Zatvaranje petlje na površinskom lemljenju: 4 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:39

Čini se da je temperatura najjednostavnija stvar na svijetu za kontrolirati. Uključite štednjak i postavite željenu temperaturu. Ujutro uključite peć i postavite termostat. Podesite toplu i hladnu vodu kako bi tuširanje bilo baš kako treba. Lako! Ali što ako želite kontrolirati temperaturu izvan ovih svakodnevnih aplikacija? Ako želite temperature izvan normalnih raspona ili stabilnu temperaturu unutar uskog raspona, uglavnom ste sami.

U mom slučaju htio sam kontrolirati temperaturu grijaće ploče koja se koristi za lemljenje na površini. U početku sam koristio modulaciju širine impulsa kako bih osigurao stabilne temperature, a eksperimentalno određene postavke za stvaranje potrebnog temperaturnog profila. Sve o tome možete pročitati u ovom Instructable. Ovaj sustav radi i kontrola temperature na ovaj način je u redu, ali ima nedostataka.

Nedostaci:

• Radi samo za moju specifičnu ringlu. Drugi su slični, ali nisu identični i potrebni su eksperimenti kako bi se utvrdile postavke i vrijeme potrebno za izradu rekviriranog profila.
• Ista situacija ako želim drugačiji profil ili temperaturu.
• Proces lemljenja traje dugo jer se stabilnim temperaturama treba polako približavati.

U idealnom slučaju, mogli bismo samo odrediti temperaturno-vremenski profil, pritisnuti tipku, a regulator bi uzrokovao da se ploča za kuhanje ponaša kao što je programirano. Znamo da je to moguće jer postoje mnogi industrijski procesi koji koriste upravo ovu vrstu kontrole. Pitanje je može li se to učiniti jednostavno i jeftino kod kuće?

Kao što ste mogli pretpostaviti, budući da pišem ovaj Instructable, odgovor je da! Ovaj Instructable će vam pokazati kako izgraditi vlastiti regulator temperature industrijske čvrstoće. Posebno ću ciljati lemljenje na površinskoj montaži, ali ovaj postupak može koristiti bilo koji proces koji zahtijeva precizan profil vremenske temperature.

Napomena: Kad koristim naziv “Arduino”, ne mislim samo na sam (ne baš) zaštićen autorska prava Arduino, već i na mnoge verzije javne domene zajednički poznate kao “Freeduino”. U nekim slučajevima koristim izraz “Ard/Free-duino”, ali se za potrebe ovog Uputa smatra da se ti izrazi međusobno zamjenjuju.

Shema kontrole temperature korištena u Instrumentu za lemljenje ekstremnih površinskih nosača poznata je kao kontrola otvorene petlje. Odnosno, očekuje se da će vrijednost koja je u prošlosti proizvodila željenu temperaturu proizvesti istu temperaturu kada se ponovno koristi. Često je to istina i daje željeni rezultat. No ako su uvjeti malo drugačiji, recimo da je garaža u kojoj radimo puno hladnija ili toplija, možda nećete postići očekivani rezultat.

Ako imamo senzor koji može očitati temperaturu i prijaviti je regulatoru, tada imamo zatvorenu kontrolu. Regulator može postaviti početnu vrijednost za povećanje temperature, gledati temperaturu kako vrijeme prolazi i prilagoditi postavku tako da temperatura ide na višu ili nižu razinu dok se ne postigne željena temperatura.

Naš pristup će biti zamjena PWM kontrolera zasnovanog na AVRTiny2313 snažnijim kontrolerom temeljenim na ATMegi. Programiranje će se vršiti u Arduino okruženju. Za prikaz rezultata i podešavanje kontrolera upotrijebit ćemo računalo (Linux-Mac-Windows) sa sustavom Processing.

Za senzor ćemo koristiti infracrveni senzor temperature tvrtke Harbour Freight. IR senzor će biti modificiran tako da daje temperaturu kao serijski tok podataka koji kontroler može očitati. Kao kontroler koristit ćemo Ard/Free-duino, s računalom (Mac-Linux-Windows) za unos u kontroler. Kad sve završimo, sustav će izgledati kao na slici. (Međutim, možda na ploči imate manje stranih kola. To je u redu.)

Korak 1: Izmjena IR senzora

Veliko hvala mojem pametnom prijatelju, Scottu Dixonu, na njegovom pažljivom detektivskom radu u otkrivanju kako ovaj instrument radi i kako ga učiniti općenito korisnim s kontrolerom otkrivajući njegovo serijsko sučelje.

Uređaj s kojim ćemo početi je Harbor Freight Part Number: 93984-5VGA. Košta oko 25 USD. Ne trudite se kupiti jamstvo.:)} Evo linka. Slike 1 i 2 prikazuju pogled sprijeda i straga. Strelice na slici 2 pokazuju gdje su vijci koji drže kućište zajedno. Na slici 3 prikazana je unutrašnjost kućišta nakon uklanjanja vijaka i otvaranja kućišta. Modul laserskog pokazivača vjerojatno se može ukloniti i koristiti za druge projekte, iako to još nisam učinio. Strelice pokazuju prema vijcima za uklanjanje ako želite izvaditi ploču za lemljenje (vijci su uklonjeni na ovoj slici). Također je naznačeno područje na kojem bi trebalo biti izrezano ožičenje za izlaz iz kućišta. Vidi također sliku 5. Izrežite dok je ploča uklonjena ili barem prije nego što lemite žice. Tako je lakše.;)} Slika 4 prikazuje gdje će žice biti lemljene. Zabilježite slovo svake veze kako biste znali koja je to žica kada zatvorite kućište. Slika 5 prikazuje žice zalemljene na mjestu i provučene kroz izrez. Sada možete ponovno sastaviti kućište i instrument bi trebao raditi kao i prije vašeg rada. Obratite pozornost na konektor na žicama. Za spajanje na upravljač koristim duže žice. Ako koristite malu žicu, mali konektor, a žice su kratke, sve to možete vratiti u kućište ako želite, a instrument izgleda neizmijenjen. Scott je također stvorio softver za povezivanje ovog uređaja. Koristio je ovaj dokument ako želite pojedinosti. To je to! Sada imate IC senzor temperature koji će raditi od -33 do 250 C.

Korak 2: Softver za kontrolu

Koliko god bio koristan, IR osjetnik temperature samo je dio sustava. Za kontrolu temperature potrebne su tri stavke: izvor topline, temperaturni senzor i regulator koji može očitati senzor i upravljati izvorom topline. U našem slučaju, vruća ploča je izvor topline, IR osjetnik temperature (kako je izmijenjeno u posljednjem koraku) je naš senzor, a Ard/Free-duino koji pokreće odgovarajući softver je kontroler. Sav softver za ovaj Instructable može se preuzeti kao Arduino paket i kao paket za obradu.

Preuzmite datoteku IR_PID_Ard.zip. Raspakirajte ga u svoj Arduino direktorij (obično Moji dokumenti/Arduino). Preuzmite datoteku PID_Plotter.zip. Raspakirajte ga u direktorij Obrada (obično Moji dokumenti/Obrada). Datoteke će sada biti dostupne u odgovarajućim skicama.

Softver koji ćemo koristiti izvorno je napisao Tim Hirzel. Modificira se dodavanjem sučelja IR senzoru (osigurava Scott Dixon). Softver implementira kontrolni algoritam poznat kao PID algoritam. PID znači Proporcionalno - integralno - derivativno i standardni je algoritam koji se koristi za industrijsku kontrolu temperature. Ovaj je algoritam opisan u izvrsnom članku Tima Wescotta na kojem je Tim Hirzel temeljio svoj softver. Članak pročitajte ovdje.

Za ugađanje algoritma (pročitajte o tome u spomenutom članku) i promjenu postavki ciljane temperature, upotrijebit ćemo skicu Obrade, koju je također razvio Tim Hirzel. Razvijen je za prženje zrna kave (druga primjena kontrole temperature), a nazvan je Bare Bones Coffee Controller ili BBCC. Na stranu ime, odlično funkcionira za lemljenje na površini. Izvornu verziju možete preuzeti ovdje.

Izmjena softvera

U nastavku, pretpostavljam da ste upoznati s Arduinom i obradom. Ako niste, trebali biste proći kroz vodiče dok stvari ne počnu imati smisla. Obavezno objavite komentare na ovaj Instructable i pokušat ću vam pomoći.

PID kontroler se mora promijeniti za vaš Arduino/Freeduino. Linija sata sa IC senzora mora biti spojena na pin za prekid. Na Arduinu to može biti 1 ili 0. Na Freeduinima različitih vrsta možete koristiti sve dostupne prekide. Priključite podatkovnu liniju sa senzora na drugi obližnji pin (poput D0 ili D1 ili neki drugi pin po vašem izboru). Upravljački vod do ploče za kuhanje može doći s bilo kojeg digitalnog pina. Na svom posebnom klonu Freeduino (ovdje opišite) koristio sam D1 i pripadajući prekid (1) za sat, D0 za podatke i B4 za kontrolnu liniju do vruće ploče.

Nakon što preuzmete softver, pokrenite Arduino okruženje i otvorite IR_PID iz stavke izbornika Datoteka/Sketchbook. Na kartici pwm možete definirati HEAT_RELAY_PIN prikladan za vašu Arduino ili Freeduino varijantu. Na kartici temp učinite istu stvar za IR_CLK PIN, IR_DATA PIN i IR_INT. Trebali biste biti spremni za sastavljanje i preuzimanje.

Slično, pokrenite svoje okruženje Obrada i otvorite skicu PID_Plotter. Podesite BAUDRATE na ispravnu vrijednost i svakako postavite indeks koji se koristi u Serial.list () [1] na ispravnu vrijednost za vaš sustav (moj port je indeks 1).

Korak 3: Sve spojite

Sustav za upravljanje izmjeničnom strujom na vrućoj ploči detaljno je opisan u već spomenutim uputama za lemljenje na ekstremnim površinskim montažama ili možete kupiti vlastiti SSR (relej u čvrstom stanju). Budite sigurni da može podnijeti opterećenje vruće ploče s dovoljnom maržom, recimo od 20 do 40 vata, budući da testiranje koje su proveli Kinezi može ostaviti nešto za poželjeti. Ako koristite AC regulator za vruću ploču iz mog instruktora, pokrenite kratkospojnik s otpornika na upravljačkom ulazu za uzemljenje na Ard/Free-duinu i kratkospojnik s upravljačkog izlaza (B4 ili bilo što drugo što ste odabrali) za upravljački signal Ulazni. Pogledajte sliku kontrolera. Žuti kratkospojnik je ulaz upravljačkog signala, a zeleni kratkospojnik ide na uzemljenje. Volim koristiti blinkenlight (vodio s otpornikom na masu) na izlaznom pinu kako bih znao kad je uključen. Spojite kratkospojnik između LED -a i priključka kao što je prikazano. Pogledajte Teensy ++ dijagram povezivanja.

Sada postavite nosač za držanje IC osjetnika temperature iznad vaše ploče za kuhanje. Slika prikazuje što sam učinio. Pravilo je jednostavno, ali čvrsto. Držite sve zapaljivo podalje od ploče za kuhanje; senzor je plastičan i čini se da je sasvim u redu 3 cm iznad površine ploče. Provedite žice od konektora na vašem senzoru do odgovarajućih pinova na vašem Ard/Free-duinu. Priključci IC senzora prikazani su na Teensy ++ Hookup dijagramu. Prilagodite ih prema potrebi za svoj Ard/Free-duino.

Važna sigurnosna napomena: IR senzor ima LED pokazivač koji mu pomaže u usmjeravanju. Ako imate mačke poput moje, vole loviti LED pokazivač. Zato prekrijte LED diodu neprozirnom trakom kako vaše mačke ne bi skočile na ringlu dok je koristite.

Prije nego što priključite kontroler izmjenične struje na 120 V, evo kako testirati sustav i postaviti početne ciljne vrijednosti temperature. Predlažem ciljnu temperaturu od 20 C kako zagrijavanje ne bi započelo odmah. Te će se vrijednosti pohraniti u EEPROM i koristiti sljedeći put, stoga uvijek spremite nisku vrijednost kao ciljnu temperaturu kada završite s lemljenjem. Smatram da je dobra ideja pokrenuti regulator temperature s grijaćom pločom koja je prvo isključena. Prije nego što ga priključite, provjerite radi li sve.

Spojite serijski port na svoj Arduino i uključite ga. Sastavite Arduino skicu i preuzmite je. Pokrenite skicu Obrada za interakciju s kontrolerom i prikaz rezultata. Povremeno se Arduino skica neće sinkronizirati sa skicom Processing. Kada se to dogodi, vidjet ćete poruku "Nema ažuriranja" u prozoru konzole skice Obrada. Jednostavno zaustavite i ponovno pokrenite skicu Obrada i stvari bi trebale biti u redu. Ako ne, pogledajte donji odjeljak Rješavanje problema.

Ovdje su naredbe za kontroler. "Delta" je iznos koji će se parametar promijeniti kada mu se naredi. Najprije postavite vrijednost delte koju želite koristiti. Zatim pomoću te delte podesite željeni parametar. Na primjer, upotrijebite + i - da napravite deltu 10. Zatim upotrijebite T (veliko slovo "T") da biste povećali postavljenu ciljnu temperaturu za 10 stupnjeva C, ili t (mala slova "t") da biste smanjili ciljnu temperaturu za 10 stupnjeva. Naredbe:

+/-: podesiti deltu za faktor deset P/p: gore/dolje prilagoditi p dobitak za deltu I/i: gore/dolje prilagoditi i dobitak za deltu D/d: gore/dolje prilagoditi d dobitak za deltu T/t: gore/dolje podešavanje zadane temperature prema delti h: uključivanje i isključivanje zaslona pomoći R: poništavanje vrijednosti - učinite to pri prvom pokretanju kontrolera

Nakon što dobijete ažuriranje temperature, grafički prozor skice trebao bi izgledati kao slika. Ako vam je na ekranu nametnuto veliko sivo područje s nekim opisanim naredbama, jednostavno upišite “h” da biste ga očistili. Prilikom prvog pokretanja od vas će se možda zatražiti da poništite početne vrijednosti. Samo naprijed i učini to. Vrijednosti u gornjem desnom kutu su trenutna očitanja i postavke. "Cilj" je trenutačna ciljna temperatura i mijenja se naredbom "t" kako je gore opisano. "Curr" je trenutno očitanje temperature sa senzora. “P”, “I” i “D” parametri su za PID algoritam upravljanja. Pomoću naredbi “p”, “i” i “d” promijenite ih. Razgovarat ću o njima za trenutak. "Pow" je naredba za napajanje od PID regulatora do ploče za kuhanje. To je vrijednost između 0 (uvijek isključeno) i 1000 (uvijek uključeno).

Ako stavite ruku ispod senzora, trebali biste vidjeti kako očitanje temperature (Curr) skoči. Ako sada povećate ciljnu temperaturu, vidjet ćete povećanje vrijednosti snage (Pow) i LED izlaz će treptati. Povećajte ciljnu temperaturu i LED dioda će dulje ostati uključena. Kad je ploča za kuhanje spojena i radi, povećanje ciljne temperature uzrokovat će uključivanje ploče za kuhanje. Kako se trenutna temperatura približava ciljnoj temperaturi, vrijeme uključivanja će se smanjivati tako da se ciljnoj temperaturi pristupa s minimalnim prekomjernim pucanjem. Tada će vrijeme uključivanja biti dovoljno za održavanje željene temperature.

Evo kako postaviti parametre za PID algoritam. Možete početi s vrijednostima koje koristim. P od 40, I od 0,1 i D od 100. Moj sustav će napraviti korak od 50 ° C za otprilike 30 sekundi s prekoračenjem manjim od 5 stupnjeva. Ako vaš sustav radi značajno drugačije, htjet ćete ga prilagoditi. Ugađanje PID kontrolera može biti teško, ali gornji članak objašnjava kako to učiniti vrlo učinkovito.

Sada je vrijeme za pravu stvar. Uključite vruću ploču u regulator izmjenične struje vruće ploče kako je opisano u lemljenju za ekstremno površinsko montiranje. Svakako pročitajte i sve mjere opreza. Postavite senzor temperature tako da bude otprilike 3 inča iznad vaše ploče za kuhanje i usmjeren izravno na njega. Uključite svoj Ard/Free-duino. Uvjerite se da su sve veze ispravne i da vaš softver (PID kontroler i program za nadzor) radi ispravno. Počnite s ciljanom temperaturom postavljenom na 20 C. Zatim povećajte ciljnu temperaturu na 40 C. Vruća ploča bi se trebala uključiti i temperatura bi se trebala lagano povećavati na 40C +/- 2 C. Sada možete pokušati povećati temperaturu dok promatrate performanse vašeg sustava. Primijetit ćete da je tanjuru potrebno puno više vremena da se ohladi nego zagrijavanju.

Rješavanje problema

Ako skica Obrada ne radi ili ne ažurira temperaturu, zaustavite Skicu obrade i pokrenite serijski terminal (na primjer, Hyperterminal u sustavu Windows). Dodirnite razmaknicu i pritisnite povratak. Arduino bi trebao reagirati trenutnim očitanjem temperature. Prilagodite postavke brzine prijenosa itd. Dok ne dobijete željeni odgovor. Nakon što ovo uspije, skica Obrada bi se trebala pokrenuti. Ako i dalje imate problema, provjerite jesu li dodjele pinova u skladu s vašim fizičkim ožičenjem te jeste li napajanje i masu priključili na odgovarajuće pinove osjetnika temperature.

Korak 4: Lemljenje na površinsku montažu

Korištenje sustava za kontrolu temperature opisanog u ovom Uputu poboljšava ekstremno površinsko lemljenje na dva načina. Prvo, kontrola temperature je točnija i znatno brža. Dakle, umjesto da imamo usporenu rampu od 120 ° C do 180 ° C tijekom otprilike 6 minuta, možemo brzo preći na 180 ° C, zadržati 2 ½ do 3 minute i brzo prijeći na 220 ° C do 240 ° C oko minute. Još moramo paziti na trenutak kada lem teče i isključiti napajanje, ili jednostavno brzo spustiti ciljnu temperaturu. Budući da se temperatura vrlo sporo spušta, obično skinem krugove s ploče za kuhanje čim se temperatura ohladi ispod 210C. Stavite ih na komad perf ploče ili drva, a ne na metal. Metal bi mogao uzrokovati njihovo prebrzo hlađenje. Također imajte na umu da ćete možda morati povisiti ciljnu temperaturu preko 250 ° C (maksimum koji će osjetnik očitati) kako bi se ploča dovoljno zagrijala u određenim područjima. Ploča neće dosegnuti jednu temperaturu po cijeloj površini, ali će u nekim područjima biti hladnija od drugih. To ćete naučiti eksperimentiranjem.

Drugo područje poboljšanja je smanjenje vremena između ciklusa lemljenja. S sustavom otvorene petlje morao sam pričekati da se ploča za kuhanje ohladi na sobnu temperaturu (oko 20 ° C) kako bih započeo novi ciklus lemljenja. Da to nisam učinio, temperaturni ciklus ne bi bio ispravan (promjena početnih uvjeta). Sada samo moram pričekati stabilnu temperaturu oko 100C i mogu započeti novi ciklus.

Temperaturni ciklus koji sada koristim impliciran je gore, ali ovdje je točno. Počni na 100C. Stavite ploče na vruću ploču dvije do tri minute da se zagriju - dulje s velikim komponentama. Postavite ciljnu temperaturu na 180C. Ta se temperatura postiže za manje od jedne minute. Držite ovdje 2 ½ minute. Postavite cilj na 250C. Čim sav lem istekne, ciljnu temperaturu smanjite na oko 100C. Temperatura vašeg tanjura ostat će visoka. Čim se smanji na 210 ° C, ili prođe vrijeme od 1 minute, gurnite ploče s ploče za kuhanje na rashladnu platformu od perfora ili drva. Lemljenje se vrši.

Ako želite koristiti drugačiji temperaturni profil, ne biste trebali imati problema s postizanjem ovog sustava upravljanja.

Možda biste htjeli eksperimentirati s položajem osjetnika temperature iznad vaše ploče za kuhanje. Otkrio sam da sva područja ploče za kuhanje ne dosežu istu temperaturu u isto vrijeme. Dakle, ovisno o tome gdje postavite senzor, stvarno vrijeme i temperatura potrebna za protok lemljenja mogu varirati. Nakon što izradite recept, upotrijebite isto pozicioniranje senzora za ponovljive rezultate.

Sretno lemljenje!