基于ARM的多功能综合焊台的研究与开发

卢志椿

【摘 要】焊台是进行电子产品研发、调试和维修时必不可少的工具，而焊台的研发对产品的性能和稳定性具有直接影响。目前，在使用焊台时，经常出现电烙铁温度不可控、热风枪拆装贴片芯片时不方便、吸锡器堵塞和吸锡效果差等问题。为此，文章基于ARM展开多功能综合焊台的研究与开发，综合焊台由电烙铁、热风枪、真空吸锡器组成，以ARM为主控芯片，能精准控制电烙铁温度和设置热风枪的热风温度与热风风量，同时电烙铁温度、热风温度和风量均可通过按键设定且在OLED屏幕显示出来。实验证明，文章设计的多功能综合焊台较传统焊接技术，施焊效率提升1.2倍，适用于大批量电子焊接工艺。

【关键词】ARM;多功能;焊台

【中图分类号】TP273 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2019）03-0111-03

1 研究和开发背景

在日常的电子产品开发、调试和焊装过程中，焊台是必不可少的工具。目前，在高校中的模拟电子技术等专业课程上，需用训练学生焊接電子元器件及按电路图完成电子元件的焊接。然而学生使用的焊接工具主要是普通的电烙铁，普通的电烙铁是采用简单的电热丝加热方式，普遍存在加热速度慢、烙铁温度不可知且不可调等问题。在日常使用过程中，无法满足快速、长时间焊接的需求，降低了焊接效率、增加了焊接时间，使电子元件更容易损坏，特别是在焊接多管脚的芯片时，这个问题更加突出，严重影响焊接成功率。

并且，在电子产品的安装调试焊接过程中，存在需要将部分电子元器件拆除或更换的情况，通常会用到吸锡器，传统吸锡器为手动式，大多由铝合金和塑料组成，长时间使用会造成吸锡器的吸头高温变形，手动吸锡器也需要经常清零锡渣，使用效果不理想。与此同时，随着科技的进步，大量的元器件以贴片的形式封装，有些芯片焊盘则隐藏在芯片底部，拆装更换电子元器件时，必须依赖热风枪，普通热风枪的吹风温度和风量不易控制，经常出现高温损伤元器件的情况。

鉴于此，本文提出研究开发一种多功能焊台，能够实现对电焊温度及热风枪的出风量和温度的调节与监控，提供友好的人机交互界面，可通过按钮实现对上述参数的调节，并且将温度和风量信息通过屏幕显示出来。同时，焊台配备电动真空吸锡器，可实现对直插元件管脚焊锡的高效率吸除。

2 多功能综合焊台的设计

本文对多功能焊台的设计均从解决实际问题出发，抓住传统焊台的痛点问题，有针对性地进行设计和开发。

2.1 整体设计

进行多功能综合焊台的整体设计，这是开展各项具体设计的第一步。本文先明确多功能综合焊台需要实现的各项功能：电烙铁温度可调节;热风枪的出风温度和出风风量可调节;电烙铁温度、热风枪出风温度和热风枪出风风量可以友好地显示;配备电动真空吸锡器。

为此，本文设计多功能综合焊台的硬件架构（如图1所示），之后将逐个开展各部分硬件电路及软件程序的设计。

2.2 硬件电路设计

2.2.1 ARM最小系统

该多功能综合焊台以ARM为主控芯片，本文选用ARMCortex-M4F核心，芯片型号为M481，该芯片是NUVOTON公司推出的带有DSP指令集的ARM微处理器，其主要特点是使用简便、功耗低、高效能。

2.2.2 电烙铁模块

多功能焊台要实现对电烙铁温度的控制和监控，需要控制电烙铁加热管，并且能实时获取电烙铁的温度。

首先，为了满足电烙铁快速温升的需求，这里为电烙铁配置80 W大功率的发热管，当焊台的主控ARM判断需要对烙铁加热时，则向外发送指令，即由ARM控制电烙铁发热管的启动和关闭。本文设计ARM连接三极管，三极管连接继电器，继电器连接发热管，以此作为控制发热管工作的开关。当ARM判定电烙铁温度未达到要求，则控制发热管启动加热;当判定电烙铁温度已达到要求，则控制发热管关闭。

其次，在判定电烙铁温度是否达到要求时，需要准确地获取电烙铁的温度，因此必须设计电烙铁温度采集部分的电路。由于电烙铁正常工作时的温度一般在300 ℃以上，则常规的温度传感器或传感芯片将不能适用，因此本文选择热电偶作为采集电烙铁温度的传感元件。热电偶可视作为能量转换器件，即将热能转换成电能，其本身具有安装简单、使用便捷的特点，同时其测量温度范围宽、机械强度较高、热反应时间极短，精度高，可靠性和使用寿命也较为理想。此外，本文需要设计数模转换的电路，将热电偶输出的电动势转换为数字信号，传送至ARM。本文选用TM7709作为数模转换芯片，该芯片为单通道、24位的高精度ADC，数模转换的结果可通过串行数据接口送至ARM，能够满足对电烙铁测温的需求。

2.2.3 热风枪模块

焊台设计需求中，提出了热风枪的出风温度和出风风量可调节的要求。热风枪吹出热风，需要加热管和风扇。本文为热风枪配备了650 W的加热管，满足热风枪极短时间内温升的需求。为了控制热风枪的出风量，本文为热风枪配备了4个小型直流风扇，ARM可通过三极管分别控制4个直流风扇的开断，以此实现多挡调节风枪出风量。

此外，同电烙铁一样，热风枪将出风温度维持在设置温度一致，因此需要实时采集出风温度，控制加热管是否工作，此部分电路原理与电烙铁部分近似，这里不再赘述。

2.2.4 OLED显示模块

在电子开发人员实际使用焊台的过程中，需要准确清晰地获知当前电烙铁的温度、热风枪的出风温度和出风量，本文选用OLED屏幕作为综合焊台的显示部分，同时为了功能的清晰划分，电烙铁和热风枪的信息各用一块OLED显示屏。

OLED屏幕本身具有自发光、不需要背光源、高对比度、厚度小及超广视角等特点，广泛应用于电子产品的显示机构上。本文选用128×128高分辨率的OLED屏幕，可视角度在160°以上，亮度和对比度可以通过程序指令控制，可通过I2C总线的形式与ARM连接，以此达到控制显示内容的目的。

2.2.5 按键模块

为了提供人工调节电烙铁温度、热风枪出风温度和出风量的接口，本文为多功能焊台设计按键控制电路。这里一共布置4个按键，其中2个为旋转编码开关EC11，功能分别为主机电源的开关机、电烙铁温度升高和降低的调整、热风枪的功能开关、热风温度升高及温度降低调整、热分量加大及热风量减小的调节。

2.3 软件程序设计

综合焊台的各种功能实现需要依赖于ARM根据程序设计来执行，即通过软件编程的形式实现，本软件程序设计采用模块化的方式。

2.3.1 电烙铁温度的控制

综合焊台需要维持电烙铁温度在设定温度，因此需要采取PID闭环控制的方式。温度控制的整体思路如图2所示。

首先需要获取电烙铁的实时温度，从ADC芯片获取采样值，然后通过与热敏电阻的分度表进行比对，将采集到的电动势大小转换为温度值，得到当前电烙铁的温度T1。若T1低于设定温度T 2，则开启加热管，使电烙铁升温，达到设定的温度。

2.3.2 热风枪温度和出风量的控制

热风枪温度的控制思路与电烙铁温度控制的思路相同，这里不赘述。出风量的控制即根据设定的出风挡，控制开通的风扇，达到多挡控风的目的。

2.3.3 按键扫描和OLED的显示

按鍵扫描即不断地扫描按键接口电路的电平状态，以此获知操作人员通过按键输入的控制信息。OLED显示温度和风量等重要信息，电烙铁和热风枪的信息分屏显示。为了保证操作简洁方便且容错性强，本文设计对温度的调节为5 ℃一挡，即按键一次，温度增减5 ℃，温度调节范围为100～450 ℃，若超出温度调节范围则继续按键，焊台无响应。

3 试验验证

完成多功能焊台的软、硬件设计后，最终制成样机5台，在北海职业学院机电系的模拟电路和数字电路课上供学生使用，即对多功能焊台的效果进行试验验证，安排30名学生使用多功能焊台，安排另外30名学生使用普通焊接设备，即普通电烙铁、热风枪和普通吸锡器，均完成相同工作量的开发任务，对使用效果进行对比，进行量化后的结果见表1。

由表1可见，相比普通的焊接设备，多功能焊台在焊接时间、成品率和美观程度上均占有优势，其综合施焊效率为普通焊接设备的1.28倍。

4 结语

本文从实际应用出发，抓住电子设计开发过程中焊接设备存在的痛点问题，研究开发了基于ARM的多功能综合焊台，能实现对电烙铁温度、热风枪温度和出风量的精准控制，配备真空吸锡器，同时也将焊台信息友好地展示给开发者。经试验验证，能有效提高施焊效率1.2倍以上，是高校实验课程开设和电子设计开发人员的好帮手，具有显著的实用价值和现实意义。

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[责任编辑：陈泽琦]