摘要：对于电子行业领域中检修和维修的仪器仪表以及其他工具而言，一直存在元器件测量数值准确度低、功能单一和维修实施不方便等问题。针对维修效率低、设备成本高等问题，设计了以单片机为主控制器的一种LCF便携式多功能维修箱，通过单片机连接外部控制电路对信号采集和计算得到电感、电容和频率的检测数值，并在屏幕上显示检测结果值，维修箱上搭载的可调恒温电烙铁，可通过温控系统控制电路进行温度信息采集读取，经过模糊自整定PID算法融合后输出控制温度，使得电烙铁的温度达到设置目标值，提高了温度控制的精确度，维修箱可对锂电池进行太阳能充电，解决系统在户外工作中无法充电的问题。实验结果表明，设计的LCF便携式多功能维修箱在电子维修过程中电烙铁恒温控制到达目标温度稳定，波动幅度小，在元器件参数数据检测上准确率为96%。

　　关键词：单片机；数据采集；太阳能充电；模糊自整定PID算法；温控系统

　　0引言

　　随着科技的发展，越来越多的人选择加入电子行业领域，在学习或研究中，检修和维修时必不可少的一部分，电烙铁是在维修中常见的工具，但是市面上的电烙铁基本上恒温的电烙铁且存在温度不稳定和价格成本高等问题，无法适应不同的工作环境和满足不同的需求，给人们的使用中带来很多的不便，而可调的恒温电烙铁由于确保低成本在稳压电源的性能和设计上存在一定的安全隐患。市面上维修工具功能相对单一，特别是无法实现元器件参数测量这种常用的功能，从而导致更换元器件容易出现故障或者导致更严重的问题，影响人们电子维修的成功和效率。

　　传统的维修工具性能低、功能少且成本高，给电子维修过程中带来了不便。文献[1]设计了一种全自动串焊机设备，该系统焊接焊头温度通过温度与实际设定温度差距调节双向可控硅输出功率大小来控制加热器的输出功率，设计复杂温度控制不够精确。文献[2]设计的便携式防静电恒温焊台需要充电后或者接有电源时使用，无法在无电情况下使用。针对上述问题，本文设计的LCF便携式多功能维修箱设计利用模糊PID算法可以很好的解决电烙铁温度的不稳定，在元器件检测及测量不便上，维修箱具有LCF检测电路对电感电容以及频率测量，该设计的供电系统搭载基于TP5400的太阳能充电电路，在日常使用中可以避免在户外遇到没电没电源的情况，还能起到节能的作用；元件测量可以测量电感电容以及频率数据，以及断线检测等功能，给人们在实验中带来了许多方便。LCF便携式多功能维修箱设计具有一定的应用前景和推广价值。

　　1总体设计

　　LCF便携式多功能维修箱通过各控制器对应的检测电路形成模块结合为一个整体的系统[3-5]。该设计通过各控制器对采集电路信号进行数据采集，并将其模拟信号进行转换数字信号[8-15]，代入特定公式得到正确的检测数值进行显示；通过模糊PID恒温算法精准控制电烙铁设置的温度，使温度保持恒定准确；各控制器之间可进行数据传输，通过蓝牙可将数据发送到上位机，对实时数据进行保存记录；太阳能可以给锂电池进行充电提供清洁的能源。

　　LCF便携式多功能维修箱主要包含两部分：硬件部分和软件部分。硬件部分主要分为STC89C52控制器、STM32控制器、LCF检测电路、温控电路、太阳能充放电电路、断线检测电路。软件部分主要分为信号采集及数据转换部分恒温PID控制算法以及数据显示部分。系统硬件构成如图1所示。

　　2硬件电路设计

　　2.1主控器

　　LCF便携式多功能维修箱设计中，LCF检测以及显示采用STC89C52作为控制器，这一控制器拥有52 KB的闪存程序存储器、1 KB的RAM数据存储器、串口、定时器、计数器等外接接口，功耗低、性能高、可靠性高，可应用于多种领域。电烙铁恒温系统采用STM32作为控制器，STM32是一种基于ARM内核的单片机芯片，内核主频72 MHz，包含ADC、DAC、I2C、SPI等常用外设，拓展接口多，可拓展性强。因功耗低，安全性高，STC89C52和STM32都能使用KEIL5开发环境进行开发，KEIL5开发环境界面简洁，使用简单，可支持常用的C语言进行开发，内置多种调试工具，可以快速定位和解决问题，还提供了详细的文档，给用户使用带来了方便。

　　2.2 LCF硬件检测电路

　　LCF检测对应电容、电感和频率的测量，其中电容的测量分为带极性和不带极性的电容值测量。

　　对于不带极性的电容的测量原理是基于LM393的LC正弦波振荡电路，通过电容或电感的变化对应转换为频率的变化，通过在单片机定时器中进行计数LM393的输出方波，单位时间内计数值大小即代表频率。对应电容电感频率如式（1）所示。

　　根据接入电感或电容时，L和C的数值与初始状态的值不相同，前后得到的频率也对应发生改变，如果当前接入的时电容，接入待测电容前后的频率的平方相除减1的差再乘原有的电容值，就可以得到待测电容的值；如果当前接入的为待测电感时，计算接入待测电感前后的频率的平方相除减1的差与原电感值相乘即可得到待测电感值。

　　若检测的时带极性的电容即电解电容，其测量时对RC电路的时间常数进行计算，时间常数与电阻和电容的大小有关，电阻和电容的大小乘积为RC电路的时间常数，对应公式如式（2）所示。

　　电解电容的充电过程中，电解电容的电压变化速度逐渐减慢趋向于最终值。电解电容的检测通过单片机P2.5引脚输出低电平使得背的电容放电，然后输出高电平，电源通过充电电阻对电解电容充电，当电压达到一定值时，LM393输出低电平后进入单片机外部中断进行时间计数，计算时间差值得到时间常数，代入公式即可得到电解电容的值。LCF硬件检测电路如图2所示。

　　2.3太阳能充电电路

　　LCF便携式多功能维修箱的供电系统使用的是锂电池供电，利用太阳能为锂电池充电，将太阳能能量存储再锂电池中[16-18]。搭建的太阳能充放电电路，选择基于TP5400搭建充电电路，芯片集高精度电压和充电电流调压器、预充、充电状态指示等功能，内部升压电路搭载NMOS功率管，接入电感来提供升压时需要的能量，外接电阻控制阻值可以对充电电流进行控制，充电电流可以达到1 A，尖峰和毛刺电压会引起芯片可靠性下降，所以在使用TP5400芯片时，VCC、BAT和VOUT的所需电容需要靠近于芯片引脚处。太阳能充电电路可给系统控制板和控制提供需要的电流电压，可提供5 V电稳压源以及1 A驱动电流，满足系统的供电需求。太阳能充电电路如图3所示。

　　2.4电烙铁温控电路

　　电烙铁温度控制电路采用STM32单片机作为控制器可对电烙铁进行精准温度调节，其温度控制是通过MOS管驱动来控制加热丝两端电压进行温度控制加热，实现温度的变化精准控制，需要有温度反馈，利用LM7332对温度信号进行倍数放大，STM32对温度信号进行AD采集；MOS管输出，内阻更低电流更大，单片机可以对其进行驱动；电源降压电路由稳压芯片LM2596和一个线性稳压芯片AMS1117组成，对电源进行降压稳压以及对电源进行滤波和保护[20]。

　　2.5断线检测电路

　　断线检测电路其原理是对磁场强度进行检测，对磁场产生的电流进行检测，用3个S8050三极管搭建三级直接耦合式小信号放大器，放大级数可根据接入三极管数量改变，感应线圈接收到交变信号，经过第1个三极管对信号放大后发射极接入第2个二极管基极，再将第2个三极管的发射极接入第3个三极管，是信号的三级放大，3个三极管集电极接入3.3 V电源直流电源，第3个三极管发射极接入电源负极，再电路中接入蜂鸣器和LED作为接收信号提示，实现断线断点的检测。断线检测电路如图4所示。

　　3软件算法设计

　　多功能维修箱其中的焊台电烙铁需要对烙铁温度控制，使其保持温度的稳定，对温度精确度要求高，常见的是使用PID算法控制温度[19]，但是普通的PID算法通用性较低，无法适应多种不同的环境会受到热惯性或者系统测量时间滞后的影响导致温度值产生振荡，无法保持稳定，针对这一问题，在原有的PID算法中结合模糊控制，使系统的PID参数值会根据实时情况进行调整。

　　模糊自整定PID是在原有的PID上添加了模糊控制，e为实际值与期望值的差值，误差e和误差变化ec共同作为输入，根据模糊规则对PID的3个参数Kp、Ki、Kd进行自整定，使得在不同情况下的输入e和ec取得适应的PID参数。模糊自整定PID基本结构如图5所示。

　　模糊自整定PID需要进行模糊化，对论域还有隶属度函数进行确定，论域是在实验中人为确定的范围值，然后对论域进行模糊分类，即对设定的论域范围进行等分，分为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB等级，将e和de/dt一射到论域，论域范围等分后对三角隶属度函数进行确定，分别计算e和de/dt的隶属度后进行模糊推理，得到模糊规则表，如表1所示。

　　根据e和de/dt的隶属度计算所得到ΔKp、ΔKi、ΔKd的隶属度然后对输出隶属度进行整合。在模糊PID控制中对模糊处理后还需要进行解模糊处理得到所需的Kp、Ki、Kd值，将期望值作为Kp、Ki、Kd的论域值，确定Kp、Ki、Kd后，根据区间映射关系得到3个参数的输出值。

　　系统采用模糊自整定PID算法对焊台电烙铁尽心恒温精准控制，减少温度在达到目标值时的振荡幅度和振荡次数，提高系统的稳定性和鲁棒性。

　　4结果与分析

　　该维修箱对频率、电容和电感进行实验检测测试，并通过蓝牙串口将数据传输到上位机进行记录。实验当中，对电容容值进行检测时任意选取若干个220μF的电容依次接入LCF硬件检测电路中，调到电容检测档，将系统上电后，LCD显示屏会显示当前的电容容值，实验中任取了10个电容容值相同接入系统中测量，记录实验数据进行对比，测量结果如图6所示，得到的检测值与实际值具有小范围偏差，对测量值取平均值后与实际值相比，准确率达96.9%。

　　维修箱检测测量更换挡位到测量频率档，使用信号发生器发出不同频率的正弦波信号进行测量频率值，测量结果与实际值拟合程度如图7所示，得到的检测值与实际值仅有细微偏差，准确率达99.5%。

　　维修箱检测测量更换挡位到电感值测量档，任意选电感值为47μF的电感若干个，接入系统测量电路中进行测量，测量结果如图8所示，得到的检测值比实际值总体略微偏高，对测量值取平均值后与实际值相比，准确率达96.7%

　　综合以上实验结果可以得出，LCF硬件检测电路检测电容、频率和电感的实验结果值与实际值曲线基本拟合，仅存在较小的误差，但误差在误差允许范围内，该误差来自于电子元器件本身存在的偏差值以及系统计算的微小误差。

　　本次实验对电烙铁温度恒温效果进行实验，设置电烙铁温度能够到达目标温度，且振荡幅度小，温度稳定，如图9所示。模糊自整定PID在实际运用当中相比于传统的普通PID算法来说，超调量更小，达到目标值的上升时间和调节时间更快，具有良好的系统动态性能。

　　5结束语

　　本文设计一种LCF便携式多功能维修箱，通过分析维修效率低下、设备成本高等问题，在电子维修的过程中为用户提供了许多的便利，提高维修效率，可以方便测试电路的通断，可以根据用户所需测量的电子元件选择对应挡位进行测量，还可以将测量的数据通过串口与蓝牙连接发送到电脑或者手机进行数据记录和数据保存，在维修中对电子元器件焊接或拆卸上，本设计具有恒温电烙铁，通过模糊PID对温度精准且稳定地控制，从而达到设定的目标温度值，该设计可以在维修中遇到没电的情况下利用太阳能给锂电池进行充电，具有节能的作用。实验结果表明，本文所研究的多功能维修箱，系统功耗低，成本低，稳定性强，具有较高的使用价值，在电子维修的效率和便利性上具有一定的应用前景和推广价值。

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