中功率快速升温T12电烙铁设计与实现

叶莎莎,胡磐石,肖永军*,黄建红,陈节高,曾佳豪,黄浩荣,刘志豪

(1.湖北工程学院 物理与电子信息工程学院,湖北 孝感 4320002.孝感市科先电力工程设计咨询有限公司,湖北 孝感 432000)

电烙铁是电子设计、调试以及电子产品维修的必要工具,主要用来焊接电路板、导线及电子元器件,基本上每个涉及电子的行业都需要用电烙铁进行焊接。普通电烙铁的烙铁头大部分是纯铜,而烙铁的加热装置大部分是电阻丝,在使用的过程中极易漏电,容易导致触电风险[1-4]。另外,此类烙铁存在“高温空烧”的问题,导致烙铁不易沾锡,而且温度不能恒定、不可调节[5-9]。相比之下,恒温电烙铁采用数字式温度控制技术,具有高精度、多功能等特性[10-11]。因此,本文尝试以STM32F103T8U6为控制核心,搭配Type-C电源输入、PD诱导电路、降压电路、温度传感及其信号处理电路、MOS管驱动电路、加速度传感器电路等一些硬件部分,设计并制作T12电烙铁,在此基础上研究如何实现精准的温度控制,以及如何在不同的工作环境下自动调节温度。

1 快速升温T12电烙铁硬件设计

T12电烙铁总体设计框图如图1所示,主要由STM32F103T8U6单片机、Type-C电源输入、PD诱导电路、降压电路、温度传感及其信号处理电路、MOS管驱动电路、加速度传感器电路、OLED显示电路和按键电路组成。烙铁头的温度由温度传感器获取到,并经过电压放大、滤波之后,送至单片机AD端子,单片机将测得的电压转换为温度数据,并与设定值比较,计算出新PWM占空比并驱动MOS管开关使焊咀发热,通过控制占空比稳定温度值,并将检测的温度显示在OLED上。通过按键模块实现设定温度的加减,当加速度传感器检测到电烙铁静止时电烙铁停止加热,进入睡眠模式。本文可以实现高精度控温,低功耗工作,具有使用安全、操作简单、携带方便等优点。

图1 系统总体设计框图

1.1 STM32F103T8U6单片机最小系统设计

STM32F103T8U6是一款只存在QFPN-36封装的F1系列Cotex-M3内核单片机,共计36个引脚,其中最大24个IO口,专用的PWM接口、SCI、I2C通信接口均具备。该单片机外围也需要配置晶振电路(8 M晶振,最大倍频后为72 MHz主频)、复位电路以及下载设置电路。最小系统电路图如图2所示,C13、C14和OSC1组成晶振电路,SW2、R11、C16构成手动复位电路,R9为下拉电阻,主要设置STM32单片机的启动方式。

图2 STM32F103T8U6最小系统原理图

1.2 Type-C接口电源输入及PD诱导电路设计

为方便进行焊接控制,系统采用了Type-C接口接入直流电源,经过PD诱导后,得到20 V的直流电压,进而施加在MOS管上,给负载供电。

电源输入设计原理图如图3所示。Type-C比之前的Micro USB接口允许的电流大,适合高功率供电,充电速度快,大大减少了充电时间。采用新的USB PD标准的USB Type-C连接器可将功率提高到100 W,并允许双向电流,本文采用接近60 W供电。D+、D-为USB2.0的信号线。TX1/RX1和TX2/RX2为数据线,用于与设备传输数据,为全双工。Type-C数据线不分正反,支持盲插,使用起来非常方便。PCB板上需要一颗电源诱导芯片与CC1或CC2通信,从而诱导芯片控制电源适配器输出响应电压或传输数据。故本文只需要连接1至5号和11号引脚即可达到输出20 V的要求。

图3 Type-C电源输入原理图

HUSB238已取得USB-IF的PD3.0认证,只需要VSET端连接相应电阻即可输出对应电压。外部电阻网络设置动态申请电压值如表1所示。本文设计需要较高电压,故VSET外部不需要接电阻直接短路,VBUS即可产生20 V电压。

表1 外部电阻网络设置动态申请电压值

1.3 MOS驱动电路设计

MOS管驱动电路原理图如图4所示,AON7409为P沟道场效应管,正常工作时P沟道MOS管的衬底必须与源极相连,而漏极对源极的电压VDS应为负值,以保证两个P区与衬底之间的PN结均为反偏。源栅极最高耐压为25 V,为保证导通效果更好,采用接近-20 V电压驱动,STM32的引脚最大耐压为5 V,故需要在MOS管栅极加三极管驱动20 V电压。当三极管基极为高电平即PWM输出为3.3 V时;三极管处于导通状态,同时MOS管栅极电压接近0 V,MOS管栅源电压接近-20 V,此时MOS管接近完全导通状态,P+端电压变为VBUS,给焊咀供电,电烙铁发热。

图4 MOS管驱动电路原理图

2 快速升温T12电烙铁软件设计

软件执行总流程图如图5所示,主程序的主要功能是负责采集温度,产生PWM,读取按键,检测加速度并显示在OLED屏幕上。

图5 软件执行总流程图

系统上电后,中断、OLED、ADC和GPIO口初始化,ADC检测温度值后显示温度,再与设定值进行PID计算,然后输出对应占空比的PWM波,随后再次检测形成负反馈控制温度稳定。期间允许用户通过按键设定目标温度值。同时,单片机不断检测加速度传感器数据,判定系统是否在被使用,若长时间(内部程序设定)搁置未使用,则断开烙铁头电源,从而避免长期干烧导致电烙铁寿命降低。

3 测试及结果分析

3.1 T12电烙铁实物制作

实物外壳使用Creo进行绘制,并使用嘉立创的三维猴进行3D打印,使用LEDO 6060材料,该材料热变形温度为56 ℃,韧性好、强度高,防水防潮,尺寸稳定性高,适合本文设计需求。3D模型图如图6所示,图7为T12电烙铁装配前散件图,图8为T12电烙铁装配后实物图。

图6 T12电烙铁外壳3D模型图

图7 T12电烙铁装配前散件图

图8 T12电烙铁装配后实物图

3.2 测试结果分析

升温速度以及温度稳定性是电烙铁的重要的性能指标,所以针对温度控制准确性、稳定性以及升温速度进行了测试,测试方式是:插上电烙铁,使烙铁从常温升至目标温度,温度稳定后,记录升温时间。之后用风扇强迫烙铁头温度降至常温,等待一段时间后再次测试。同时用电烙铁接触市售的温度传感器,并从测试设备上读取数值与电烙铁显示的温度进行对比。详细的测试数据如表2所示。

表2 电烙铁性能测试数据表

由此可见,温度控制误差和温度显示误差在±2 ℃以内,说明该设计能较好稳定控制温度和准确显示温度值。从常温升至350 ℃所需时间约为13.2 s,且温度越高升温越快,从350 ℃至450 ℃仅需5.4 s。同时当电烙铁放置桌面静止不动时,一定时间之后OLED显示“休眠中”,说明电烙铁停止加热,进入休眠模式。当再次拿起时,烙铁快速进行加热状态。

4 结束语

设计的电烙铁采用Type-C接口引入,PD诱导供电,系统上电后,电源稳定输出20 V,降压电路输出稳定5 V左右,稳压电路输出3.3 V,电源输出正常运行,功率在正常范围内波动。电烙铁使用时驱动电路正常关断能够驱动烙铁头发热,OLED显示屏正常显示设定温度和检测温度,屏幕显示正常,可实时显示电烙铁温度。用电烙铁温度测量仪测试烙铁头温度稳定在设定值左右,屏幕显示温度准确,误差小于3 ℃。从室温上升至350 ℃所用时间小于15 s,温度控制在50 ～ 550 ℃内,按键可正常调节设定温度。采用3D外壳打印,安装方便,使用便捷。