Uzavření smyčky na pájení na povrchovou montáž: 4 kroky

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:25

Teplota se zdá být nejsnadnější na světě. Zapněte sporák a nastavte požadovanou teplotu. Ráno zapněte pec a nastavte termostat. Upravte teplou a studenou vodu, aby byla sprcha tak akorát. Snadný! Ale co když chcete ovládat teplotu nad rámec těchto každodenních aplikací? Pokud chcete teploty mimo normální rozmezí nebo chcete stabilní teplotu v úzkém rozmezí, jste většinou sami.

V mém případě jsem chtěl ovládat teplotu horké desky používané pro povrchové pájení. Zpočátku jsem použil pulzně šířkovou modulaci k zajištění stabilních teplot a experimentálně určených nastavení k vytvoření požadovaného teplotního profilu. To vše si můžete přečíst v tomto Instructable. Tento systém funguje a řízení teploty tímto způsobem je dobré, ale má nedostatky.

Nedostatky:

• Funguje pouze pro mou konkrétní varnou desku. Ostatní jsou podobní, ale ne identičtí, a k určení nastavení a časů potřebných k vytvoření požadovaného profilu jsou nutné experimenty.
• Stejná situace, pokud chci jiný profil nebo teplotu.
• Proces pájení trvá dlouho, protože ke stabilním teplotám je třeba se pomalu přibližovat.

V ideálním případě bychom mohli zadat pouze teplotně-časový profil, stisknout tlačítko a ovladač by způsobil, že horká deska bude fungovat tak, jak je naprogramována. Víme, že je to možné, protože existuje mnoho průmyslových procesů, které používají přesně tento druh řízení. Otázkou je, zda to lze udělat snadno a levně doma?

Jak jste asi uhodli, protože píši tento Instructable, odpověď zní ano! Tento Instructable vám ukáže, jak vytvořit vlastní průmyslový teplotní regulátor. Zaměřím se zejména na pájení na povrchovou montáž, ale tento systém může použít jakýkoli proces vyžadující přesný časový teplotní profil.

Poznámka: Když používám název „Arduino“, nemyslím tím jen (ne úplně) samotné Arduino chráněné autorskými právy, ale také mnoho verzí veřejné domény souhrnně označovaných jako „Freeduino“. V některých případech používám výraz „Ard/Free-duino“, ale pro účely tohoto Instructable by termíny měly být považovány za zaměnitelné.

Schéma řízení teploty použité v Extreme Surface Mount Soldering Instructable je známé jako řízení s otevřenou smyčkou. To znamená, že od hodnoty, která v minulosti vytvořila požadovanou teplotu, se očekává, že při opětovném použití vytvoří stejnou teplotu. Často je to pravda a přináší požadovaný výsledek. Pokud se však podmínky mírně liší, řekněme, že garáž, kde pracujeme, je mnohem chladnější nebo teplejší, pak nemusíte dosáhnout očekávaného výsledku.

Pokud máme čidlo, které dokáže číst teplotu a hlásit ji zpět do ovladače, pak máme ovládání s uzavřenou smyčkou. Regulátor je schopen nastavit počáteční hodnotu pro zvýšení teploty, sledovat teplotu v průběhu času a upravit nastavení tak, aby teplota stoupala nebo klesala, dokud není dosaženo požadované teploty.

Náš přístup bude nahradit PWM řadič na bázi AVRTiny2313 výkonnějším řadičem na bázi ATMega. Programování bude probíhat v prostředí Arduino. K zobrazení výsledků a nastavení ovladače použijeme počítač (Linux-Mac-Windows) se systémem Processing.

Pro senzor použijeme infračervený teplotní senzor od Harbour Freight. IR senzor bude upraven tak, aby vydával teplotu jako sériový datový tok, který může regulátor číst. Jako ovladač použijeme Ard/Free-duino s PC (Mac-Linux-Windows) pro vstup do ovladače. Když jsme všichni hotovi, systém bude vypadat jako na obrázku. (Na prkénku však můžete mít méně cizích obvodů. To je v pořádku.)

Krok 1: Úprava infračerveného senzoru

Mnohokrát děkuji mému chytrému příteli Scottu Dixonovi za jeho pečlivou detektivní práci při zjišťování, jak tento nástroj funguje a jak je obecně užitečné s ovladačem tím, že odhalil jeho sériové rozhraní.

Zařízení, se kterým začneme, je Harbor Freight Part Number: 93984-5VGA. Náklady asi 25 $. Nebojte se nákupu záruky.:)} Tady je odkaz. Obrázky 1 a 2 ukazují pohled zepředu a zezadu. Šipky na obrázku 2 ukazují, kde jsou šrouby, které drží pouzdro pohromadě. Obrázek 3 ukazuje vnitřek pouzdra po odstranění šroubů a otevření pouzdra. Modul laserového ukazovátka lze pravděpodobně vyjmout a použít pro jiné projekty, i když jsem to ještě neudělal. Šipky ukazují na šrouby, které je třeba odstranit, pokud chcete desku vyjmout a pájet k ní (šrouby odstraněné na tomto obrázku). Rovněž je uvedena oblast, kde by měl být proveden výřez pro vaše vedení k výstupu z pouzdra. Viz také obrázek 5. Proveďte výřez, když je deska odstraněna, nebo alespoň před připájením vodičů. Je to tak jednodušší.;)} Obrázek 4 ukazuje, kde budou dráty pájeny. Všimněte si písmene každého připojení, abyste věděli, který vodič je který, když uzavřete pouzdro. Obrázek 5 ukazuje dráty připájené na místě a vedené skrz výřez. Nyní můžete pouzdro znovu složit a nástroj by měl fungovat stejně jako před operací. Všimněte si konektoru na vodičích. Ke správnému připojení ke svému ovladači používám delší vodiče. Používáte -li malý vodič, malý konektor a držíte dráty krátké, můžete jej v případě potřeby zastrčit zpět do kufru a nástroj vypadá neupravený. Scott také vytvořil software pro propojení tohoto zařízení. Pokud chcete podrobnosti, použil tento dokument. A je to! Nyní máte IR teplotní senzor, který bude fungovat od -33 do 250 C.

Krok 2: Software pro ovládání

I když je to užitečné, IR snímač teploty je pouze součástí systému. K ovládání teploty jsou zapotřebí tři položky: zdroj tepla, teplotní čidlo a regulátor, který dokáže čidlo přečíst a ovládat zdroj tepla. V našem případě je horká deska zdrojem tepla, infračervené teplotní čidlo (jak bylo upraveno v posledním kroku) je naše čidlo a ovladačem je Ard/Free-duino, na kterém běží příslušný software. Veškerý software pro tento Instructable lze stáhnout jako balíček Arduino a jako balíček Processing.

Stáhněte si soubor IR_PID_Ard.zip. Rozbalte jej v adresáři Arduino (obvykle Moje dokumenty/Arduino). Stáhněte si soubor PID_Plotter.zip. Rozbalte jej v adresáři Processing (obvykle My Documents/Processing). Soubory budou nyní k dispozici v příslušných skicácích.

Software, který použijeme, původně napsal Tim Hirzel. Upravuje se přidáním rozhraní k infračervenému senzoru (dodává Scott Dixon). Software implementuje řídicí algoritmus známý jako PID algoritmus. PID znamená Proportional - Integral - Derivative a je standardním algoritmem používaným pro průmyslovou regulaci teploty. Tento algoritmus je popsán ve vynikajícím článku Tima Wescotta, na kterém Tim Hirzel založil svůj software. Přečtěte si článek zde.

K vyladění algoritmu (přečtěte si o tom ve zmíněném článku) a o změně nastavení cílové teploty použijeme skicu Processing, rovněž vyvinutou Timem Hirzelem. Byl vyvinut pro pražení kávových zrn (další aplikace regulace teploty) a byl nazýván Bare Bones Coffee Controller nebo BBCC. Když pomineme, funguje skvěle pro pájení na povrch. Zde si můžete stáhnout původní verzi.

Úprava softwaru

V následujícím textu předpokládám, že jste obeznámeni s Arduinem a zpracováním. Pokud nejste, měli byste projít tutoriály, dokud věci nezačnou dávat smysl. Nezapomeňte posílat komentáře k tomuto Instructable a pokusím se vám pomoci.

PID řadič musí být upraven pro vaše Arduino/Freeduino. Hodinová čára od infračerveného senzoru musí být připojena k přerušovacímu kolíku. U Arduina to může být 1 nebo 0. U Freeduinos různého druhu můžete použít jakékoli dostupné přerušení. Připojte datovou linku ze senzoru k jinému blízkému pinu (například D0 nebo D1 nebo jinému pinu podle vašeho výběru). Ovládací vedení k horké desce může pocházet z jakéhokoli digitálního kolíku. U mého konkrétního klonu Freeduino (zde popište) jsem použil D1 a související přerušení (1) pro hodiny, D0 pro data a B4 pro řídicí linku k horké plotně.

Po stažení softwaru spusťte prostředí Arduino a otevřete IR_PID z položky nabídky Soubor/Skicář. Na kartě pwm můžete definovat HEAT_RELAY_PIN jako vhodný pro vaši variantu Arduino nebo Freeduino. Na kartě temp proveďte totéž pro PIN IR_CLK, PIN IR_DATA a IR_INT. Měli byste být připraveni na kompilaci a stažení.

Podobně spusťte prostředí Processing a otevřete skicu PID_Plotter. Upravte BAUDRATE na správnou hodnotu a nezapomeňte nastavit index použitý v Serial.list () [1] na správnou hodnotu pro váš systém (můj port je index 1).

Krok 3: Zapojení všeho

Řídicí systém AC horké desky je podrobně popsán v již zmíněném Extreme Surface Mount Soldering Instructable nebo si můžete koupit vlastní SSR (polovodičové relé). Ujistěte se, že dokáže zvládnout zátěž horké desky s dostatečným rozpětím, řekněme 20 až 40 wattů, protože testování prováděné Číňany může zanechat něco požadovaného. Používáte-li AC řadič varné desky z mého Instructable, pak spusťte propojku z rezistoru na řídicím vstupu na kostru na Ard/Free-duino a propojku z řídicího výstupu (B4, nebo co jste si vybrali) na Control Signal Vstup. Viz obrázek ovladače. Žlutá propojka je vstupem řídicího signálu a zelená propojka jde na zem. Rád používám blinkenlight (vedl s odporem k zemi) na výstupním pinu, abych věděl, kdy je zapnutý. Připojte propojku mezi LED a port podle obrázku. Viz schéma zapojení Teensy ++.

Nyní upevněte držák, který drží infračervený teplotní senzor nad vaší horkou deskou. Obrázek ukazuje, co jsem udělal. Jednoduché, ale robustní je pravidlo. Uchovávejte cokoli hořlavého v dostatečné vzdálenosti od varné desky; snímač je plastový a zdá se, že je v pořádku 3 palce nad povrchem desky. Veďte vodiče z konektoru na vašem senzoru na příslušné piny na vašem Ard/Free-duino. Připojení pro infračervený senzor je uvedeno v připojovacím diagramu Teensy ++. Přizpůsobte je podle potřeby svému Ard/Free-duino.

Důležitá bezpečnostní poznámka: IR senzor má LED ukazatel, který pomáhá při jeho zaměření. Pokud máte kočky jako já, rády pronásledují LED ukazatel. Přikryjte tedy led nějakou neprůhlednou páskou, aby vaše kočky při používání neskákaly na plotýnku.

Než zapojíte střídavý regulátor horké desky do 120 V, vyzkoušejte systém a nastavte počáteční cílové hodnoty teploty. Doporučuji cílovou teplotu 20 C, aby se zahřívání nezačalo okamžitě. Tyto hodnoty se uloží do EEPROM a použijí se příště, takže se ujistěte, že jako cílovou teplotu vždy uložíte nízkou hodnotu, když skončíte s pájecí relací. Považuji za dobré spustit regulátor teploty nejprve s odpojenou varnou deskou. Před zapojením se ujistěte, že vše funguje.

Připojte svůj sériový port k Arduinu a zapněte jej. Sestavte skicu Arduina a stáhněte si ji. Spusťte skicu zpracování, abyste mohli komunikovat s ovladačem a zobrazovat výsledky. Občas se skica Arduina nesynchronizuje s náčrtem Zpracování. Když k tomu dojde, v okně konzoly skici Zpracování se zobrazí zpráva „Žádná aktualizace“. Jednoduše zastavte a restartujte skicu Zpracování a vše by mělo být v pořádku. Pokud ne, podívejte se do níže uvedené části Řešení problémů.

Zde jsou příkazy pro ovladač. „Delta“je částka, kterou se parametr změní po zadání příkazu. Nejprve nastavte hodnotu delty, kterou chcete použít. Potom pomocí této delty upravte požadovaný parametr. Například pomocí + a - proveďte delta 10. Poté pomocí T (velké „T“) zvyšte nastavení cílové teploty o 10 stupňů C, nebo t (malá písmena „t“) snížíte cílovou teplotu o 10 stupňů. Příkazy:

+/-: nastavení delta desetkrát: nahoru/dolů upravit nastavenou teplotu pomocí delta h: přepínat a zapínat obrazovku nápovědy R: resetovat hodnoty - proveďte to při prvním spuštění ovladače

Jakmile získáte aktualizace teploty, grafické okno skici by mělo vypadat jako na obrázku. Pokud je na obrazovce zobrazena velká šedá oblast s některými popsanými příkazy, jednoduše ji zrušte zadáním „h“. Při prvním spuštění můžete být vyzváni k resetování počátečních hodnot. Pokračujte a udělejte to. Hodnoty v pravém horním rohu jsou aktuální hodnoty a nastavení. „Cíl“je aktuální cílová teplota a mění se příkazem „t“, jak je popsáno výše. „Curr“je aktuální odečet teploty ze senzoru. „P“, „I“a „D“jsou parametry pro řídicí algoritmus PID. Změňte je pomocí příkazů „p“, „i“a „d“. Za chvíli je proberu. „Pow“je příkaz napájení z PID regulátoru do varné desky. Je to hodnota mezi 0 (vždy vypnuto) a 1 000 (vždy zapnuto).

Pokud dáte ruku pod senzor, uvidíte, že teplota (Curr) vyskočí nahoru. Pokud nyní zvýšíte cílovou teplotu, uvidíte zvýšení hodnoty výkonu (Pow) a výstupní LED začne blikat. Zvyšte cílovou teplotu a výstupní LED zůstane déle svítit. Když je varná deska připojena a funguje, zvýšení cílové teploty způsobí zapnutí varné desky. Jak se aktuální teplota blíží cílové teplotě, doba zapnutí se sníží, takže se k cílové teplotě přiblíží s minimálním přetočením. Čas zapnutí bude stačit k udržení cílové teploty.

Zde je návod, jak nastavit parametry pro algoritmus PID. Můžete začít s hodnotami, které používám. P 40, I 0,1 a D 100. Můj systém provede krok 50 ° C asi za 30 sekund s překročením o méně než 5 stupňů. Pokud váš systém funguje výrazně odlišně, budete jej chtít vyladit. Ladění PID řadiče může být složité, ale výše uvedený článek vysvětluje, jak to udělat velmi efektivně.

Nyní je čas na skutečnou věc. Zapojte horkou desku do AC regulátoru horké desky podle popisu v Extreme Surface Mount Soldering. Přečtěte si také všechna upozornění. Umístěte teplotní senzor tak, aby byl asi 3 palce nad varnou deskou a mířil přímo na ni. Zapněte Ard/Free-duino. Zkontrolujte, zda jsou všechna připojení správná a zda váš software (řadič PID a monitorovací program) funguje správně. Začněte s cílovou teplotou nastavenou na 20 C. Poté cílovou teplotu zvyšte na 40 C. Topná deska by se měla rozsvítit a teplota by se měla plynule zvyšovat na 40 C +/- 2 C. Nyní můžete zkusit zvýšit teplotu, když sledujete výkon vašeho systému. Všimnete si, že vychladnutí talíře trvá mnohem déle, než jeho zahřátí.

Odstraňování problémů

Pokud se skica zpracování nespustí nebo neaktualizuje teplotu, zastavte skicu zpracování a spusťte sériový terminál (například Hyperterminál v systému Windows). Klepněte na mezerník a stiskněte Return. Arduino by mělo reagovat na aktuální teplotu. Upravujte nastavení přenosové rychlosti atd., Dokud nedostanete požadovanou odpověď. Jakmile to bude fungovat, měl by se spustit skica Zpracování. Pokud problémy přetrvávají, ujistěte se, že vaše přiřazení pinů souhlasí s vaším fyzickým zapojením a že jste připojili napájení a zem k příslušným kolíkům teplotního senzoru.

Krok 4: Pájení na povrchovou montáž

Použití systému regulace teploty popsaného v tomto Instructable zlepšuje extrémní pájení na povrchovou montáž dvěma způsoby. Za prvé, regulace teploty je přesnější a výrazně rychlejší. Takže místo toho, abychom měli pomalou rampu od asi 120 ° C do 180 ° C po dobu asi 6 minut, můžeme rychle přejít na 180 ° C, vydržet 2 ½ až 3 minuty a rychle přejít na 220 ° C až 240 ° C asi minutu. Stále musíme hlídat bod, kdy pájka teče a vypnout napájení, nebo jen rychle snížit cílovou teplotu. Protože teplota klesá velmi pomalu, obvykle sundávám obvody z plotny, jakmile se teplota ochladí pod 210 ° C. Položte je na kus prkna nebo dřeva, ne na kov. Kov by mohl způsobit, že se příliš rychle ochladí. Pamatujte také, že možná budete muset zvýšit cílovou teplotu nad 250 ° C (maximum, které senzor přečte), aby byla deska v určitých oblastech dostatečně horká. Deska nedosáhne jediné teploty po celém povrchu, ale v určitých oblastech bude chladnější než jiné. Naučíte se to experimentováním.

Druhou oblastí vylepšení je zkrácení doby mezi pájecími cykly. U systému s otevřenou smyčkou jsem musel počkat, až se horká deska ochladí na pokojovou teplotu (asi 20 ° C), aby se zahájil nový pájecí cyklus. Pokud bych to neudělal, pak by teplotní cyklus nebyl správný (změna počátečních podmínek). Teď už jen musím počkat na stabilní teplotu kolem 100C a můžu začít nový cyklus.

Teplotní cyklus, který nyní používám, je naznačen výše, ale tady je to přesně. Začněte na 100 C. Položte desky na plotnu na dvě až tři minuty, aby se zahřály - déle s velkými součástmi. Nastavte cílovou teplotu na 180 ° C. Této teploty je dosaženo za méně než jednu minutu. Zde vydržte 2 a půl minuty. Nastavte si cíl na 250C. Jakmile teče veškerá pájka, snižte cílovou teplotu na přibližně 100 ° C. Teplota vašeho talíře zůstane vysoká. Jakmile klesne na 210 ° C nebo uplyne doba 1 minuty, vysuňte desky z plotny na chladicí platformu z perfboardu nebo dřeva. Pájení je hotové.

Pokud chcete použít jiný teplotní profil, neměli byste mít potíže s jeho dosažením pomocí tohoto řídicího systému.

Možná budete chtít experimentovat s polohou teplotního senzoru nad varnou deskou. Zjistil jsem, že ne všechny oblasti varné desky dosahují stejné teploty ve stejnou dobu. V závislosti na tom, kam umístíte snímač, se skutečný čas a teplota potřebná k toku pájky mohou lišit. Jakmile vypracujete recept, použijte stejné umístění senzoru pro opakovatelné výsledky.

Šťastné pájení!