Затваряне на контура при спойка на повърхностен монтаж: 4 стъпки

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:56

Температурата изглежда като най -лесното нещо в света за контрол. Включете печката и задайте желаната температура. Включете пещта сутрин и настройте термостата. Регулирайте топлата и студената вода, така че душът да е подходящ. Лесно! Но какво, ако искате да контролирате температурата извън тези ежедневни приложения? Ако искате температури извън нормалните граници или искате стабилна температура в тесен диапазон, вие сте предимно сами.

В моя случай исках да контролирам температурата на гореща плоча, използвана за спояване на повърхностен монтаж. Първоначално използвах широчинно -импулсна модулация, за да осигуря стабилни температури и експериментално определени настройки, за да създам необходимия температурен профил. Можете да прочетете всичко за това в тази инструкция. Тази система работи и контролът на температурата по този начин е добре, но има недостатъци.

Недостатъци:

• Работи само за моята конкретна котлон. Други са сходни, но не идентични и са необходими експерименти, за да се определят настройките и времето, необходимо за създаване на необходимия профил.
• Същата ситуация, ако искам различен профил или температура.
• Процесът на запояване отнема много време, тъй като стабилните температури трябва да се приближават бавно.

В идеалния случай бихме могли просто да зададем профил за температура и време, да натиснем бутон и контролерът ще накара котлона да работи според програмата. Знаем, че това е възможно, тъй като има много индустриални процеси, които използват точно този вид контрол. Въпросът е може ли това да се направи лесно и евтино у дома?

Както може би се досещате, тъй като пиша тази инструкция, отговорът е да! Тази инструкция ще ви покаже как да изградите свой собствен температурен контролер за индустриална якост. По -специално ще се насоча към запояване с повърхностно монтиране, но всеки процес, изискващ точен времеви температурен профил, може да използва тази система.

Забележка: Когато използвам името „Arduino“, имам предвид не само (не съвсем) защитеното с авторски права Arduino, но и многото версии на обществено достояние, общо известни като „Freeduino“. В някои случаи използвам термина „Ard/Free-duino“, но термините трябва да се считат за взаимозаменяеми за целите на тази инструкция.

Схемата за контрол на температурата, използвана в инструмента за запояване на екстремни повърхностни монтажи, е известна като управление с отворен контур. Тоест, стойност, която е произвеждала желаната температура в миналото, се очаква да произведе същата температура, когато се използва отново. Често това е вярно и дава желания резултат. Но ако условията са малко по -различни, да речем, че гаражът, в който работим, е много по -хладен или по -топъл, тогава може да не получите очаквания резултат.

Ако имаме сензор, който може да отчете температурата и да я докладва обратно на контролер, тогава имаме управление със затворен контур. Контролерът може да зададе начална стойност за повишаване на температурата, да погледне температурата с течение на времето и да регулира настройката, за да накара температурата да се повиши или намали, докато се достигне желаната температура.

Нашият подход ще бъде да заменим базирания на AVRTiny2313 PWM контролер с по-мощен ATMega-базиран контролер. Програмирането ще се извършва в средата Arduino. Ще използваме компютър (Linux-Mac-Windows), работещ с Processing, за да покажем резултатите и да регулираме контролера.

За сензора ще използваме инфрачервен температурен сензор от Harbour Freight. IR сензорът ще бъде модифициран, за да изведе температурата като сериен поток от данни, който контролерът може да прочете. Ще използваме Ard/Free-duino като контролер, с компютър (Mac-Linux-Windows) за въвеждане в контролера. Когато приключим, системата ще изглежда като картината. (Възможно е обаче да имате по -малко външни схеми на дъската си. Това е добре.)

Стъпка 1: Промяна на IR сензора

Много благодаря на моя умен приятел, Скот Диксън, за неговата внимателна детективска работа, за да разбере как работи този инструмент и как да го направи като цяло полезен с контролер, като изложи серийния му интерфейс.

Устройството, с което ще започнем, е Harbor Freight Part Number: 93984-5VGA. Струва около 25 долара. Не се притеснявайте да купувате гаранцията.:)} Ето линка. Фигури 1 и 2 показват изглед отпред и отзад. Стрелките на фигура 2 показват къде са винтовете, които държат кутията заедно. Фигура 3 показва вътрешността на кутията, когато винтовете са свалени и кутията е отворена. Модулът за лазерна показалка вероятно може да бъде премахнат и използван за други проекти, въпреки че все още не съм го направил. Стрелките сочат към винтовете, които трябва да се премахнат, ако искате да извадите дъската за запояване към нея (винтовете са отстранени на тази снимка). Също така е посочена зоната, където трябва да се направи изрязване, за да се окаже окабеляването, за да излезете от кутията. Вижте също Фигура 5. Изрежете, докато платката е свалена, или поне преди да запоите проводниците. Така е по -лесно.;)} Фигура 4 показва къде ще бъдат запоени проводниците. Забележете буквата на всяка връзка, така че да знаете кой проводник кой е, когато затворите кутията. Фигура 5 показва проводниците, запоени на място и направени през изреза. Вече можете да съберете кутията отново и инструментът трябва да работи както преди операцията. Обърнете внимание на конектора на проводниците. Използвам по -дълги проводници, за да се свържа с контролера. Ако използвате малък проводник, малък съединител и държите проводниците къси, можете да приберете всичко обратно в калъфа, ако желаете, и инструментът изглежда непроменен. Скот също е създал софтуера за свързване на това устройство. Той използва този документ, ако искате подробности. Това е! Вече имате IR температурен сензор, който ще работи от -33 до 250 C.

Стъпка 2: Софтуер за контрол

Колкото и да е полезен, инфрачервеният температурен сензор е само част от системата. За контрол на температурата са необходими три елемента: източник на топлина, температурен сензор и контролер, който може да отчете сензора и да управлява източника на топлина. В нашия случай горещата плоча е източникът на топлина, инфрачервеният температурен сензор (модифициран в последната стъпка) е нашият сензор, а Ard/Free-duino, работещ с подходящ софтуер, е контролерът. Целият софтуер за този Instructable може да бъде изтеглен като пакет Arduino и като пакет за обработка.

Изтеглете файла IR_PID_Ard.zip. Разархивирайте го в директорията на Arduino (обикновено Моите документи/Arduino). Изтеглете файла PID_Plotter.zip. Разархивирайте го в директорията за обработка (обикновено Моите документи/Обработка). Файловете вече ще бъдат достъпни в съответните скици.

Софтуерът, който ще използваме, първоначално е написан от Тим Хирцел. Той се променя чрез добавяне на интерфейса към IR сензора (предоставен от Скот Диксън). Софтуерът реализира алгоритъм за управление, известен като PID алгоритъм. PID означава Пропорционално - интегрално - производно и е стандартният алгоритъм, използван за промишлен контрол на температурата. Този алгоритъм е описан в отлична статия от Тим Уескот, на която Тим Хирцел базира своя софтуер. Прочетете статията тук.

За да настроим алгоритъма (прочетете за това в споменатата статия) и да промените настройките на целевата температура, ще използваме скица за обработка, също разработена от Тим Хирцел. Той е разработен за печене на кафе на зърна (друго приложение за контрол на температурата) и се нарича Bare Bones Coffee Controller или BBCC. Името настрана, работи чудесно за спояване на повърхностен монтаж. Можете да изтеглите оригиналната версия тук.

Промяна на софтуера

По -долу предполагам, че сте запознати с Arduino и Processing. Ако не сте, тогава трябва да преминете през уроците, докато нещата започнат да имат смисъл. Не забравяйте да публикувате коментари към тази инструкция и ще се опитам да помогна.

PID контролерът трябва да бъде променен за вашия Arduino/Freeduino. Часовата линия от IR сензора трябва да бъде прикрепена към прекъсващ щифт. На Arduino това може да бъде 1 или 0. На Freeduinos от различни видове можете да използвате всички налични прекъсвания. Прикрепете линията за данни от сензора към друг близък щифт (като D0 или D1 или друг извод по ваш избор). Контролната линия към котлона може да идва от всеки цифров щифт. На моя конкретен клон Freeduino (опишете тук) използвах D1 и свързаното с него прекъсване (1) за часовник, D0 за данни и B4 за контролната линия към горещата плоча.

След като изтеглите софтуера, стартирайте вашата среда Arduino и отворете IR_PID от елемента от менюто File/Sketchbook. Под раздела pwm можете да определите HEAT_RELAY_PIN като подходящ за вашия вариант на Arduino или Freeduino. Под раздела temp направете същото за IR_CLK PIN, IR_DATA PIN и IR_INT. Трябва да сте готови за компилиране и изтегляне.

По същия начин стартирайте вашата среда за обработка и отворете скицата на PID_Plotter. Настройте BAUDRATE на правилната стойност и не забравяйте да зададете индекса, използван в Serial.list () [1] на правилната стойност за вашата система (моят порт е индекс 1).

Стъпка 3: Свържете всичко

Системата за управление на променливотоковото захранване с гореща плоча е подробно описана в инструкцията за екстремни повърхностни монтажни спойки, която вече беше спомената, или можете да закупите свой собствен SSR (твърдо реле). Уверете се, че той може да се справи с натоварването на котлона с достатъчен марж, да речем 20 до 40 вата, тъй като тестването, направено от китайците, може да остави нещо желано. Ако използвате AC контролер за гореща плоча от моя Instructable, след това пуснете джъмпер от резистора на входа за управление към земята на Ard/Free-duino и джъмпер от изхода за управление (B4 или каквото друго изберете) за управление на сигнала Вход. Вижте снимката на контролера. Жълтият джъмпер е вход за управляващ сигнал, а зеленият джъмпер отива към земята. Обичам да използвам мигаща светлина (с резистор към земята) на изходния щифт, за да знам кога е включен. Свържете джъмпера между светодиода и порта, както е показано. Вижте диаграмата за свързване на Teensy ++.

Сега монтирайте опора, за да държите инфрачервения температурен сензор върху горещата плоча. Снимката показва какво направих. Правилото е просто, но здраво. Дръжте всичко запалимо добре далеч от котлона; сензорът е пластмасов и изглежда добре на 3 инча над повърхността на плочата. Прокарайте проводници от конектора на вашия сензор до съответните щифтове на вашия Ard/Free-duino. Връзките за IR сензора са показани в диаграмата за свързване на Teensy ++. Адаптирайте ги според нуждите за вашия Ard/Free-duino.

Важна забележка за безопасност: Инфрачервеният сензор има светодиодна стрелка, която помага при прицелването му. Ако имате котки като моята, те обичат да гонят светодиодния показалец. Затова покрийте светодиода с някаква непрозрачна лента, за да предпазите котките си да скачат върху котлона, когато го използвате.

Преди да включите променливотоковия контролер на горещата платка в 120V, ето как да тествате системата и да зададете първоначални целеви стойности за температура. Предлагам целева температура от 20 C, така че нагряването да не започне веднага. Тези стойности ще се съхраняват в EEPROM и ще се използват следващия път, така че не забравяйте винаги да съхранявате ниска стойност като целева температура, когато приключите със сесия за запояване. Смятам, че е добра идея да стартирате терморегулатора с първоначално изключен котлон. Уверете се, че всичко работи, преди да го включите.

Свържете серийния порт към вашия Arduino и го включете. Компилирайте скицата на Arduino и я изтеглете. Стартирайте скицата за обработка, за да взаимодействате с контролера и да покажете резултатите. Понякога скицата на Arduino няма да се синхронизира с скицата за обработка. Когато това се случи, ще видите съобщението „Няма актуализация“в прозореца на конзолата на скицата за обработка. Просто спрете и рестартирайте скицата за обработка и нещата трябва да са ОК. Ако не, погледнете раздела за отстраняване на неизправности по -долу.

Ето командите за контролера. "Delta" е сумата, която параметърът ще се промени, когато бъде командиран. Първо задайте стойността на делтата, която искате да използвате. След това коригирайте желания параметър с помощта на тази делта. Например, използвайте + и -, за да направите делта 10. След това използвайте T (главни букви "T"), за да увеличите зададената температурна настройка с 10 градуса C, или t (малки букви "t"), за да намалите целевата температура с 10 градуса. Команди:

+/-: регулирайте делтата с коефициент от десет P/p: нагоре/надолу регулирайте усилването p по делта I/i: нагоре/надолу регулирайте i печалбата по делта D/d: нагоре/надолу регулирайте d усилването по делта T/t: нагоре/надолу регулирайте зададената температура от делта h: включете и изключете помощния екран R: нулирайте стойностите - направете това при първото стартиране на контролера

След като получите актуализации на температурата, графичният прозорец на скицата трябва да изглежда като картината. Ако имате голяма сива зона, наложена на екрана с някои описани команди, просто въведете „h“, за да я изчистите. Когато стартирате за първи път, може да бъдете подканени да нулирате първоначалните стойности. Продължете напред и направете това. Стойностите в горния десен ъгъл са текущите показания и настройки. „Цел“е текущата целева температура и се променя от командата „t“, както е описано по -горе. “Curr” е текущото отчитане на температурата от сензора. “P”, “I” и “D” са параметрите за алгоритъма за управление на PID. Използвайте командите „p“, „i“и „d“, за да ги промените. Ще ги обсъдя след малко. „Pow“е командата за захранване от PID контролера към котлона. Това е стойност между 0 (винаги изключено) и 1000 (винаги включено).

Ако поставите ръката си под сензора, трябва да видите как отчитането на температурата (Curr) скача нагоре. Ако сега увеличите целевата температура, ще видите увеличаване на стойността на мощността (Pow) и изходният светодиод ще мига. Увеличете целевата температура и изходният светодиод ще остане включен по -дълго. Когато горещата плоча е свързана и работи, увеличаването на целевата температура ще доведе до включване на горещата плоча. Тъй като текущата температура се доближава до целевата температура, времето за включване ще намалее, така че целевата температура да бъде достигната с минимално превишаване. Тогава времето за включване ще бъде достатъчно за поддържане на целевата температура.

Ето как да зададете параметрите за PID алгоритъма. Можете да започнете със стойностите, които използвам. P от 40, I от 0,1 и D от 100. Моята система ще направи стъпка от 50C за около 30 секунди с превишаване на по -малко от 5 градуса. Ако вашата система работи значително по -различно, тогава ще искате да я настроите. Настройката на PID контролер може да бъде трудна, но горепосочената статия обяснява как да го направите много ефективно.

Сега е време за истинското нещо. Включете котлона в променливотоковия контролер на горещата плоча, както е описано в Extreme Surface Mount Soldering. Не забравяйте да прочетете и всички предупреждения там. Поставете температурния сензор така, че да е на около 3 инча над котлона и да сочи директно към него. Включете вашия Ard/Free-duino. Уверете се, че всички връзки са правилни и че вашият софтуер (PID контролерът и програмата за мониторинг) работят правилно. Започнете с целевата температура, зададена на 20 C. След това увеличете целевата температура до 40 C. Горещата плоча трябва да се включи и температурата да се повиши плавно до 40C +/- 2 C. Сега можете да опитате да увеличите температурата, докато наблюдавате работата на вашата система. Ще забележите, че чинията отнема много повече време да се охлади, отколкото да се загрее.

Отстраняване на неизправности

Ако скицата за обработка не се изпълнява или не актуализира температурата, спрете скицата за обработка и стартирайте сериен терминал (хипертерминал в Windows, например). Докоснете интервала и натиснете връщане. Arduino трябва да отговори с текущото отчитане на температурата. Регулирайте настройките на скоростта на предаване и т.н., докато получите желания отговор. След като това работи, скицата за обработка трябва да се изпълни. Ако все още имате проблеми, уверете се, че назначенията на щифтовете ви съответстват на физическото ви окабеляване и че сте свързали захранването и земята към съответните щифтове на температурния сензор.

Стъпка 4: Спояване на повърхностен монтаж

Използването на системата за контрол на температурата, описана в тази инструкция, подобрява екстремното спояване на повърхностен монтаж по два начина. Първо, температурният контрол е по -точен и значително по -бърз. Така че вместо да имаме бавна рампа от около 120C до 180C за около 6 минути, можем бързо да преминем към 180C, да задържим за 2 ½ до 3 минути и бързо да преминем към 220C до 240C за около минута. Все още трябва да следим за момента, в който спойката тече и да изключим захранването, или просто бързо да намалим целевата температура. Тъй като температурата се понижава много бавно, обикновено изваждам веригите си от котлона, веднага щом температурата се охлади под 210C. Поставете ги върху парче перфорирана дъска или дърво, а не метал. Металът може да ги накара да се охладят твърде бързо. Обърнете внимание също, че може да се наложи да повишите целевата температура над 250C (максимумът, който сензорът ще отчете), за да нагреете плочата достатъчно горещо в определени зони. Плочата няма да достигне една температура по цялата повърхност, но ще бъде по -хладна в определени области от други. Ще научите това, като експериментирате.

Втората област на подобрение е намаляването на времето между циклите на запояване. При системата с отворен контур трябваше да изчакам горещата плоча да се охлади до стайна температура (около 20 ° C), за да започне нов цикъл на запояване. Ако не направих това, температурният цикъл нямаше да бъде правилен (промяна на първоначалните условия). Сега трябва само да изчакам стабилна температура около 100C и мога да започна нов цикъл.

Температурният цикъл, който сега използвам, се подразбира по -горе, но тук е точно. Започнете от 100C. Поставете дъските си на котлона за две до три минути, за да се затоплят - по -дълго с големи компоненти. Задайте целевата температура на 180C. Тази температура се достига за по -малко от една минута. Задръжте тук 2 ½ минути. Задайте целта си на 250C. Веднага щом цялата спойка потече, намалете целевата температура до около 100C. Температурата на чинията ви ще остане висока. Веднага щом се понижи до 210 ° С или изтича време от 1 минута, плъзнете дъските си от котлона върху охлаждаща платформа от перфорирана дъска или дърво. Запояването се извършва.

Ако искате да използвате различен температурен профил, не би трябвало да имате проблеми с постигането му с тази система за управление.

Може да искате да експериментирате с позицията на температурния сензор над котлона. Открих, че не всички области на котлона достигат еднаква температура по едно и също време. Така че в зависимост от това къде позиционирате сензора, действителното време и температура, необходими за преминаване на припоя, могат да варират. След като изработите рецепта, използвайте същото позициониране на сензора за повтарящи се резултати.

Честито запояване!