Stänga slingan på ytmonterad lödning: 4 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:48

Temperaturen verkar vara det lättaste i världen att kontrollera. Slå på spisen och ställ in önskad temperatur. Slå på ugnen på morgonen och ställ in termostaten. Justera varmt och kallt vatten för att göra duschen precis lagom. Lätt! Men vad händer om du vill kontrollera temperaturen bortom dessa vardagliga applikationer? Om du vill ha temperaturer utanför normala intervall, eller om du vill ha en stabil temperatur inom ett snävt område, är du mestadels på egen hand.

I mitt fall ville jag kontrollera temperaturen på en värmeplatta som används för ytmonterad lödning. Inledningsvis använde jag pulsbreddsmodulation för att ge stabila temperaturer och experimentellt bestämda inställningar för att skapa den temperaturprofil som krävs. Du kan läsa allt om det i den här instruktionsboken. Detta system fungerar och kontroll av temperaturen på detta sätt är bra och bra, men det har brister.

Brister:

• Fungerar bara för min specifika kokplatta. Andra är likartade, men inte identiska och experiment krävs för att bestämma de inställningar och tider som behövs för att ta fram den önskade profilen.
• Samma situation om jag vill ha en annan profil eller temperatur.
• Lödningsprocessen tar lång tid eftersom stabila temperaturer måste närma sig långsamt.

Helst skulle vi bara kunna ange en temperatur-tidsprofil, trycka på en knapp och styrenheten skulle få värmeplattan att fungera som programmerad. Vi vet att detta är möjligt eftersom det finns många industriella processer som använder exakt den här typen av kontroll. Frågan är om detta kan göras enkelt och billigt hemma?

Som du kanske har gissat, eftersom jag skriver den här instruktionsboken, är svaret ja! Denna instruktionsbok visar dig hur du bygger din egen industriella styrka för temperaturstyrning. Jag kommer särskilt att rikta in mig på ytmonterad lödning, men alla processer som kräver exakt tidstemperaturprofil kan använda detta system.

Obs: När jag använder namnet "Arduino" menar jag inte bara själva (inte riktigt) upphovsrättsskyddat Arduino, utan också de många versioner av det offentliga området som tillsammans kallas "Freeduino". I vissa fall använder jag termen "Ard/Free-duino", men villkoren bör anses vara utbytbara för denna instruktions syfte.

Temperaturkontrollschemat som används i Extreme Surface Mount Lodding Instructable kallas öppen slingkontroll. Det vill säga att ett värde som har producerat önskad temperatur tidigare förväntas ge samma temperatur när den används igen. Detta är ofta sant och ger önskat resultat. Men om förhållandena är något annorlunda, säg att garaget där vi arbetar är mycket svalare eller varmare, då kanske du inte får det förväntade resultatet.

Om vi har en sensor som kan avläsa temperaturen och rapportera tillbaka den till en styrenhet, då har vi sluten kontroll. Regulatorn kan ställa in ett initialvärde för att öka temperaturen, titta på temperaturen när tiden går och justera inställningen så att temperaturen går högre eller lägre tills önskad temperatur uppnås.

Vår strategi kommer att vara att ersätta den AVRTiny2313-baserade PWM-styrenheten med en mer kraftfull ATMega-baserad styrenhet. Programmering kommer att göras i Arduino -miljön. Vi kommer att använda en dator (Linux-Mac-Windows) som kör Processing för att visa resultaten och justera kontrollen.

För sensorn använder vi en infraröd temperatursensor från Harbor Freight. IR -sensorn kommer att modifieras för att mata ut temperaturen som en seriell dataström som styrenheten kan läsa. Vi använder en Ard/Free-duino som kontrollenhet, med en PC (Mac-Linux-Windows) för inmatning till styrenheten. När vi är klara kommer systemet att se ut som på bilden. (Du kan dock ha mindre främmande kretsar på din brödbräda. Det är OK.)

Steg 1: Ändra IR -sensorn

Stort tack till min smarta vän, Scott Dixon, för hans noggranna detektivarbete för att ta reda på hur detta instrument fungerar och hur man gör det allmänt användbart med en kontroller genom att avslöja dess seriella gränssnitt.

Enheten vi börjar med är Harbor Freight-artikelnummer: 93984-5VGA. Kostar cirka 25 dollar. Bry dig inte om att köpa garantin.:)} Här är länken. Figurerna 1 och 2 visar fram- och bakvyer. Pilarna på figur 2 anger var skruvarna sitter som håller ihop höljet. Figur 3 visar insidan av höljet när skruvarna tas bort och höljet öppnas. Laserpekarmodulen kan förmodligen tas bort och användas för andra projekt, även om jag inte har gjort detta ännu. Pilarna pekar på skruvarna som ska tas bort om du vill ta ut brädet för att löda till det (skruvar tas bort i den här bilden). Också indikerat är området där en avstängning bör göras för att dina ledningar ska lämna fodralet. Se även Figur 5. Gör snittet medan brädan tas bort, eller åtminstone innan du lödar trådarna. Det är lättare på det sättet.;)} Figur 4 visar var ledningarna kommer att lödas. Notera bokstaven för varje anslutning så att du vet vilken kabel som är när du stänger höljet. Figur 5 visar trådarna som är lödda på plats och dras genom utskärningen. Du kan nu sätta ihop fodralet igen och instrumentet ska fungera som det gjorde före din operation. Notera kontakten på ledningarna. Jag använder längre kablar för att faktiskt ansluta till min controller. Om du använder en liten tråd, en liten kontakt och håller ledningarna korta, kan du stoppa tillbaka allt om du vill och instrumentet ser oförändrat ut. Scott har också skapat programvaran för att ansluta denna enhet. Han använde detta dokument om du vill ha detaljer. Det är allt! Du har nu en IR -temperatursensor som fungerar från -33 till 250 C.

Steg 2: Programvara för kontroll

IR -temperatursensorn är användbar som den bara är en del av systemet. För att styra temperaturen krävs tre objekt: en värmekälla, en temperatursensor och en styrenhet som kan läsa av sensorn och styra värmekällan. I vårt fall är kokplattan värmekällan, IR-temperatursensorn (som modifierad i det sista steget) är vår sensor, och en Ard/Free-duino som kör lämplig programvara är styrenheten. All programvara för denna Instructable kan laddas ner som ett Arduino -paket och som ett bearbetningspaket.

Ladda ner filen IR_PID_Ard.zip. Packa upp den i din Arduino -katalog (vanligtvis Mina dokument/Arduino). Ladda ner filen PID_Plotter.zip. Packa upp den i din bearbetningskatalog (vanligtvis Mina dokument/bearbetning). Filerna kommer nu att finnas tillgängliga i lämpliga skissböcker.

Programvaran som vi använder är ursprungligen skriven av Tim Hirzel. Det modifieras genom att lägga till gränssnittet till IR -sensorn (tillhandahålls av Scott Dixon). Programvaran implementerar en kontrollalgoritm som kallas PID -algoritmen. PID står för Proportional - Integral - Derivative och är standardalgoritmen som används för industriell temperaturkontroll. Denna algoritm beskrivs i en utmärkt artikel av Tim Wescott som Tim Hirzel baserade sin programvara på. Läs artikeln här.

För att ställa in algoritmen (läs mer om detta i den nämnda artikeln) och för att ändra måltemperaturinställningar, kommer vi att använda en Processing sketch, också utvecklad av Tim Hirzel. Det utvecklades för rostning av kaffebönor (en annan tillämpning av temperaturkontroll) och kallades Bare Bones Coffee Controller, eller BBCC. Namn åt sidan, det fungerar utmärkt för ytmonterad lödning. Du kan ladda ner originalversionen här.

Ändra programvaran

I det följande antar jag att du är bekant med Arduino och Processing. Om du inte är det, bör du gå igenom självstudierna tills saker börjar bli vettiga. Var noga med att lägga upp kommentarer till denna instruktionsbara så ska jag försöka hjälpa till.

PID -styrenheten måste modifieras för din Arduino/Freeduino. Klockledningen från IR -sensorn måste anslutas till en avbrottsstift. På en Arduino kan detta vara 1 eller 0. På Freeduinos av olika slag kan du använda alla tillgängliga avbrott. Anslut datalinjen från sensorn till en annan stift i närheten (till exempel D0 eller D1 eller en annan stift du väljer). Styrledningen till värmeplattan kan komma från valfri digital stift. På min speciella Freeduino -klon (beskriv här) använde jag D1 och tillhörande avbrott (1) för klocka, D0 för data och B4 för styrledningen till värmeplattan.

När du har laddat ner programvaran startar du din Arduino -miljö och öppnar IR_PID från menyalternativet Arkiv/Skissbok. Under fliken pwm kan du definiera HEAT_RELAY_PIN som passar din Arduino- eller Freeduino -variant. Under temp -fliken gör du samma sak för IR_CLK PIN, IR_DATA PIN och IR_INT. Du bör vara redo att kompilera och ladda ner.

På samma sätt kan du starta din bearbetningsmiljö och öppna PID_Plotter -skissen. Justera BAUDRATE till rätt värde och var noga med att ställa in index som används i Serial.list () [1] till rätt värde för ditt system (min port är index 1).

Steg 3: Anslut allt

Värmeplattans AC -styrsystem finns detaljerat i Extreme Surface Mount Soldering Instructable som redan nämnts, eller så kan du köpa ditt eget SSR (solid state relä). Var säker på att den klarar värmeplattans belastning med tillräcklig marginal, säg en 20 till 40 watt, eftersom testerna som utförs av kineserna kan lämna något att önska. Om du använder värmeplattans AC-controller från min Instructable, kör sedan en bygel från motståndet på kontrollingången till jord på Ard/Free-duino och en bygel från kontrollutgången (B4, eller vad du än väljer) till Control Signal Inmatning. Se bilden på styrenheten. Den gula bygeln är kontrollsignalen och den gröna bygeln går till marken. Jag gillar att använda en blinkenlight (ledd med ett motstånd till marken) på utgångsstiften så jag vet när den är på. Anslut din bygel mellan lysdioden och porten enligt bilden. Se anslutningsschemat för Teensy ++.

Rigga nu upp ett stöd för att hålla IR -temperatursensorn över din kokplatta. Bilden visar vad jag gjorde. Enkel men robust är regeln. Håll allt brandfarligt på avstånd från kokplattan; sensorn är av plast och verkar vara bra 3 tum ovanför plattans yta. Dra ledningar från kontakten på din sensor till lämpliga stift på din Ard/Free-duino. Anslutningar för IR -sensorn visas i Teensy ++ - uppkopplingsdiagrammet. Anpassa dessa efter behov för din Ard/Free-duino.

Viktig säkerhetsanmärkning: IR -sensorn har en ledpekare som hjälper till att rikta den. Om du har katter som min, älskar de att jaga ledpekaren. Så täck över ledningen med lite ogenomskinlig tejp så att dina katter inte hoppar på kokplattan när du använder den.

Innan du ansluter värmeplattans AC -regulator till 120V, så här testar du systemet och anger initiala målvärden för temperatur. Jag föreslår en måltemperatur på 20 C så att uppvärmningen inte startar omedelbart. Dessa värden kommer att lagras i EEPROM och användas nästa gång, så se till att du alltid lagrar ett lågt värde som måltemperaturen när du är klar med en lödningssession. Jag tycker att det är en bra idé att starta temperaturregulatorn med kokplattan frånkopplad först. Se till att allt fungerar innan du ansluter det.

Anslut din seriella port till din Arduino och slå på den. Kompilera Arduino -skissen och ladda ner den. Starta bearbetningsskissen för att interagera med styrenheten och visa resultat. Ibland synkroniseras inte Arduino -skissen med bearbetningsskissen. När detta händer ser du meddelandet "Ingen uppdatering" i konsolfönstret i bearbetningsskissen. Stoppa helt enkelt och starta om bearbetningsskissen så ska saker och ting vara OK. Om inte, ta en titt på avsnittet Felsökning nedan.

Här är kommandona för styrenheten. "Delta" är mängden som en parameter kommer att ändra när den kommanderas. Ange först värdet på delta som du vill använda. Justera sedan önskad parameter med det deltaet. Använd till exempel + och - för att göra delta 10. Använd sedan T (stort”T”) för att öka måltemperaturinställningen med 10 grader C, eller t (gemener”t”) för att minska måltemperaturen med 10 grader. Kommandon:

+/-: justera delta med en faktor tio P/p: upp/ner justera p förstärkning med delta I/i: upp/ner justera jag förstärkning med delta D/d: upp/ner justera d förstärkning med delta T/t: upp/ner justera inställd temp med delta h: växla hjälpskärm på och av R: återställ värden - gör detta första gången du kör regulatorn

När du har fått temperaturuppdateringar ska det grafiska fönstret i skissen se ut som på bilden. Om du har ett stort grått område på skärmen med några kommandon beskrivna, skriver du helt enkelt "h" för att rensa det. När du börjar för första gången kan du bli ombedd att återställa startvärdena. Fortsätt och gör det. Värdena i det övre högra hörnet är de aktuella avläsningarna och inställningarna. "Mål" är den aktuella måltemperaturen och ändras med "t" -kommandot enligt ovan. "Curr" är den aktuella temperaturavläsningen från sensorn. "P", "I" och "D" är parametrarna för PID -styralgoritmen. Använd kommandona "p", "i" och "d" för att ändra dem. Jag ska diskutera dem om ett ögonblick. “Pow” är strömkommandot från PID -regulatorn till värmeplattan. Det är ett värde mellan 0 (alltid av) och 1000 (alltid på).

Om du lägger handen under sensorn bör du se temperaturen (Curr) hoppa upp. Om du nu ökar måltemperaturen ser du effekt (Pow) -värdet öka och utgångslampan blinkar. Öka måltemperaturen och utgångslampan kommer att vara på längre. När värmeplattan är ansluten och fungerar, ökar måltemperaturen att värmeplattan slås på. När den nuvarande temperaturen närmar sig måltemperaturen, minskar på-tiden så att måltemperaturen närmar sig med minimal överskjutning. Då räcker tiden tillräckligt mycket för att bibehålla måltemperaturen.

Så här ställer du in parametrarna för PID -algoritmen. Du kan börja med de värden jag använder. P på 40, I på 0,1 och D på 100. Mitt system gör ett 50C -steg på cirka 30 sekunder med en överskjutning på mindre än 5 grader. Om ditt system fungerar betydligt annorlunda, kommer du att vilja justera det. Det kan vara svårt att ställa in en PID -kontroller, men artikeln som refereras ovan förklarar hur man gör det mycket effektivt.

Nu är det dags för den riktiga saken. Anslut värmeplattan till värmeplattans AC -styrenhet enligt beskrivningen i Extreme Ytmonterad lödning. Var noga med att läsa alla varningar där också. Placera din temperatursensor så att den är cirka 3 tum ovanför din kokplatta och pekar direkt på den. Slå på din Ard/Free-duino. Se till att alla anslutningar är korrekta och att din programvara (PID -styrenheten och övervakningsprogrammet) fungerar som den ska. Börja med måltemperaturen inställd på 20 C. Öka sedan måltemperaturen till 40 C. Värmeplattan ska tändas och temperaturen ska öka smidigt till 40C +/- 2 C. Du kan nu prova att öka temperaturen när du observerar prestandan av ditt system. Du kommer att märka att det tar mycket längre tid för plattan att svalna än för att värma upp den.

Felsökning

Om bearbetningsskissen inte körs eller inte uppdaterar temperaturen, stoppa bearbetningsskissen och starta en seriell terminal (till exempel Hyperterminal på Windows). Tryck på mellanslagstangenten och tryck på Retur. Arduino ska svara med den aktuella temperaturavläsningen. Justera inställningarna för överföringshastighet etc. tills du får önskat svar. När detta fungerar bör bearbetningsskissen köras. Om du fortfarande har problem, se till att dina stifttilldelningar överensstämmer med dina fysiska ledningar och att du har anslutit ström och jord till lämpliga stift på temperaturgivaren.

Steg 4: Ytmonterad lödning

Genom att använda temperaturkontrollsystemet som beskrivs i denna instruktionsbok förbättras extremt ytmonterad lödning på två sätt. För det första är temperaturkontrollen mer exakt och betydligt snabbare. Så istället för att ha en långsam ramp från cirka 120C till 180C över 6 minuter eller så kan vi gå snabbt till 180C, hålla i 2 ½ till 3 minuter och gå snabbt till 220C till 240C i ungefär en minut. Vi måste fortfarande se efter när lödet flödar och stänger av strömmen, eller bara snabbt sänka måltemperaturen. Eftersom temperaturen sjunker mycket långsamt, brukar jag glida mina kretsar från kokplattan så snart temperaturen har svalnat till under 210C. Lägg dem på en bit bräda eller trä, inte metall. Metallen kan få dem att svalna för snabbt. Observera också att du kan behöva höja måltemperaturen över 250C (det högsta som sensorn kommer att läsa) för att få plattan tillräckligt varm i vissa områden. Plattan når inte en enda temperatur över hela ytan utan blir svalare i vissa områden än andra. Du lär dig detta genom att experimentera.

Det andra förbättringsområdet är en minskning av tiden mellan lödningscyklerna. Med systemet med öppen slinga fick jag vänta på att värmeplattan svalnade till rumstemperatur (ca 20C) för att starta en ny lödningscykel. Om jag inte gjorde detta skulle temperaturcykeln inte vara korrekt (ändring av initiala förhållanden). Nu behöver jag bara vänta på en stabil temperatur runt 100C och jag kan starta en ny cykel.

Den temperaturcykel jag nu använder är underförstådd ovan, men här är den exakt. Börja vid 100C. Lägg dina brädor på kokplattan i två till tre minuter för att värma upp - längre med stora komponenter. Ställ in måltemperaturen till 180C. Denna temperatur uppnås på mindre än en minut. Håll här i 2 ½ minuter. Ställ in ditt mål på 250C. Så snart all lödning flödar, sänka måltemperaturen till cirka 100C. Temperaturen på din tallrik kommer att förbli hög. Så fort den sjunker till 210C, eller tiden på 1 minut går, skjut dina brädor från den heta plattan på en kylplattform av perfboard eller trä. Lödning är klar.

Om du vill använda en annan temperaturprofil bör du inte ha problem med att uppnå den med detta styrsystem.

Du kanske vill experimentera med temperatursensorns position ovanför din kokplatta. Jag fann att inte alla områden på kokplattan når samma temperatur samtidigt. Så beroende på var du placerar din sensor kan den faktiska tiden och temperaturen som krävs för att få lödflödet att variera. När du har tagit fram ett recept använder du samma positionering av sensorn för repeterbara resultat.

Glad lödning!