目前市场上多种多样，功能方面不能达到使用者的预期，且板面材质粗糙易脏，收拾打扫不易，对于电子爱好者来说需要能够自己动手做一款低成本简洁且心仪的。本文设计的具有多种功能，适合多种使用场合，台面光滑整洁，可以用于电子元器件焊接回流焊，加热拆卸手机壳等，最高温度可达250 ℃并保持，加上智能温度控制系统和多种模式切换，外观新颖设计合理，可成为电子爱好者必备的开发工具。本文介绍的系统主要包括以下模块：印刷加热台、主控制板、温度采集系统、液晶LCD 显示模块、按键输入模块、外观结构设计等。控制板是整个系统的核心大脑，将按键输入和温度输入整合后做出处理，通过PID 算法合理输出PWM 控制MOS管加热系统，显示模块显示当前加热台温度及运行模式，结构外观设计合理便于使用。

1   总体方案设计

本设计的总体目标是采集用户输入的按键信息和温度信息，进行整合后采用PID 算法^[6]控制输出PWM波驱动MOS 管^[2]，印刷上均匀分布着覆铜走线，根据欧姆定律可知，电流流过导线可以产生热量，进而实现平面加热，由于存在温度采集模块，整个系统处于闭环状态，达到温度能够精确控制的目的。整个方案如下：

系统上电后首先读取内部FLASH数据，判断当前运行的模式及设定的温度，然后通过读取IO口采集按键信息，设定目标温度及运行模式，通过ADC模数转换获取加热台温度数据，将目标温度和实际温度通过，输出PWM 控制MOS管，让铜箔层通电，流过的电流即可开始对铝基板加热，铝基板又通过温度传感器反馈到控制板，达到闭环控制目的。各个模块之间关系如图1所示。

2   系统硬件设计

系统硬件大致可分为铝基板电路、主控制板电路，下面分别介绍两个板子电路原理图。

2.1 铝基板电路

铝基板是一种具有良好散热功能的金属基覆铜板，一般来说单面板由三层结构组成，依次为铜箔层、绝缘层和金属铝层，高端的也有单面双层板，结构层依次为顶层铜箔层、绝缘层、底层铜箔层、绝缘层和金属铝层。

本设计采用的是单层单面铝基板，采用其良好的散热性能，故可以达到热面均衡的目的^[3]。

要达到散热均衡，导线都是有电阻的，根据欧姆定律，要求铜箔层布线均衡，所以布线本设计采用希尔伯特曲线。

本文预估设计功率为200W左右，电压为24V直流电，根据公式

P: 功率，U：电压，R：电阻

可计算出所需铜箔电阻为2.88 Ω。根据PCB 走线电阻公式

R：电阻，： ρ 铜电阻率，L：走线长度，W：走线宽度，D：铜箔厚度

在走线宽度和铜箔厚度确定的前提下可计算出所需走线的长度L。

希尔伯特曲线是一种能够填充满一个平面正方形的分形曲线（空间填充曲线），由大卫. 希尔伯特在1891年提出，希尔伯特曲线长度计算公式为：

L：曲线总长度，N：曲线阶数。D：单位长度，M：方形边长度

希尔伯特曲线如图2所示：

图2 希尔伯特曲线

选择合适铜箔走线宽度和厚度以及希尔伯特曲线阶数，当然阶数越高导线分布越均衡，根据PCB 电阻公式和希尔伯特曲线长度公式可计算出所需的布线参考值，当然这是理论值，实际情况还会受到PCB 加工误差、90° 拐角计算误差等因素影响。

本文设计的铝基板PCB 电路如图3 所示：

图3 铝基板PCB

2.2 控制板电路

2.2.1 主控芯片

主控芯片采用的是 单片机^[5]，是国内宏晶科技生产的单时钟周期1T 的单片机，它是新一代8051 单片机，低成本，指令兼容传统的8051，速度提升8-12 倍，内部集成2 路PWM，8 路高速10 位AD转换，转换速度250 K/S，具有可编程数据的更新方式，60 KB FLASGH 内存，1 280 字节片内RAM，具有低成本高性能的优势^[7]，适用于本文系统低成本控制思路。如图4 所示为主控芯片最小系统：

图4 系统最小系统原理图

2.2.2 程序下载电路

单片机硬件实现了ISP 和IAP 在线可编程系统，可以通过串口烧写程序，本电路是通过CH340G芯片实现USB电平转UART，串口电平连接单片机P3.0和P3.1引脚，能够通过USB 在STC 在线烧写程序软件下向单片机烧写程序，电路图如图5 所示：

图5 下载电路原理

2.2.3 液晶显示模块

液晶型号采用的是LCD1602，是广泛使用的一种字符型液晶显示模块，能够显示字母数字以及符号，主要由液晶显示屏、控制驱动电路、电容和电阻组成。其控制引脚RS、RW 和E 引脚分别连接在单片机P0.5-P0.7引脚上，8 bit 数据接口分别接在P2.0-P2.7 引脚上。

2.2.4 加热驱动电路

加热驱动电路选用的是下桥驱动，选用N 沟道的MOS，MOS管打开即可开始加热，因为本文设计功率为24 V200 W，所以需要选用合理的MOS 管，以防止炸管，为考虑到成本问题，本文选用的是三款便宜低RdsON导通电阻的MOS 管并联的方式，以达到安全使用的目的，采用一颗S8050 三极管驱动三个MOS 管栅极，起增加带载能力和隔离保护的作用。

2.2.5 按键模块

本文设计的按键一共四个，作用分别是模式选择按键，待机开机按键，温度加按键，温度减按键，电路上设计上拉电阻，低电平触发有效。

2.2.6 温度传感器模块

温度传感器模块采用的是MAX6675芯片，是一个嵌入12 bit模数转换器复杂的热电偶数字转换器，该芯片包含了冷端补偿和校正电路、一个数字控制器、SPI兼容接口和与之相关的控制逻辑[8]。

3   系统软件设计

本文设计的系统选用的是KEIL C51 平台编程软件^[1]，采用STC 专有的下载软件烧写程序，软件系统整体采用模块设计，便于维护和浏览，系统主要由初始化子程序、读写内部FLASH 子程序、开环加热和闭环加热子程序、液晶显示程序和按键采集子程序构成。系统运行有两种模式，可由模式按键进行选择，模式一：闭环控制，由用户设定目标温度，设定完之后存储于内部FLASH，防止掉电丢失数据，温度在闭环控制下能够精确控制，达到恒温效果；模式二：开环控制，按键设定温度无效，加热台自行工作。系统软件流程图如图6 所示：

4   系统结构设计

系统结构设计本着简单耐用好看角度出发，采用分层模块化设计，3D 图如图7 所示：

1 铝基板加热台置于顶层，固定方式采用两个陶瓷螺丝和两个支撑螺丝，考虑到固定绝缘的问题，所以采用内六角沉头陶瓷螺丝，该螺丝不占用加热台表面空间，具有耐高温高硬度和绝缘的特点。温度传感器固定于加热台底面，可采用韧性好、强度高、防震防潮和耐高温的卡夫特胶固定于平台底面，紧密贴合不易掉落。

2 显示液晶屏位于加热台侧面，便于观察温度和运行模式，其四周安装有四个按键，便于用户按键输入信息，调节温度和模式的切换。

图7 加热台3D结构

5   系统实测效果

完成了硬件焊接、软件编写和结构搭建的工作后，开始上电调试测试，对加热效果和长时间运行测试，最后实际进行回流焊接^[4]和加热手机壳测试。实际测试表明，功能设计合理，整体设计达到预期目的，加热升温迅速，恒温保持稳定，耐久测试良好。实际液晶显示效果如图8 所示：

图8 实测效果图

6   结束语

本文充分利用了高精度温度传感器技术、集成电路单片机技术、以及嵌入式技术，设计了一款低成本以铝基板为平台的全新加热台，通过负反馈调节，台面温度可高效精确控制。

本文从硬件、软件和结构安装角度细致讲解出发，介绍了加热台的其中各个模块，使得用户能够全面了解加热台的制作过程和步骤，给自己动手做提供了理论模型化指导，具有实用性价值。

参考文献：

[1] 田园.基于STM32的智能家居警报系统设计[J].工业控制计算机.2021,34(10):32-36.

[2] 俞文武.基于STM32的智能跟踪小车的设计[J].山东工业技术.2017(08):258.

[3] 苏达.大功率LED封装散热性能的若干问题研究[D].杭州:浙江大学.20081121.

[4] 徐智.高精度加热平台的研制[D].武汉:华中科技大学.2009.

[5] 宋凤娟,付侃,薛雅丽.单片机高速A/D转换方法[J].煤矿机械.2020,31(06).

[6] 王冠龙,崔靓,朱学军.基于数字的温度控制系统设计[J].传感器与微系统.2019,31(1).

[7] 倪丹艳.基于STC89C52单片机的温湿度环境监测系统设计与实现[J].产业科技创新.2020.2(19);43-44.

[8] 吴钊.基于单片机的实时温度测控系统设计研究[J].信息技术与信息化[J],2020(12);128-131.

（本文来源于《电子产品世界》杂志2022年4月期）