基于单片机控制的小型回流焊接炉设计

梁 璐谢华燕.兰州职业技术学院电子与信息工程系 2.西安电子科技大学雷达信号处理国防科学技术重点实验室

基于单片机控制的小型回流焊接炉设计

梁 璐1，2谢华燕1
1.兰州职业技术学院电子与信息工程系 2.西安电子科技大学雷达信号处理国防科学技术重点实验室

伴随着表面组装技术（SMT，Surface Mount Technology）的成熟和电子装联技术新的发展高潮的到来，回流焊工艺成为表面组装技术焊接质量优劣的主因。本文结合实际回流焊接时的标准温度曲线的控制要求，通过设计小型回流焊炉保证回流焊接温度上升的速度和温度值的稳定度，实现了对回流焊工艺的实时有效控制，从而有效解决了SMT回流焊产品质量缺陷问题。

表面组装技术；回流焊；单片机；温度曲线

0　引言

随着电子产业的飞速发展，高集成度、高可靠性已经成为行业的新潮流。在这种趋势的推动下， SMT（表面贴装技术）得到了进一步的推广和发展。如今电子行业的公司在生产和研发中已经大量的应用了SMT工艺和表面贴装元器件（SMC/SMD）。因此，焊接过程也就无法避免的大量的使用回流焊机（reflow soldering）。回流焊作为表面贴装工艺生产的一个主要设备，它的正确使用无疑进一步确保了焊接质量和产品质量。设计小型回流焊炉可在实验室等小批量表面组装焊接时，节省成本，缩短生产周期。通过电路，机械结构，控制方式的特殊设计，仍然可以保证良好的焊接温度曲线，满足回流焊接温度上升的速度和温度值的稳定度，实现回流焊工艺的实时有效控制，从而有效解决了SMT回流焊产品质量缺陷问题。

1　设计原理

回流焊又称为再流焊，是通过重新熔化预先分配到印制板焊盘上的膏状软纤焊料，实现表面组装元器件焊端或引脚与印制板焊盘之间机械与电气连接的软钎焊。回流焊接在工艺上要满足如下要求：

1.1要设置合理的回流焊温度曲线¯¯回流焊是SMT生产中的关键工序，不恰当的温度曲线设置会导致出现焊接不完全、虚焊、元件翅立、锡珠多等焊接缺陷，影响产品质量。

1.2要按照PCB设计时的焊接方向进行焊接。

1.3焊接过程中，严防传送带震动。

针对回流焊接的工艺要求，常用的回流焊炉结构上主要由炉体、加热源、 PCB传输装置、空气循环装置、冷却装置、排风装置、温度控制装置，以及计算机控制系统组成。结构的完备与合理将极大的保证焊接时的温度曲线与产品设计加工要求的曲线吻合。

图1　回流焊温度曲线

从温度曲线（见图1）分析回流焊的原理：当PCB进入升温区（干燥区）时，焊膏中的溶剂、气体蒸发掉，同时，焊膏中的助焊剂润湿焊盘、元器件端头和引脚，焊膏软化、塌落、覆盖了焊盘、元器件端头和引脚与氧气隔离→PCB进入保温区时， PCB和元器件得到充分的预热，以防PCB突然进入焊接高温区而损坏PCB和元器件→当PCB进入焊接区时，温度迅速上升使焊膏达到熔化状态，液态焊锡对PCB的焊盘、元器件端头和引脚润湿、扩散、漫流或回流混合形成焊锡接点→PCB进入冷却区，使焊点凝固。此时完成了回流焊。

根据回流焊接的原理，结合实验室小批量生产的条件，本文规划焊接炉结构如图2所示。

图2　小型回流焊电路结构

从图中可以看到与SMT大批量生产中使用的回流焊接炉的结构相比，由于空间的限制，小型台式回流焊炉没有PCB传送装置，温度曲线的精确控制需要单片机控制加热装置以及空气循环、排风、冷却装置来保证炉内温度与焊接曲线的切合，这就要求在控制算法，硬件布局上进行精心设计。

2　系统软件设计

回流焊炉为了保证炉内温度与焊接曲线的切合，需要适时的检测炉内温度并驱动加热单元提高温度或是通过冷却装置、冷却装置降温。整个过程中对于温度的测量、比较和执行构成完整的闭环系统。因此在控制过程中运用PID控制方法，对炉腔内被控变量-温度的实际值进行测量，并与焊接时刻的温度曲线设定值相比较，用这个偏差来纠正控制系统的响应，执行调节控制。 PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入e（t）与输出u（t）的关系为：

因此，它的传递函数为：

其中KP为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数。

2.1温度控制程序设计

温度控制的工作机理是：外界对于炉内温度的各种扰动不断产生，为达到控制系统对于某时刻温度值保持恒定的目的，控制系统必须不断地进行温度测量和温度升降。当外部干扰使得温度值发生变化，温度检测元件就将细微变化采集后经信号调理电路送至单片机内，单片机作为PID控制核心，将检测值与预先设定的温度值进行比较得到偏差值，调节器按此偏差并以我们预先设定的整定参数控制规律发出控制信号，去改变调节器的开度，使之增加或减少，即驱动加热单元提高温度或是通过冷却装置、冷却装置降温。从而使炉腔内的温度值发生改变，并趋向于给定值，从而达到控制目的。简言之， PID的实质就是对偏差进行比例、积分、微分运算，根据运算结果控制执行部件的过程。控制方案如图3所示。

依据图3的控制方案，在单片机内部可以通过相应算法将温度传感器采样输入作为当前输入，然后与设定值进行相减得偏差，再对偏差值进行PID运算产生输出结果，最后控制定时器的时间进而控制加热器。为了方便更改PID控制参数，加快调试参数的效率，在进入闭环控制后，通过矩阵按键进行参数状态设定，此时暂退出闭环控制；然后通过按键分别设定KP、 TI、 TD等参数，当新的参数设置完成后，程序再次进入闭环状态工作。

2.2键盘程序流程图

键盘程序的设计采用中断方式，通过10ms延时消除按键的机械抖动。键盘程序中设置两个标志位Flag1和Flag2，其中Flag1是消抖动标志， Flag2用于按键的识别。当进入中断后，如果Flag1=0，则没有消除抖动，那么需判断是否有键按下；如果有键按下置Flag1=1，并退出程序，等待下次中断。如果再次中断，则继续判断是否有键按下，如有则说明是真正的按键按下，根据按键位置确定其功能并得到键值，设置Flag2=1，表明完成了按键的识别；如果没有按键被按下，则设置Flag1=0，重新扫描。

图3　 PID控制方案

3　硬件设计

小型回流焊炉的硬件电路设计围绕控制核心单片机展开，主要包括单片机最小系统，电源电路，温度调节电路，液晶显示电路等。通过各个电路模块之间的协同配合，实现了对于焊接温度精确控制以及焊接流程的完善。

3.1单片机最小系统

单片机最小系统选用宏晶（STC）公司STC12C5A60S2单片机作为核心，该芯片内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换，针对电机控制，强干扰场合。由于该单片机片内自带ADC，PWM电路，大大简化了整个系统电路的设计。

单片机最小系统包括单片机、电源、复位电路（含上电复位及按键复位）和时钟电路。设计实施时晶振选用12MHz，复位采用按键复位方式，方便使用和调试。此外，基本硬件系统中连接了键盘， LCD， ISP接口等外部设备，在保证回流焊接炉基本功能的同时，通过优化电路设计提高系统工作效率。

3.2温度调节系统

温度的调节的准确性、实时性是一台回流焊炉质量关键，此部分电路包括炉腔升温所必须的加热电路以及降温所需的空气循环和冷却电路。受台式结构的影响，在加热方面本设计回流焊炉采用红外加热与热风对流共同工作的方式，在上下加热区各有若干红外加热管和一个马达驱动的高速旋转叶轮，产生空气的吹力，空气经加热管加热后，从多孔板里吹出到PCB板上。马达转速越快，风力越大，热交换能力越强。

PCB板在回流焊接后，将进入冷却区进行冷却，如此才能得到良好的焊接效果。冷却区的结构是一个水循环的热交换器。冷却风扇把热气吹到循环水换热器后，经降温的气体再吹到PCB板上。热交换器内的热量经循环水带走，循环水经降温后再流回换热器。

回流焊炉的加热区的温度控制都是独立的闭环控制系统。温度控制器通过PID控制把温度保持在设定值。因此回流焊炉内温度的调节需要温度传感器来采集，温度传感器采用的热偶线，装在多孔板的下面，感应气流的温度，反馈温度信息给单片机进行温度调节。

3.3显示电路

显示电路选用ST7920控制核心的12864点阵LCD显示器。LCD与MCU的通信接口设计可以使用直接或间接的访问方式。在本设计中单片机通过I/O口与STC12C5A60S2并行连接。

4　结束语

回流焊的演变始终是跟随电子装联技术的发展而变化的。本文针对特定条件设计的回流焊炉通过PID控制算法，提高了炉内温度的控制精度，满足了现阶段在实验室环境进行SMT组装焊接的要求，通过大量的实验，观测数据，证明本文涉及的回流焊炉能够有效降低SMT加工中因回流焊接设备不佳造成的质量缺陷，同时希望本文提出的控制方案能为类似的应用提供参考。

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2015年度甘肃省高等学校科学研究自筹经费项目（编号：2015B-185）