

●最高输入电压：

LM2576为40V，LM2576HV为60V；

●输出电压：

3.3V、5V、12V、15V和ADJ（可调）等可选；

●振东频率：

52kHz；

●转换效率：

75%～88%（不同电压输出时的效率不同）；

●控制方式：

PWM；

●工作温度范围：

-40℃～+125℃；

●工作模式：

低功耗/正常两种模式可外部控制；

●工作模式控制：

TTL电平兼容；

●所需外部元件：

仅四个（不可调）或六个（可调）；

●器件保护：

热关断及电流限制；

图3.7工作状态的外部控制引脚

图3.8LM2576外形图

图3.9电源电路模块

3.2温度检测电路设计

根据热电偶测温原理，热电偶的输出热电势不仅与测量端的温度有关，而且与冷端的温度有关，使用硬件电路进行冷端补偿时，虽能部分改善测量精度，但由于热电偶使用环境的不同及硬件电路本身的局限性，效果并不明显；而使用软件补偿，通常是使用微处理机表格法或线性电路等方法来减小热电偶本身非线性带来的测量误差，但同时也增加了程序编制及调试电路的难度。

MAX6675对其内部元器件参数进行了激光修正，从而对热电偶的非线性进行了内部修正。

同时，MAX6675内部集成的冷端补偿电路、非线性校正电路、断偶检测电路都给K型热电偶的使用带来了极大方便MAX6675内部集成有冷端补偿电路；带有简单的3位串行SPI接口；可将温度信号转换成12位数字量，温度分辨率达0.25℃；内含热电偶断线检测电路。

冷端补偿的温度范围-20℃～80℃，可以测量0℃～1023.75℃的温度，基本符合本设计温度测量的需要。

MAX6675的物理特点是MAX6675封装在SO-8脚的芯片中，推荐工作电压为一单+5V直流电压，连续工作时的功耗仅为47.1mW，电流为50mA，适用于体积不大，不利散热的装置条件下使用。

温度测量电路如图3.10所示。

图3.10温度测量电路

MAX6675采用标准的SPI串行外设总线与单片机接口，因此它只能作为从设备即串行接口芯片。

SPI（SerialPeripheralInterface）总线系统是一种同步串行外设接口，是Motorola公司推出的总线标准，它可以使单片机与各种外围设备以串行方式进行通信以交换数据。

以单路热电偶为例来说明MAX6675与C51系列单片机的接口连接。

由于C51系列单片机不具有SPI串行总线接口，可以使用软件来模拟SPI操作，包括串行时钟、数据输入和数据输出。

MAX6675作为测量热电偶的专用芯片，最大的特点是内部集成有冷端补偿电路，它类似一个AD590这样的温度传感器，通过感应芯片周围的温度来得到此时热电偶的冷端温度值，即是通过冷端补偿检测和校正周围温度变化的。

当热电偶的冷端与芯片温度相等时，MAX6675可获得最佳的测量精度。

因此在实际测温应用中，应尽量避免在MAX6675附近放置发热器件，这样会造成冷端误差。

同时热电偶的输入负极T-必须接地，且尽可能地靠近MAX6675的引脚地；由于冷端温度是由MAX6675本身检测到的，在设计印刷电路板时，为了提高测量的精确度，地线尽可能地加粗。

由实验结果来看，MAX6675成功解决了热电偶非线性、冷端补偿等影响热电偶测量精度的问题，试验结果误差在0.5℃左右，相对与测量范围在几XX的热电偶来说，完全达到了测量精度，因此它可广泛使用在热电偶温度信号的采集装置中，从而大大减少装置的体积，减轻系统软硬件设计的困难，提高装置运行的可靠性。

除此之外，此芯片亦可用于热电偶自动检定等其他需要使用热电偶测量的场合中。

3.3通信电路设计

串行接口是一种可以将接受来自CPU的并行数据字符转换为连续的串行数据流发送出去，同时可将接受的串行数据流转换为并行的数据字符供给CPU的器件。

一般完成这种功能的电路，我们称为串行接口电路。

串口通信是指外设和计算机间，通过数据信号线、地线、控制线等，按位进行传输数据的一种通讯方式。

这种通信方式使用的数据线少，在远距离通信中可以节约通信成本，但其传输速度比并行传输低。

串口是计算机上一种非常通用的设备通信协议。

大多数计算机（不包括笔记本电脑）包含两个基于RS-232的串口。

串口同时也是仪器仪表设备通用的通信协议；很多GPIB兼容的设备也带有RS-232口。

同时，串口通信协议也可以用于获取远程采集设备的数据。

RS-232（ANSI/EIA-232标准）是IBM-PC及其兼容机上的串行连接标准。

可用于许多用途，比如连接鼠标、打印机或者Modem，同时也可以接工业仪器仪表。

用于驱动和连线的改进，实际应用中RS-232的传输长度或者速度常常超过标准的值。

RS-232只限于PC串口和设备间点对点的通信。

RS-232串口通信最远距离是50英尺。

本设计中选用的是MAX232芯片，MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的接口电路,使用+5v单电源供电。

MAX232是一种双组驱动器/接收器，片内含有一个电容性电压发生器以便在单5V电源供电时提供EIA/TIA-232-E电平。

每个接收器将EIA/TIA-232-E电平输入转换为5VTTL/CMOS电平。

这些接收器具有1.3V的典型门限值及0.5V的典型迟滞，而且可以接收±30V的输入。

每个驱动器将TTL/CMOS输入电平转换为EIA/TIA-232-E电平。

串口电路如图3.12所示。

这里232芯片把单片机的TTL电平转换成与电脑通信的RS232电平MAX232的工作温度范围为0℃至70℃，MAX232I的工作温度范围为-40℃至85℃。

内部结构基本可分三个部分：

1）第一部分是电荷泵电路。

由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。

功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。

2）第二部分是数据转换通道。

由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。

其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。

8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。

TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。

3）第三部分是供电。

15脚GND、16脚VCC（+5v）。

芯片图如图3.12所示。

图3.11MAX232芯片

图3.12串口电路

4贴片焊机温度测试仪系统软件设计

4.1贴片焊机温度测试仪主程序设计

主程序主要功能是负责中断初始化、各寄存器的初始化和各子程序的调用。

如图4.1所示

图4.1主程序框图

4.2多路温度查询子程序设计

因为独立键盘接的是单片机1的外部中断0，所以当它按下去时的产生的下降沿触发外部中断，在中断处理程序中根据中断次数读取储存的温度。

在中断处理程序中关中断是为了消除按键抖动触发另一次中断。

如图4.2所示。

图4.2多路温度查询子程序框图

4.3BCD码转换子程序设计

此子程序主要功能是进行BCD转换，因单片机输入端接受的是16位的二进制数，显示时必须化成BCD码才能显示正确结果。

如图4.3所示。

图4.3温度转换子程序框图

4.4温度设置子程序设计

此子程序主要功能是完成温度的设置，包括上限设置、下限设置。

通过切换“+”“—”按键分别设置上、下限温度。

然后显示测量温度。

如图4.4所示

图4.4温度设置子程序框图

4.5温度显示程序设计

温度显示是指测量温度显示，都是通过LCD液晶显示屏显示。

通过按键S2、S3、S4、S5来控制测量温度的单点查询、温度点加、温度点减、循环显示。

如图4.5所示。

图4.5温度显示子程序框图

4.6温度上下限比较子程序

此程序是用来比较两个设定温度的，当下限温度设置高于上限温度设置时，通过比较，上、下限温度互换，这样就可以保证上限温度永远大于下限温度值。

如图4.6所示

图4.6温度上下限比较子程序框图

4.6.1当前温度与上限温度比较子程序设计

这个子程序用于测量当前温度是否超过了上限设置温度，如果超过，则报警。

如图4.7所示

图4.7当前温度与上限比较程序框图

4.6.2当前温度于下限温度比较子程序设计

这个子程序用于测量当前温度是否低于下限设置温度，如果低于，则报警。

如图4.8所示。

图4.8当前温度与下限比较程序框图

5贴片焊机温度测试仪仿真与调试

5.1仿真软件介绍

本次设计采用的仿真软件是Proteus，ProteusISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。

它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析（SPICE）各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：

1　实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。

具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。

2　支持主流单片机系统的仿真。

目前支持的单片机类型有：

68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。

3　提供软件调试功能。

在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如KeilC51uVision2等软件。

4　具有强大的原理图绘制功能。

总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。

本章介绍ProteusISIS软件的工作环境。

仿真软件打开如图5.1所示。

图5.1仿真软件图

ProteusISIS的工作界面是一种标准的Windows界面，如图5.2所示。

包括：

标题栏、主菜单、标准工具栏、绘图工具栏、状态栏、对象选择按钮、预览对象方位控制按钮、仿真进程控制按钮、预览窗口、对象选择器窗口、图形编辑窗口。

如图5.2所示。

图5.2ProteusISIS的工作界面

5.2多路温度测量单点查询

运行Proteus仿真软件，打开本次设计的工程，运行仿真。

首先按