Zamykanie pętli przy lutowaniu powierzchniowym: 4 kroki

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:34

Temperatura wydaje się być najłatwiejszą rzeczą do kontrolowania na świecie. Włącz piec i ustaw żądaną temperaturę. Rano włącz piec i ustaw termostat. Dostosuj ciepłą i zimną wodę, aby prysznic był odpowiedni. Łatwo! Ale co, jeśli chcesz kontrolować temperaturę poza tymi codziennymi zastosowaniami? Jeśli chcesz temperatury poza normalnymi zakresami lub chcesz stabilnej temperatury w wąskim zakresie, przeważnie jesteś sam.

W moim przypadku chciałem kontrolować temperaturę gorącej płyty używanej do lutowania powierzchniowego. Początkowo zastosowałem modulację szerokości impulsu, aby zapewnić stabilne temperatury i eksperymentalnie określone ustawienia, aby stworzyć wymagany profil temperatury. Możesz o tym przeczytać w tej instrukcji. Ten system działa i kontrola temperatury w ten sposób jest w porządku, ale ma wady.

Niedociągnięcia:

• Działa tylko dla mojej konkretnej płyty grzejnej. Inne są podobne, ale nie identyczne i wymagane są eksperymenty, aby określić ustawienia i czasy potrzebne do uzyskania wymaganego profilu.
• Ta sama sytuacja, jeśli chcę inny profil lub temperaturę.
• Proces lutowania zajmuje dużo czasu, ponieważ do stabilnych temperatur należy zbliżać się powoli.

W idealnym przypadku moglibyśmy po prostu określić profil temperatura-czas, nacisnąć przycisk, a sterownik spowodowałby, że płyta grzejna będzie działać zgodnie z programem. Wiemy, że jest to możliwe, ponieważ istnieje wiele procesów przemysłowych, które wykorzystują dokładnie ten rodzaj kontroli. Pytanie brzmi, czy można to zrobić łatwo i niedrogo w domu?

Jak można się domyślić, odkąd piszę ten Instruktaż, odpowiedź brzmi: tak! Ten instruktaż pokaże Ci, jak zbudować własny, przemysłowy regulator temperatury. W szczególności skupię się na lutowaniu powierzchniowym, ale każdy proces wymagający precyzyjnego profilu czasowo-temperaturowego może korzystać z tego systemu.

Uwaga: Kiedy używam nazwy „Arduino”, mam na myśli nie tylko (nie do końca) samo Arduino objęte prawami autorskimi, ale także wiele wersji domeny publicznej znanych pod wspólną nazwą „Freeduino”. W niektórych przypadkach używam terminu „Ard/Free-duino”, ale terminy te należy traktować jako zamienne do celów niniejszej instrukcji.

Schemat kontroli temperatury zastosowany w instrukcji Extreme Surface Mount Soldering Instructable jest znany jako kontrola w pętli otwartej. Oznacza to, że oczekuje się, że wartość, która w przeszłości wytworzyła pożądaną temperaturę, wytworzy tę samą temperaturę przy ponownym użyciu. Często jest to prawda i przynosi pożądany rezultat. Ale jeśli warunki są nieco inne, powiedzmy, że garaż, w którym pracujemy, jest dużo chłodniejszy lub cieplejszy, możesz nie uzyskać oczekiwanego rezultatu.

Jeśli mamy czujnik, który potrafi odczytać temperaturę i zgłosić ją do sterownika, to mamy sterowanie w pętli zamkniętej. Sterownik jest w stanie ustawić wartość początkową, aby zwiększyć temperaturę, patrzeć na temperaturę w miarę upływu czasu i regulować ustawienie, aby temperatura wzrastała lub obniżała się, aż do osiągnięcia żądanej temperatury.

Nasze podejście będzie polegać na zastąpieniu kontrolera PWM opartego na AVRTiny2313 na bardziej wydajny kontroler oparty na ATMega. Programowanie odbywać się będzie w środowisku Arduino. Użyjemy komputera (Linux-Mac-Windows) z uruchomionym przetwarzaniem, aby wyświetlić wyniki i dostosować kontroler.

Jako czujnik użyjemy czujnika temperatury na podczerwień firmy Harbor Freight. Czujnik podczerwieni zostanie zmodyfikowany tak, aby wyprowadzał temperaturę jako szeregowy strumień danych, który może odczytać sterownik. Użyjemy Ard/Free-duino jako kontrolera, z komputerem PC (Mac – Linux – Windows) jako wejściem do kontrolera. Kiedy skończymy, system będzie wyglądał jak na zdjęciu. (Możesz jednak mieć mniej obcych obwodów na swojej płytce prototypowej. To jest w porządku.)

Krok 1: Modyfikowanie czujnika podczerwieni

Wielkie podziękowania dla mojego sprytnego przyjaciela, Scotta Dixona, za jego staranną pracę detektywistyczną nad ustaleniem, jak działa ten instrument i jak sprawić, by był ogólnie użyteczny z kontrolerem poprzez ujawnienie jego interfejsu szeregowego.

Urządzenie, od którego zaczniemy, to numer części Harbor Freight: 93984-5VGA. Kosztuje około 25 dolarów. Nie kłopocz się kupowaniem gwarancji.:)} Oto link. Rysunki 1 i 2 przedstawiają widoki z przodu iz tyłu. Strzałki na rysunku 2 wskazują, gdzie znajdują się śruby mocujące obudowę. Rysunek 3 przedstawia wnętrze obudowy po odkręceniu śrub i otwarciu obudowy. Moduł wskaźnika laserowego prawdopodobnie można usunąć i wykorzystać do innych projektów, chociaż jeszcze tego nie zrobiłem. Strzałki wskazują na śruby do odkręcenia, jeśli chcesz wyjąć płytkę w celu przylutowania do niej (śruby wykręcone na tym zdjęciu). Wskazano również obszar, w którym należy wykonać wycięcie na okablowanie w celu wyjścia z obudowy. Zobacz także Rysunek 5. Wytnij wycięcie, gdy płyta jest wyjęta lub przynajmniej przed przylutowaniem przewodów. Tak jest łatwiej.;)} Rysunek 4 pokazuje, gdzie będą lutowane przewody. Zanotuj literę każdego połączenia, abyś wiedział, który przewód jest który, kiedy zamkniesz obudowę. Rysunek 5 przedstawia przewody przylutowane na miejscu i poprowadzone przez wycięcie. Możesz teraz złożyć obudowę z powrotem, a instrument powinien działać tak, jak przed operacją. Zwróć uwagę na złącze na przewodach. Używam dłuższych przewodów, aby faktycznie połączyć się z moim kontrolerem. Jeśli używasz małego przewodu, małego złącza i trzymasz przewody krótkie, możesz włożyć je z powrotem do futerału, jeśli chcesz, a instrument wygląda na niezmodyfikowany. Scott stworzył również oprogramowanie do interfejsu tego urządzenia. Użył tego dokumentu, jeśli chcesz poznać szczegóły. Otóż to! Masz teraz czujnik temperatury na podczerwień, który będzie działał od -33 do 250 C.

Krok 2: Oprogramowanie do sterowania

Jakkolwiek przydatny, czujnik temperatury na podczerwień jest tylko częścią systemu. Do sterowania temperaturą potrzebne są trzy elementy: źródło ciepła, czujnik temperatury i sterownik, który może odczytywać czujnik i sterować źródłem ciepła. W naszym przypadku źródłem ciepła jest płyta grzejna, czujnik temperatury IR (zmodyfikowany w ostatnim kroku) jest naszym czujnikiem, a kontrolerem jest Ard/Free-duino z odpowiednim oprogramowaniem. Całe oprogramowanie dla tego Instructable można pobrać jako pakiet Arduino i jako pakiet przetwarzania.

Pobierz plik IR_PID_Ard.zip. Rozpakuj go w swoim katalogu Arduino (zwykle My Documents/Arduino). Pobierz plik PID_Plotter.zip. Rozpakuj go w katalogu Przetwarzanie (zwykle Moje dokumenty/Przetwarzanie). Pliki będą teraz dostępne w odpowiednich szkicownikach.

Oprogramowanie, którego będziemy używać, zostało pierwotnie napisane przez Tima Hirzela. Jest modyfikowany przez dodanie interfejsu do czujnika podczerwieni (dostarczone przez Scotta Dixona). Oprogramowanie implementuje algorytm sterowania znany jako algorytm PID. PID to skrót od Proportional – Integral – Derivative i jest standardowym algorytmem używanym do przemysłowej regulacji temperatury. Algorytm ten jest opisany w znakomitym artykule Tima Wescotta, na którym Tim Hirzel oparł swoje oprogramowanie. Przeczytaj artykuł tutaj.

Aby dostroić algorytm (o czym przeczytasz we wspomnianym artykule) i zmienić ustawienia temperatury docelowej, użyjemy szkicu Processing, również opracowanego przez Tima Hirzela. Został opracowany do palenia ziaren kawy (kolejne zastosowanie kontroli temperatury) i został nazwany Bare Bones Coffee Controller lub BBCC. Pomijając nazwę, świetnie sprawdza się przy lutowaniu powierzchniowym. Tutaj możesz pobrać oryginalną wersję.

Modyfikowanie oprogramowania

Poniżej zakładam, że znasz Arduino i Processing. Jeśli nie, powinieneś przejść przez samouczki, aż sprawy nabiorą sensu. Pamiętaj, aby opublikować komentarze do tego Instruktażu, a postaram się pomóc.

Kontroler PID musi zostać zmodyfikowany dla twojego Arduino/Freeduino. Linia zegara z czujnika IR musi być podłączona do styku przerwania. Na Arduino może to być 1 lub 0. W różnych rodzajach Freeduino możesz użyć dowolnych dostępnych przerwań. Podłącz linię danych z czujnika do innego pobliskiego pinu (takiego jak D0 lub D1 lub inny wybrany pin). Linia sterowania do płyty grzejnej może pochodzić z dowolnego pinu cyfrowego. W moim konkretnym klonie Freeduino (opisz tutaj) użyłem D1 i powiązanego przerwania (1) dla zegara, D0 dla danych i B4 dla linii sterującej do gorącej płyty.

Po pobraniu oprogramowania uruchom środowisko Arduino i otwórz IR_PID z pozycji menu File/Sketchbook. W zakładce pwm możesz zdefiniować HEAT_RELAY_PIN odpowiednio dla Twojego wariantu Arduino lub Freeduino. Na karcie tymczasowej zrób to samo dla IR_CLK PIN, IR_DATA PIN i IR_INT. Powinieneś być gotowy do kompilacji i pobrania.

Podobnie, uruchom środowisko przetwarzania i otwórz szkic PID_Plotter. Dostosuj BAUDRATE do prawidłowej wartości i upewnij się, że ustawiłeś indeks używany w Serial.list()[1] na poprawną wartość dla twojego systemu (mój port to indeks 1).

Krok 3: Podłączanie wszystkiego

System sterowania płytą grzejną AC jest szczegółowo opisany we wspomnianej już instrukcji lutowania do ekstremalnego montażu powierzchniowego lub można kupić własny przekaźnik SSR (przekaźnik półprzewodnikowy). Upewnij się, że poradzi sobie z obciążeniem płyty grzejnej z wystarczającym marginesem, powiedzmy od 20 do 40 watów, ponieważ testy przeprowadzone przez Chińczyków mogą pozostawić wiele do życzenia. Jeśli używasz kontrolera AC z płytą grzejną z mojego Instructable, uruchom zworkę z rezystora na wejściu sterującym do masy na Ard/Free-duino i zworkę z wyjścia sterującego (B4 lub cokolwiek wybierzesz) do sygnału sterującego Wejście. Zobacz zdjęcie kontrolera. Żółta zworka to wejście sygnału sterującego, a zielona to masa. Lubię używać blinkenlight (doprowadzony z rezystorem do masy) na pinie wyjściowym, więc wiem, kiedy jest włączony. Podłącz zworkę między diodą a portem, jak pokazano. Zapoznaj się ze schematem podłączenia Teensy++.

Teraz przygotuj wspornik, aby utrzymać czujnik temperatury na podczerwień nad płytą grzejną. Zdjęcie pokazuje, co zrobiłem. Zasada jest prosta, ale solidna. Trzymaj wszystko łatwopalne z dala od gorącej płyty; czujnik jest plastikowy i wydaje się być w porządku 3 cale nad powierzchnią płytki. Poprowadź przewody od złącza na czujniku do odpowiednich styków na swoim Ard/Free-duino. Połączenia czujnika podczerwieni pokazano na schemacie podłączenia Teensy++. Dostosuj je w razie potrzeby do swojego Ard/Free-duino.

Ważna uwaga dotycząca bezpieczeństwa: Czujnik podczerwieni ma wskaźnik LED, który pomaga w nakierowaniu go. Jeśli masz koty takie jak mój, uwielbiają gonić za wskaźnikiem led. Dlatego przykryj diodę led nieprzezroczystą taśmą, aby Twoje koty nie wskakiwały na płytę grzejną, gdy jej używasz.

Przed podłączeniem kontrolera płyty grzejnej AC do 120 V, oto jak przetestować system i ustawić początkowe wartości docelowe temperatury. Proponuję temperaturę docelową 20 C, aby ogrzewanie nie zaczęło się od razu. Te wartości zostaną zapisane w pamięci EEPROM i użyte następnym razem, więc pamiętaj, aby zawsze zapisać niską wartość jako temperaturę docelową po zakończeniu sesji lutowania. Uważam, że dobrym pomysłem jest uruchomienie najpierw regulatora temperatury z odłączoną płytą grzejną. Upewnij się, że wszystko działa, zanim go podłączysz.

Podłącz port szeregowy do Arduino i włącz go. Skompiluj szkic Arduino i pobierz go. Rozpocznij szkic Przetwarzanie, aby wejść w interakcję ze sterownikiem i wyświetlić wyniki. Czasami szkic Arduino nie synchronizuje się ze szkicem Processing. Kiedy tak się stanie, zobaczysz komunikat „Brak aktualizacji” w oknie konsoli szkicu Przetwarzanie. Po prostu zatrzymaj i uruchom ponownie szkic Przetwarzania i wszystko powinno być w porządku. Jeśli nie, spójrz na sekcję Rozwiązywanie problemów poniżej.

Oto polecenia dla kontrolera. „Delta” to wielkość, o jaką zmieni się parametr po wydaniu polecenia. Najpierw ustaw wartość delty, której chcesz użyć. Następnie dostosuj żądany parametr za pomocą tej delty. Na przykład użyj + i –, aby utworzyć delta 10. Następnie użyj T (duże „T”), aby zwiększyć ustawienie temperatury docelowej o 10 stopni C, lub t (mała litera „t”), aby zmniejszyć docelową temperaturę o 10 stopni. Polecenia:

+/-: dostosuj delta dziesięciokrotnie P/p: góra/dół ustaw wzmocnienie p o deltę I/i: góra/dół ustaw wzmocnienie i o delta D/d: góra/dół ustaw wzmocnienie d o delta T/t: góra/dół regulacja zadanej temperatury przez delta h: włączanie i wyłączanie ekranu pomocy R: resetowanie wartości – zrób to przy pierwszym uruchomieniu sterownika

Po otrzymaniu aktualizacji temperatury okno graficzne szkicu powinno wyglądać jak na zdjęciu. Jeśli masz duży szary obszar nałożony na ekran z niektórymi opisanymi poleceniami, po prostu wpisz „h”, aby go wyczyścić. Przy pierwszym uruchomieniu może pojawić się monit o zresetowanie wartości początkowych. Śmiało i zrób to. Wartości w prawym górnym rogu to aktualne odczyty i ustawienia. „Cel” to aktualna temperatura docelowa i jest zmieniana przez polecenie „t”, jak opisano powyżej. „Curr” to aktualny odczyt temperatury z czujnika. „P”, „I” i „D” to parametry algorytmu regulacji PID. Użyj poleceń „p”, „i” i „d”, aby je zmienić. Za chwilę je omówię. „Pow” to polecenie zasilania z regulatora PID do płyty grzejnej. Jest to wartość z zakresu od 0 (zawsze wyłączone) do 1000 (zawsze włączone).

Jeśli włożysz rękę pod czujnik, powinieneś zobaczyć, że odczyt temperatury (Curr) podskoczył. Jeśli teraz zwiększysz docelową temperaturę, zobaczysz wzrost wartości mocy (Pow), a dioda wyjścia zacznie migać. Zwiększ temperaturę docelową, a dioda wyjścia będzie świecić dłużej. Gdy płyta grzejna jest podłączona i pracuje, zwiększenie temperatury docelowej spowoduje włączenie płyty grzewczej. Gdy bieżąca temperatura zbliża się do temperatury docelowej, czas włączenia będzie się zmniejszać, tak że temperatura docelowa zostanie zbliżona z minimalnym przekroczeniem. Wtedy czas wystarczy, aby utrzymać docelową temperaturę.

Oto jak ustawić parametry algorytmu PID. Możesz zacząć od wartości, których używam. P = 40, I = 0,1 i D = 100. Mój system wykona krok 50C w około 30 sekund z przeregulowaniem mniejszym niż 5 stopni. Jeśli twój system działa znacząco inaczej, będziesz chciał go dostroić. Strojenie regulatora PID może być trudne, ale artykuł, o którym mowa powyżej, wyjaśnia, jak to zrobić bardzo skutecznie.

Teraz nadszedł czas na prawdziwą rzecz. Podłącz płytę grzejną do kontrolera prądu przemiennego płyty grzejnej, jak opisano w ekstremalnym lutowaniu powierzchniowym. Koniecznie przeczytaj również wszystkie zawarte tam ostrzeżenia. Ustaw czujnik temperatury tak, aby znajdował się około 3 cale nad płytą grzejną i był skierowany bezpośrednio na niego. Wzmocnij swój Ard/Free-duino. Upewnij się, że wszystkie połączenia są prawidłowe, a oprogramowanie (regulator PID i program monitorujący) działa prawidłowo. Zacznij od temperatury docelowej ustawionej na 20 C. Następnie zwiększ temperaturę docelową do 40 C. Płyta grzejna powinna się włączyć, a temperatura powinna płynnie wzrosnąć do 40 C +/- 2 C. Możesz teraz spróbować zwiększyć temperaturę, obserwując wydajność Twojego systemu. Zauważysz, że schłodzenie płyty trwa znacznie dłużej niż jej podgrzanie.

Rozwiązywanie problemów

Jeśli szkic Przetwarzanie nie działa lub nie aktualizuje temperatury, zatrzymaj szkic Przetwarzanie i uruchom terminal szeregowy (na przykład Hyperterminal w systemie Windows). Dotknij spacji i naciśnij Enter. Arduino powinno odpowiedzieć aktualnym odczytem temperatury. Dostosuj ustawienia szybkości transmisji itp., aż uzyskasz pożądaną odpowiedź. Gdy to zadziała, powinien zostać uruchomiony szkic Przetwarzanie. Jeśli nadal masz problemy, upewnij się, że przypisanie pinów jest zgodne z fizycznym okablowaniem oraz że podłączono zasilanie i uziemienie do odpowiednich pinów czujnika temperatury.

Krok 4: lutowanie powierzchniowe

Korzystanie z systemu kontroli temperatury opisanego w tej instrukcji poprawia lutowanie ekstremalne na powierzchni na dwa sposoby. Po pierwsze, kontrola temperatury jest dokładniejsza i znacznie szybsza. Więc zamiast powolnego wzrostu z około 120C do 180C przez około 6 minut, możemy szybko przejść do 180C, wytrzymać przez 2 ½ do 3 minut i szybko przejść do 220C do 240C na około minutę. Nadal musimy uważać na moment, w którym lut spływa i wyłączamy zasilanie, lub po prostu szybko obniżamy docelową temperaturę. Ponieważ temperatura spada bardzo powoli, zwykle zsuwam obwody z gorącej płyty, gdy tylko temperatura ostygnie poniżej 210C. Połóż je na kawałku płyty perforowanej lub drewna, a nie metalu. Metal może spowodować ich zbyt szybkie ochłodzenie. Należy również pamiętać, że może być konieczne podniesienie temperatury docelowej powyżej 250C (maksymalnej wartości odczytanej przez czujnik), aby płyta była wystarczająco gorąca w niektórych obszarach. Płyta nie osiągnie jednej temperatury na całej powierzchni, ale w niektórych obszarach będzie chłodniejsza niż w innych. Nauczysz się tego eksperymentując.

Drugim obszarem poprawy jest skrócenie czasu między cyklami lutowania. W systemie z otwartą pętlą musiałem poczekać, aż płyta grzejna ostygnie do temperatury pokojowej (około 20C), aby rozpocząć nowy cykl lutowania. Gdybym tego nie zrobił, to cykl temperaturowy nie byłby prawidłowy (zmiana warunków początkowych). Teraz wystarczy poczekać na stabilną temperaturę około 100C i mogę rozpocząć nowy cykl.

Cykl temperatur, którego teraz używam, jest sugerowany powyżej, ale tutaj jest dokładnie. Zacznij od 100C. Umieść deski na płycie grzejnej na dwie do trzech minut, aby się rozgrzać – dłużej w przypadku dużych elementów. Ustaw temperaturę docelową na 180C. Tę temperaturę osiąga się w mniej niż minutę. Trzymaj tutaj przez 2 ½ minuty. Ustaw cel na 250C. Jak tylko cały lut popłynie, zmniejsz temperaturę docelową do około 100C. Temperatura twojego talerza pozostanie wysoka. Jak tylko spadnie do 210C lub upłynie czas 1 minuty, zsuń deski z gorącej płyty na platformę chłodzącą z płyty perforowanej lub drewna. Lutowanie zakończone.

Jeśli chcesz użyć innego profilu temperatury, nie powinieneś mieć problemu z osiągnięciem go za pomocą tego systemu sterowania.

Możesz poeksperymentować z położeniem czujnika temperatury nad płytą grzejną. Odkryłem, że nie wszystkie obszary płyty grzejnej osiągają tę samą temperaturę w tym samym czasie. Tak więc w zależności od tego, gdzie umieścisz czujnik, rzeczywisty czas i temperatura wymagane do przepływu lutowia mogą się różnić. Po opracowaniu receptury użyj tego samego ustawienia czujnika, aby uzyskać powtarzalne wyniki.

Szczęśliwego lutowania!