全自动粉末封装机温控系统设计

2010-09-11裴有柱

制造业自动化 2010年14期

关键词：热电阻电桥温度控制

裴有柱

（天津电子信息职业技术学院，天津 300312）

全自动粉末封装机温控系统设计

裴有柱

（天津电子信息职业技术学院，天津 300312）

从提高粉末封装机温度控制与检测精度的角度介绍89S52单片机温制系统的设计。选用普通高效的热电阻测量电路和性价比高的芯片，节约了设计的成本和硬件的消耗，并保障了对烤箱温度的有效控制，使其具有精度高、价格低，简单灵活等优点。该设计实际工作表现良好，有很好的应用前景。

89S52单片机；温度检测；温度控制；接口电路

0 引言

全自动粉末封装机是一种能均匀地把粉体经加热手段封装于电子部件上的设备，由于封装后外形美观，均匀光滑，立体感强，故适用于电阻器、电容器等部件的封装工艺，更能满足电子仪器，电器设备及计算机设备等机电产品的需要。

在整个电子部件封装过程中，对温度进行有效地控制是一项非常重要的工作，利用单片机对烤箱的温度进行控制，具有精度高、价格低，简单灵活等优点，能很好地满足粉末封装工艺的要求。本文将着重从温度调控的角度介绍单片机温度控制系统的原理与方法。

1 系统硬件设计

整个温度控制系统由温度检测模块，温度控制模块，键盘设置（单片机与外部接口电路）模块，LED显示(单片机与外围设备)模块等部分组成（不包括烤箱）。单片机温度控制系统框图如图1所示。

图1 温度控制系统框图

2 温度检测

准确监测烤箱内的温度是实现高精度温度控制和粉末封装的前提，故准确的检测是做好温度控制的第一步，也是硬件设计中最关键的一步。为了将变化的温度值转化为变化的电压信号，以热电阻作为检测元件（热电阻和热电偶是工业生产过程自动化最常用的两种温度传感器，热电阻由于在测量的灵敏度、线性度、稳定性、抗干扰能力等诸多方面均优于热电偶，因此选用之），根据被控温度的测量范围及控温精度，选用Pt100铂电阻，其测温范围-50～650℃。由于热电阻变化输出电压信号太小，需要连接变送器，用变送器将热电阻变化输出的电压转变成为0～5V电压信号。而变送以后生成的电压也不是一个可为单片机进行控制的数字量，所以必须进行模数转化，模数转换芯片的位数，转换速率则应根据实际工作需要选择。由此可以看出温度检测的精度取决于：1）设计合理实用的变送器（温度检测放大电路）；2）增加模数转换器的位数。

2.1 温度检测放大电路

准确的检测和合理的信号转换电路是实现高精度温度控制的关键。设计中利用由热电阻温度传感器构成的电桥，先将温度转换成电压信号，然后将温度采样值与温度设定值的差值放大，再经A/D转换送至89S52，温度信号测量电路的组成如图2所示。

当温度变化时，铂电阻阻值随温度变化而变化，为了测出某一时刻的温度值，可把电阻阻值的变化转化成电压的变化。设计中采用了平衡电桥法，如图2所示。Pt100作为电桥的一个桥臂，R1、R2、R3三个电阻构成其他三个桥臂。在0℃时，电桥给出电压为0，温度升高或降低时，Pt100阻值增加或减小，电桥平衡状态被打破，电桥输出电压的大小反映了温度变化的大小。

图2 温度信号测量电路

电桥输出电压一般在几毫伏到几十毫伏，故需要放大。为了减小失调和温漂对温度信号的影响，通常使用测量放大器。在图2中集成放大器A1、A2、A3及相应的外围电路构成差分放大电路，它具有高输入阻抗，低输出阻抗，强抗共模干扰能力，低温漂，低失调电压和高增益等特点。R10和C1构成积分电路，用来增加系统的惯性，对信号起阻尼作用。当取R6=R7= R8= R9，R 4= R5时，差分放大器的电压增益为：

通过适当调整电阻RW就可以获得较理想的电压增益，再将经过处理的温度传感器感测到的电信号UT放大后，送入下一级的差值放大电路的负相端。系统的炉温工艺曲线经分段换算后转换为对应的电压数据DTS，再经过进制转换后以表格的形式存入E2PROM中。当系统投入运行后，为了实现误差测量，单片机依据时钟定时器，按一定的时间间隔将数据通过总线传至DAC0832与A4构成D/A数模转换器，经D/A转换后的模拟电压UTS，送入由A5、R11、R12、R13和R14构成的差值检测放大电路的正相端，与经过转换的采样电压值UT作差，得到的差值放大后送入A/D转换器ICL7135。

C1和R10构成积分电路，以增加系统的惯性，对变化较快的信号起阻尼作用。

2.2 增加模数转换器件位数

为了能达到最好的性价比与控制结果，本设计采用价格低廉的双斜积分式4位半单片A/D转换器ICL7135，尽量少占用微处理器I/O 口线，以最少原器件、完成尽可能多的任务。利用7135的“BUSY”端，只需占用单片机89S52 的一个I/O口和内部的一个定时器，就可以在十几微秒的中断服务程序中把ICL7135的A/D 转换值送入单片机89S52内。

ICL7135为28脚DIP封装。为了节约89S52的I/O端口，使用ICL7135的串行工作模式，只用两个I/O完成工作。如图3所示。

图3 ICL7135与89S52的连接

将89S52的ALE（30脚）进行四分频，得到500KHz的时钟，作为频率发生器，与ICL7135的CLK（22脚）相连；利用ICL7135的“BUSY”输出信号（21脚）与单片机89S52的INT0(12脚)相连，计数"BUSY"高电平的周期数。

其工作原理如下：ICL7135是以双积分方式进行A/D转换的电路。每个转换周期分为三个阶段：1）自校零阶段；2）被测电压积分阶段；3）对基准电压进行反积分阶段。以输入电压Vx为例，其积分器输出端（ICL7135的4脚）的波形如图4所示。“BUSY”输出端（ICL7135的21脚）高电平的宽度等于积分和反积分时间之和。ICL7135内部规定积分时间固定为10000个时钟脉冲时间，反积分时间长度与被测电压的大小成比例。如果利用单片机内部的计数器对ICL7135的时钟脉冲计数，用“BUSY”作为计数器门控信号，控制计数器只能在BUSY为高电平时计数，将这段BUSY高电平时间内计数器的内容减去10000，其余数便等于被测电压的数值。

图4 “BUSY”输出波形

3 温度控制

本设计采用89S52为微控制芯片，从键盘设置得到温度控制的数字量，然后经12位数模转换器DAC7611并放大转换成0～12V的模拟量控制加热电阻丝的功率。选用89S52单片机的原因是它有较宽的工作频率范围：0～40MHZ；更宽的工作温度范围-40℃～+85℃；并且可通过串口（P3.0/ P3.1）直接下载用户程序（8K程序3秒即可完成一片）。这样选择可以使本设计有更好的通用性，适应性，并有更大升级空间。而选用DAC7611的原因于用ICL7135相似，串行，占用I/O口较少；功耗低；性能也满足要求。主要性能：12位串行数模转（1/4096），最高可适应20MHz时钟，低功耗（2.5mW）。具体的连接是：（2脚）与52单片机（P3.6）连接做片选信号；CLK（3 脚）与（P3.7）连接做时钟信号；SDI（4脚）与 T1连接做串行信号输入口；（5脚）与P1.2连接做下载选通信号；（6脚）与1（P3.3）连接做异步清零信号。这样只用5个I/O口完成了DAC7611与单片机的连接。