Uzavretie slučky na povrchovom spájkovaní: 4 kroky

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 12:02

Teplota sa zdá byť najľahšie ovládateľná. Zapnite sporák a nastavte požadovanú teplotu. Ráno zapnite pec a nastavte termostat. Upravte teplú a studenú vodu, aby bola sprcha taká správna. Ľahko! Ale čo keď chcete ovládať teplotu nad rámec týchto každodenných aplikácií? Ak chcete teploty mimo normálnych rozsahov alebo chcete stabilnú teplotu v úzkom rozmedzí, ste väčšinou sami.

V mojom prípade som chcel ovládať teplotu horúcej platne používanej na povrchové spájkovanie. Spočiatku som použil pulznú šírkovú moduláciu na zabezpečenie stabilných teplôt a experimentálne určené nastavenia na vytvorenie požadovaného teplotného profilu. Všetko o tom si môžete prečítať v tomto návode. Tento systém funguje a kontrola teploty týmto spôsobom je dobrá, ale má nedostatky.

Nedostatky:

• Funguje iba pre moju konkrétnu horúcu platňu. Ostatné sú podobné, ale nie sú identické, a na stanovenie nastavení a časov potrebných na vytvorenie požadovaného profilu sú potrebné experimenty.
• Rovnaká situácia, ak chcem iný profil alebo teplotu.
• Proces spájkovania trvá dlho, pretože k stabilným teplotám sa musí pristupovať pomaly.

V ideálnom prípade by sme mohli špecifikovať teplotno-časový profil, stlačiť tlačidlo a ovládač by spôsobil, aby horúca platňa fungovala tak, ako je naprogramovaná. Vieme, že je to možné, pretože existuje mnoho priemyselných procesov, ktoré používajú presne tento druh riadenia. Otázkou je, či sa to dá ľahko a lacno urobiť doma?

Ako ste asi uhádli, pretože píšem tento návod, odpoveď je áno! Tento návod vám ukáže, ako si postaviť vlastný priemyselný regulátor teploty. Zameriam sa predovšetkým na spájkovanie na povrchovú montáž, ale tento systém môže používať akýkoľvek proces vyžadujúci presný časový teplotný profil.

Poznámka: Keď používam názov „Arduino“, nemyslím tým iba (nie celkom) samotné Arduino chránené autorskými právami, ale aj mnoho verzií public domain súhrnne známych ako „Freeduino“. V niektorých prípadoch používam výraz „Ard/Free-duino“, ale na účely tohto pokynu by sa termíny mali považovať za zameniteľné.

Schéma regulácie teploty použitá v Extreme Surface Mount Soldering Instructable je známa ako ovládanie s otvorenou slučkou. To znamená, že od hodnoty, ktorá v minulosti vytvorila požadovanú teplotu, sa očakáva, že pri opakovanom použití bude produkovať rovnakú teplotu. Často je to pravda a prináša požadovaný výsledok. Ak sú však podmienky mierne odlišné, povedzme, že garáž, v ktorej pracujeme, je oveľa chladnejšia alebo teplejšia, potom možno nedosiahnete očakávaný výsledok.

Ak máme snímač, ktorý dokáže čítať teplotu a hlásiť ju späť do regulátora, potom máme ovládanie s uzavretou slučkou. Regulátor je schopný nastaviť počiatočnú hodnotu na zvýšenie teploty, sledovať teplotu v priebehu času a prispôsobiť nastavenie tak, aby teplota stúpala alebo klesala, kým sa nedosiahne požadovaná teplota.

Našim prístupom bude nahradiť radič PWM na báze AVRTiny2313 výkonnejším regulátorom na báze ATMega. Programovanie bude prebiehať v prostredí Arduino. Na zobrazenie výsledkov a úpravu ovládača použijeme počítač (Linux-Mac-Windows) so systémom Processing.

Na snímač použijeme infračervený snímač teploty od spoločnosti Harbour Freight. IR snímač bude upravený tak, aby výstupom teploty bol sériový dátový tok, ktorý môže regulátor čítať. Ako ovládač použijeme Ard/Free-duino s PC (Mac-Linux-Windows) na vstup do ovládača. Keď sme všetci hotoví, systém bude vyzerať ako na obrázku. (Na svojej doske však môžete mať menej cudzích obvodov. To je v poriadku.)

Krok 1: Úprava infračerveného senzora

Veľká vďaka môjmu šikovnému priateľovi Scottovi Dixonovi za jeho starostlivú detektívnu prácu pri zisťovaní, ako tento nástroj funguje a ako ho pomocou ovládača sprístupniť všeobecne užitočným pomocou odhalenia jeho sériového rozhrania.

Zariadenie, s ktorým začneme, je Harbor Freight Part Number: 93984-5VGA. Stojí asi 25 dolárov. Nebojte sa nákupu záruky.:)} Tu je odkaz. Obrázky 1 a 2 zobrazujú pohľad spredu a zozadu. Šípky na obrázku 2 označujú, kde sú skrutky, ktoré držia puzdro pohromade. Obrázok 3 zobrazuje vnútornú stranu puzdra po vybratí skrutiek a otvorení puzdra. Modul laserového ukazovateľa je pravdepodobne možné odstrániť a použiť na iné projekty, aj keď som to ešte neurobil. Šípky ukazujú na skrutky, ktoré je potrebné odstrániť, ak chcete dosku vytiahnuť na spájkovanie (skrutky odstránené na tomto obrázku). Tiež je označená oblasť, kde by mal byť urobený výrez pre vaše vedenie, aby ste mohli opustiť puzdro. Pozrite si tiež obrázok 5. Vystrihnite, kým je doska odstránená, alebo aspoň pred spájkovaním vodičov. Je to jednoduchšie.;)} Obrázok 4 ukazuje, kde budú drôty spájkované. Po zatvorení puzdra si všimnite písmeno každého spojenia, aby ste vedeli, ktorý kábel je. Obrázok 5 zobrazuje drôty spájkované na mieste a vedené cez výrez. Teraz môžete puzdro opäť poskladať a prístroj by mal fungovať tak, ako pred operáciou. Všimnite si konektora na vodičoch. Na pripojenie k svojmu ovládaču skutočne používam dlhšie káble. Ak použijete malý drôt, malý konektor a ponecháte vodiče krátke, môžete ho všetko zastrčiť späť do puzdra, ak si budete priať, a nástroj bude vyzerať neupravený. Scott tiež vytvoril softvér na prepojenie tohto zariadenia. Ak chcete podrobnosti, použil tento dokument. To je všetko! Teraz máte infračervený snímač teploty, ktorý bude pracovať od -33 do 250 ° C.

Krok 2: Softvér na ovládanie

Aj keď je to užitočné, infračervený snímač teploty je len súčasťou systému. Na ovládanie teploty sú potrebné tri položky: zdroj tepla, snímač teploty a regulátor, ktorý dokáže snímač načítať a ovládať zdroj tepla. V našom prípade je horúca doska zdrojom tepla, snímač teploty IR (upravený v poslednom kroku) je naším snímačom a ovládačom je softvér Ard/Free-duino, na ktorom je spustený príslušný softvér. Všetok softvér pre tento Instructable je možné stiahnuť ako balík Arduino a ako balík Processing.

Prevezmite súbor IR_PID_Ard.zip. Rozbaľte ho vo svojom adresári Arduino (zvyčajne Moje dokumenty/Arduino). Prevezmite súbor PID_Plotter.zip. Rozbaľte ho v adresári Processing (zvyčajne Moje dokumenty/spracovanie). Súbory budú teraz k dispozícii v príslušných skicároch.

Softvér, ktorý použijeme, pôvodne napísal Tim Hirzel. Modifikuje sa pridaním rozhrania k infračervenému senzoru (dodáva Scott Dixon). Softvér implementuje riadiaci algoritmus známy ako algoritmus PID. PID znamená proporcionálny - integrálny - derivačný a je štandardným algoritmom používaným na priemyselnú reguláciu teploty. Tento algoritmus je popísaný vo vynikajúcom článku Tima Wescotta, na ktorom Tim Hirzel založil svoj softvér. Prečítajte si článok tu.

Na vyladenie algoritmu (prečítajte si o tom v uvedenom článku) a zmenu cieľových teplôt použijeme náčrt spracovania, ktorý vyvinul aj Tim Hirzel. Bol vyvinutý na praženie kávových zŕn (ďalšia aplikácia regulácie teploty) a nazýva sa Bare Bones Coffee Controller alebo BBCC. Ak pomineme, funguje to skvele na povrchové spájkovanie. Pôvodnú verziu si môžete stiahnuť tu.

Úprava softvéru

V nasledujúcom texte predpokladám, že ste oboznámení s Arduinom a spracovaním. Ak nie ste, mali by ste si prejsť návody, kým veci začnú dávať zmysel. Nezabudnite zaslať komentáre k tomuto návodu a pokúsim sa vám pomôcť.

Regulátor PID musí byť upravený pre vaše Arduino/Freeduino. Hodinová čiara od infračerveného senzora musí byť pripevnená k prerušovaciemu kolíku. Na Arduine to môže byť 1 alebo 0. Na Freeduino rôzneho druhu môžete použiť akékoľvek dostupné prerušenia. Pripojte dátový kábel zo senzora k ďalšiemu blízkemu pinu (napríklad D0 alebo D1 alebo k inému kolíku podľa vášho výberu). Riadiaca linka k horúcej doske môže pochádzať z akéhokoľvek digitálneho kolíka. Na mojom konkrétnom klone Freeduino (tu popíšte) som použil D1 a súvisiace prerušenie (1) pre hodiny, D0 pre dáta a B4 pre riadiace vedenie k horúcej doske.

Keď si stiahnete softvér, spustite prostredie Arduino a v položke ponuky Súbor/Skicár otvorte IR_PID. Na karte pwm môžete definovať HEAT_RELAY_PIN ako vhodný pre váš variant Arduino alebo Freeduino. Na karte teplota urobte to isté pre PIN PIN IR_CLK, PIN IR_DATA a IR_INT. Mali by ste byť pripravení na skompilovanie a stiahnutie.

Podobne spustite svoje prostredie Processing a otvorte skicu PID_Plotter. Upravte BAUDRATE na správnu hodnotu a uistite sa, že nastavíte index použitý v Serial.list () [1] na správnu hodnotu pre váš systém (môj port je index 1).

Krok 3: Zapojenie všetkého

Riadiaci systém striedavého prúdu na horúcej doske je podrobne popísaný v už spomenutom návode na spájkovanie pre extrémnu povrchovú montáž alebo si môžete kúpiť vlastné relé SSR (polovodičové relé). Uistite sa, že zvládne záťaž na platničke s dostatočnou rezervou, povedzme 20 až 40 wattov, pretože testovanie vykonané Číňanmi môže nechať niečo byť žiaduce. Ak používate regulátor striedavého prúdu od spoločnosti Instructable, spustite prepojku z odporu na riadiacom vstupe na zem na zariadení Ard/Free-duino a prepojku z riadiaceho výstupu (B4 alebo čokoľvek, čo ste vybrali) na ovládanie signálu. Vstup. Pozrite si obrázok ovládača. Žltá prepojka je vstupom riadiaceho signálu a zelená prepojka smeruje na zem. Rád používam blinkenlight (LED s odporom k zemi) na výstupnom kolíku, aby som vedel, kedy je zapnutý. Pripojte prepojku medzi LED a portom podľa obrázku. Pozrite si schému zapojenia Teensy ++.

Teraz pripevnite podperu, aby bol snímač teploty IR držaný nad horúcou platňou. Obrázok ukazuje, čo som urobil. Jednoduché, ale robustné je pravidlom. Všetko horľavé uchovávajte mimo dosahu horúcej platne; snímač je plastový a zdá sa, že je v poriadku 3 palce nad povrchom platne. Veďte vodiče z konektora na vašom senzore na príslušné kolíky na vašom Ard/Free-duino. Pripojenia infračerveného senzora sú uvedené v schéme zapojenia Teensy ++. Prispôsobte ich podľa potreby svojmu Ard/Free-duino.

Dôležitá bezpečnostná poznámka: IR senzor má LED ukazovateľ, ktorý pomáha pri jeho zameraní. Ak máte mačky ako ja, radi sa prenasledujú pomocou LED ukazovateľa. Preto prilepte diódu nepriehľadnou páskou, aby vaše mačky pri použití neskákali.

Predtým, ako zapojíte regulátor striedavého prúdu do 120 V, vyskúšajte systém a nastavte počiatočné cieľové hodnoty teploty. Odporúčam cieľovú teplotu 20 ° C, aby sa zahrievanie nezačalo okamžite. Tieto hodnoty budú uložené v EEPROM a použité nabudúce, takže keď skončíte s spájkovaním, uistite sa, že ako cieľovú teplotu vždy uložíte nízku hodnotu. Považujem za dobré spustiť regulátor teploty najskôr s odpojenou horúcou platňou. Pred zapojením sa uistite, že všetko funguje.

Pripojte svoj sériový port k Arduinu a zapnite ho. Zostavte skicu Arduina a stiahnite si ju. Spustite skicu spracovania, aby ste mohli komunikovať s ovládačom a zobrazovať výsledky. Náčrt Arduino sa občas nesynchronizuje s náčrtom Spracovanie. Keď sa to stane, v okne konzoly skice Spracovanie sa zobrazí správa „Žiadna aktualizácia“. Jednoducho zastavte a reštartujte náčrt spracovania a všetko by malo byť v poriadku. Ak nie, pozrite sa na nižšie uvedenú časť Riešenie problémov.

Tu sú príkazy pre ovládač. „Delta“je množstvo, ktoré sa parameter zmení po zadaní príkazu. Najprv nastavte hodnotu delty, ktorú chcete použiť. Potom pomocou tejto delty upravte požadovaný parameter. Napríklad pomocou + a - urobte delta 10. Potom pomocou T (veľké „T“) zvýšte nastavenie cieľovej teploty o 10 stupňov C, alebo t (malé písmeno „t“) znížte cieľovú teplotu o 10 stupňov. Príkazy:

+/-: upravte deltu faktorom desať P/p: nahor/nadol upravte p zisk delta I/i: nahor/nadol upravte i zisk delta D/d: nahor/nadol upravte d zisk delta T/t: hore/dole upraviť nastavenú teplotu delta h: zapnúť a vypnúť obrazovku pomocníka R: resetovať hodnoty - urobte to pri prvom spustení ovládača

Hneď ako dostanete aktualizácie teploty, grafické okno náčrtu by malo vyzerať ako na obrázku. Ak máte na obrazovke veľkú sivú oblasť s niektorými opísanými príkazmi, vymažte ju jednoducho zadaním „h“. Pri prvom spustení sa môže zobraziť výzva na resetovanie počiatočných hodnôt. Choďte do toho a urobte to. Hodnoty v pravom hornom rohu sú aktuálne hodnoty a nastavenia. „Cieľ“je aktuálna cieľová teplota a mení sa príkazom „t“, ako je popísané vyššie. „Curr“je aktuálna hodnota teploty zo senzora. „P“, „I“a „D“sú parametre pre riadiaci algoritmus PID. Na ich zmenu použite príkazy „p“, „i“a „d“. O chvíľu ich prediskutujem. „Pow“je výkonový príkaz z regulátora PID na horúcu platňu. Je to hodnota medzi 0 (vždy vypnuté) a 1 000 (vždy zapnuté).

Ak dáte ruku pod snímač, mali by ste vidieť, ako teplota (Curr) stúpa. Ak teraz zvýšite cieľovú teplotu, uvidíte zvýšenie hodnoty výkonu (Pow) a kontrolka výstupu bude blikať. Zvýšte cieľovú teplotu a výstupná dióda zostane dlhšie svietiť. Keď je varná doska zapojená a funguje, zvýšenie cieľovej teploty spôsobí zapnutie varnej platne. Keď sa aktuálna teplota blíži k cieľovej teplote, doba zapnutia sa zníži, aby sa k cieľovej teplote priblížilo s minimálnym prekročením. Potom bude čas zapnutia stačiť na udržanie cieľovej teploty.

Tu je návod, ako nastaviť parametre pre algoritmus PID. Môžete začať hodnotami, ktoré používam. P 40, I 0,1 a D 100. Môj systém urobí krok 50 ° C asi za 30 sekúnd s prekročením menej ako 5 stupňov. Ak váš systém funguje výrazne odlišne, budete ho chcieť vyladiť. Ladenie PID regulátora môže byť náročné, ale vyššie uvedený článok vysvetľuje, ako to urobiť veľmi efektívne.

Teraz je čas na to pravé. Zapojte horúcu platňu do AC regulátora horúcej platne podľa popisu v časti Extreme Surface Mount Soldering. Nezabudnite si prečítať aj všetky tam uvedené upozornenia. Umiestnite teplotný snímač tak, aby bol asi 3 palce nad horúcou platňou a smeroval naň priamo. Zapnite Ard/Free-duino. Skontrolujte, či sú všetky pripojenia správne a či váš softvér (regulátor PID a monitorovací program) funguje správne. Začnite s cieľovou teplotou nastavenou na 20 C. Potom cieľovú teplotu zvýšte na 40 C. Horúca platňa by sa mala zapnúť a teplota by sa mala plynulo zvyšovať na 40 ° C +/- 2 C. Teraz môžete skúsiť zvýšiť teplotu, keď sledujete výkon vášho systému. Všimnete si, že vychladnutie taniera trvá oveľa dlhšie, ako jeho zahriatie.

Riešenie problémov

Ak sa skica spracovania nespúšťa alebo neaktualizuje teplotu, zastavte skicu spracovania a spustite sériový terminál (napríklad Hyperterminál v systéme Windows). Klepnite na medzerník a stlačte kláves Return. Arduino by malo odpovedať aktuálnym údajom teploty. Upravujte nastavenia prenosovej rýchlosti atď., Kým nedostanete požadovanú odpoveď. Akonáhle to bude fungovať, mal by sa spustiť náčrt spracovania. Ak problémy pretrvávajú, uistite sa, že vaše priradenie pinov súhlasí s vašim fyzickým zapojením a že ste k príslušným kolíkom snímača teploty pripojili napájanie a uzemnenie.

Krok 4: Spájkovanie na povrchovú montáž

Použitie systému regulácie teploty popísaného v tomto návode na obsluhu zlepšuje spájkovanie na extrémnom povrchu na povrch dvoma spôsobmi. Po prvé, regulácia teploty je presnejšia a výrazne rýchlejšia. Takže namiesto toho, aby sme mali pomalú rampu od asi 120 ° C do 180 ° C počas 6 minút alebo nie, môžeme rýchlo prejsť na 180 ° C, podržať 2 ½ až 3 minúty a rýchlo prejsť na 220 ° C až 240 ° C asi minútu. Stále musíme sledovať bod, kedy spájka tečie a vypnúť napájanie, alebo len rýchlo znížiť cieľovú teplotu. Pretože teplota klesá veľmi pomaly, zvyčajne sklopím svoje obvody z horúcej platne hneď, ako sa teplota ochladí pod 210 ° C. Položte ich na kus parfumovanej dosky alebo dreva, nie na kov. Kov by mohol spôsobiť, že sa príliš rýchlo ochladia. Všimnite si tiež, že možno budete musieť zvýšiť cieľovú teplotu nad 250 ° C (maximum, ktoré snímač odčíta), aby bola doska v určitých oblastiach dostatočne horúca. Doska nedosiahne jednu teplotu na celom povrchu, ale v určitých oblastiach bude chladnejšia ako ostatné. Naučíte sa to experimentovaním.

Druhou oblasťou zlepšenia je skrátenie času medzi spájkovacími cyklami. Pri systéme s otvorenou slučkou som musel počkať, kým sa horúca platňa ochladí na izbovú teplotu (asi 20 ° C), aby sa začal nový spájkovací cyklus. Ak by som to neurobil, teplotný cyklus by nebol správny (zmena počiatočných podmienok). Teraz mi stačí čakať na stabilnú teplotu okolo 100C a môžem začať nový cyklus.

Teplotný cyklus, ktorý teraz používam, je naznačený vyššie, ale tu je to presne. Začnite na 100 C. Položte dosky na horúci plech na dve až tri minúty, aby sa zahriali - dlhšie s veľkými komponentmi. Nastavte cieľovú teplotu na 180 ° C. Túto teplotu dosiahnete za menej ako jednu minútu. Podržte tu 2 ½ minúty. Nastavte si cieľ na 250 ° C. Hneď ako začne prúdiť všetka spájka, znížte cieľovú teplotu na približne 100 ° C. Teplota vášho taniera zostane vysoká. Hneď ako klesne na 210 ° C alebo uplynie 1 minúta, sklopte dosky z platne na chladiacu plošinu z perfboardu alebo dreva. Spájkovanie je hotové.

Ak chcete použiť iný teplotný profil, nemali by ste mať problém dosiahnuť ho s týmto riadiacim systémom.

Možno budete chcieť experimentovať s polohou teplotného senzora nad horúcou platňou. Zistil som, že nie všetky oblasti horúcej platne dosahujú rovnakú teplotu súčasne. V závislosti od toho, kam umiestnite senzor, sa skutočný čas a teplota potrebná na tok spájky môže líšiť. Akonáhle vypracujete recept, použite rovnaké umiestnenie senzora pre opakovateľné výsledky.

Šťastné spájkovanie!