Zapiranje zanke pri spajkanju na površinsko montažo: 4 koraki

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:10

Zdi se, da je temperatura najlažje nadzorovati na svetu. Vklopite štedilnik in nastavite želeno temperaturo. Zjutraj vklopite peč in nastavite termostat. Prilagodite toplo in hladno vodo, da bo prha ravno pravšnja. Enostavno! Kaj pa, če želite nadzirati temperaturo zunaj teh vsakodnevnih aplikacij? Če želite temperature zunaj normalnih meja ali želite stabilno temperaturo v ozkem območju, ste večinoma sami.

V mojem primeru sem želel nadzorovati temperaturo vroče plošče, ki se uporablja za spajkanje na površinsko montažo. Sprva sem uporabil pulzno širinsko modulacijo za zagotovitev stabilnih temperatur in eksperimentalno določene nastavitve za ustvarjanje zahtevanega temperaturnega profila. Vse o tem lahko preberete v tem navodilu. Ta sistem deluje in nadzor temperature na ta način je v redu, vendar ima pomanjkljivosti.

Pomanjkljivosti:

• Deluje samo za mojo posebno kuhalno ploščo. Druge so podobne, vendar niso enake, zato so potrebni poskusi, da se določijo nastavitve in čas, potreben za izdelavo zahtevanega profila.
• Enaka situacija, če želim drugačen profil ali temperaturo.
• Postopek spajkanja traja dolgo, saj se je treba počasi približevati stabilnim temperaturam.

V idealnem primeru bi lahko samo določili temperaturno-časovni profil, pritisnili gumb in regulator bi povzročil, da bo kuhalna plošča delovala, kot je programirano. Vemo, da je to mogoče, saj obstaja veliko industrijskih procesov, ki uporabljajo ravno tovrstno kontrolo. Vprašanje je, ali je to mogoče enostavno in poceni narediti doma?

Kot ste morda uganili, ker pišem to navodilo, je odgovor pritrdilen! Ta navodila vam bodo pokazala, kako zgraditi lasten regulator temperature za industrijsko moč. Namenil bom predvsem spajkanje na površinsko montažo, vendar lahko ta sistem uporablja vsak postopek, ki zahteva natančen časovni temperaturni profil.

Opomba: Ko uporabljam ime "Arduino", ne mislim le na (ne ravno) zaščiteni z avtorskimi pravicami Arduino, ampak tudi na številne različice v javni domeni, skupaj znane kot "Freeduino". V nekaterih primerih uporabljam izraz "Ard/Free-duino", vendar bi bilo treba v teh navodilih za uporabo te izraze zamenjati.

Shema za nadzor temperature, ki se uporablja v Instrumentu Extreme Surface Mount Soldering Instructable, je znana kot krmiljenje z odprto zanko. To pomeni, da bo vrednost, ki je v preteklosti ustvarila želeno temperaturo, po ponovni uporabi povzročila isto temperaturo. Pogosto je to res in daje želeni rezultat. Če pa so razmere nekoliko drugačne, recimo, da je garaža, kjer delamo, veliko hladnejša ali toplejša, potem morda ne boste dobili pričakovanega rezultata.

Če imamo senzor, ki lahko odčita temperaturo in jo poroča regulatorju, potem imamo krmiljenje z zaprto zanko. Krmilnik lahko nastavi začetno vrednost za zvišanje temperature, si ogleda temperaturo s časom in prilagodi nastavitev tako, da se temperatura dvigne ali zniža, dokler ni dosežena želena temperatura.

Naš pristop bo zamenjava krmilnika PWM na osnovi AVRTiny2313 z močnejšim krmilnikom na osnovi ATMega. Programiranje bo potekalo v okolju Arduino. Za prikaz rezultatov in prilagoditev krmilnika bomo uporabili računalnik (Linux-Mac-Windows), ki izvaja procesor.

Za senzor bomo uporabili infrardeči temperaturni senzor podjetja Harbour Freight. IR senzor bo spremenjen za prikaz temperature kot serijski tok podatkov, ki ga krmilnik lahko bere. Kot krmilnik bomo uporabili Ard/Free-duino z računalnikom (Mac-Linux-Windows) za vnos v krmilnik. Ko končamo, bo sistem videti kot na sliki. (Lahko pa imate na krovu manj tujih vezij. To je v redu.)

1. korak: Sprememba IR senzorja

Najlepša hvala mojemu pametnemu prijatelju Scottu Dixonu za njegovo skrbno detektivsko delo pri ugotavljanju, kako deluje ta instrument in kako ga s krmilnikom narediti na splošno uporabnega, tako da razkrije njegov serijski vmesnik.

Naprava, s katero bomo začeli, je številka dela Harbour Freight: 93984-5VGA. Stane približno 25 USD. Ne obremenjujte se z nakupom garancije.:)} Tukaj je povezava. Sliki 1 in 2 prikazujeta pogled spredaj in zadaj. Puščice na sliki 2 kažejo, kje so vijaki, ki držijo ohišje skupaj. Slika 3 prikazuje notranjost ohišja, ko odstranite vijake in odprete ohišje. Modul laserskega kazalca je verjetno mogoče odstraniti in uporabiti za druge projekte, čeprav tega še nisem storil. Puščice kažejo na vijake, ki jih je treba odstraniti, če želite ploščo odstraniti, da jo spajkate (vijaki so odstranjeni na tej sliki). Navedeno je tudi območje, kjer je treba izrezati ožičenje za izhod iz ohišja. Glejte tudi sliko 5. Izrežite, ko odstranite ploščo ali vsaj preden spajkate žice. Tako je lažje.;)} Na sliki 4 je prikazano, kje bodo žice spajkane. Upoštevajte črko vsake povezave, da boste vedeli, katera žica je, ko zaprete ohišje. Slika 5 prikazuje žice, spajane na mestu in speljane skozi izrez. Zdaj lahko ohišje sestavite nazaj in instrument naj deluje tako, kot je deloval pred vašim delovanjem. Upoštevajte priključek na žicah. Za dejansko povezavo z krmilnikom uporabljam daljše žice. Če uporabljate majhno žico, majhen konektor in so žice kratke, lahko po želji vse skupaj spravite nazaj v etui in instrument izgleda nespremenjen. Scott je prav tako ustvaril programsko opremo za povezovanje te naprave. Ta dokument je uporabil, če želite podrobnosti. To je to! Zdaj imate senzor temperature IR, ki bo deloval od -33 do 250 C.

2. korak: Programska oprema za nadzor

Čeprav je uporabno, je senzor temperature IR le del sistema. Za nadzor temperature so potrebni trije elementi: vir toplote, temperaturni senzor in krmilnik, ki lahko odčita senzor in upravlja vir toplote. V našem primeru je vroča plošča vir toplote, senzor temperature IR (kakor je bil spremenjen v zadnjem koraku) je naš senzor, krmilnik pa je nameščen ustrezni programski opremi Ard/Free-duino. Vso programsko opremo za ta Instructable lahko prenesete kot paket Arduino in kot paket za obdelavo.

Prenesite datoteko IR_PID_Ard.zip. Razpakirajte ga v imenik Arduino (običajno Moji dokumenti/Arduino). Prenesite datoteko PID_Plotter.zip. Razpakirajte ga v imenik za obdelavo (običajno Moji dokumenti/obdelava). Datoteke bodo zdaj na voljo v ustreznih skicah.

Programsko opremo, ki jo bomo uporabili, je prvotno napisal Tim Hirzel. Spremeni se z dodajanjem vmesnika IR senzorju (ki ga je zagotovil Scott Dixon). Programska oprema izvaja nadzorni algoritem, znan kot PID algoritem. PID pomeni sorazmerno - integralno - izpeljano in je standardni algoritem za industrijsko regulacijo temperature. Ta algoritem je opisan v odličnem članku Tima Wescotta, na katerem je Tim Hirzel temeljil svojo programsko opremo. Preberite članek tukaj.

Za nastavitev algoritma (o tem preberite v omenjenem članku) in spreminjanje nastavitev ciljne temperature bomo uporabili skico Processing, ki jo je razvil tudi Tim Hirzel. Razvit je bil za praženje kavnih zrn (druga aplikacija za nadzor temperature) in se je imenoval Bare Bones Coffee Controller ali BBCC. Ne glede na ime, odlično deluje pri spajkanju na površinsko montažo. Izvirno različico lahko prenesete tukaj.

Spreminjanje programske opreme

V nadaljevanju predvidevam, da poznate Arduino in Processing. Če niste, morate iti skozi vaje, dokler stvari ne začnejo dobivati smisla. Ne pozabite objaviti komentarjev na ta Instructable in poskušal bom pomagati.

Krmilnik PID je treba spremeniti za vaš Arduino/Freeduino. Linijo ure z IR senzorja je treba priključiti na prekinitveni zatič. Na Arduinu je to lahko 1 ali 0. Pri različnih vrstah Freeduinov lahko uporabite vse razpoložljive prekinitve. Podatkovno linijo od senzorja priključite na drug bližnji zatič (na primer D0 ali D1 ali drug pin po vaši izbiri). Krmilni vod do vroče plošče lahko prihaja iz katerega koli digitalnega zatiča. Na mojem posebnem klonu Freeduino (opis tukaj) sem uporabil D1 in z njim povezan prekinitev (1) za uro, D0 za podatke in B4 za krmilno linijo do vroče plošče.

Ko prenesete programsko opremo, zaženite okolje Arduino in odprite IR_PID v meniju Datoteka/Sketchbook. Na zavihku pwm lahko določite HEAT_RELAY_PIN, ki ustreza vaši različici Arduino ali Freeduino. Pod zavihkom temp naredite enako za kodo IR_CLK, PIN_DATA PIN in IR_INT. Morali bi biti pripravljeni na sestavo in prenos.

Podobno zaženite okolje Processing in odprite skico PID_Plotter. Prilagodite BAUDRATE na pravilno vrednost in ne pozabite nastaviti indeksa, uporabljenega v Serial.list () [1], na pravilno vrednost za vaš sistem (moja vrata so indeks 1).

Korak: Povežite vse skupaj

Krmilni sistem za vročo ploščo AC je podrobno opisan v že omenjenem navodilu za spajkanje pri ekstremnih površinskih montažah ali pa lahko kupite svoj SSR (rele polprevodnika). Prepričajte se, da lahko prenese obremenitev vroče plošče z zadostno rezervo, recimo od 20 do 40 vatov, saj lahko testiranje, ki so ga opravili Kitajci, pusti nekaj želenega. Če uporabljate vmesni krmilnik za vroče plošče iz mojega Instructable, nato preklopite mostiček od upora na krmilnem vhodu do ozemljitve na Ard/Free-duino in mostiček iz krmilnega izhoda (B4 ali karkoli že želite) za krmilni signal Vnos. Oglejte si sliko krmilnika. Rumeni mostiček je vhod krmilnega signala, zeleni skakalec pa gre na tla. Na izhodnem zatiču rad uporabljam utripajočo luč (vodi z uporom proti tlom), da vem, kdaj je vklopljen. Povežite mostiček med LED in vrati, kot je prikazano. Oglejte si Teensy ++ povezovalni diagram.

Zdaj namestite nosilec, da senzor IR temperature držite nad vročo ploščo. Slika prikazuje, kaj sem naredil. Preprosto, a trdno je pravilo. Vse vnetljivo dobro držite stran od vroče plošče; senzor je plastičen in zdi se, da je v redu 3 cm nad površino plošče. Povežite žice od priključka na vašem senzorju do ustreznih zatičev na vašem Ard/Free-duino. Priključki za IR senzor so prikazani na Teensy ++ Hookup Diagramu. Te po potrebi prilagodite za svoj Ard/Free-duino.

Pomembna varnostna opomba: IR senzor ima LED indikator, ki mu pomaga pri usmerjanju. Če imate mačke, kot sem jaz, zelo radi lovijo vodilni kazalec. Zato pokrijte led z nekaj neprozornega traku, da vaše mačke ne skočijo na vročo ploščo, ko jo uporabljate.

Preden priključite krmilnik za vročo ploščo na 120 V, je opisano, kako preizkusite sistem in nastavite začetne ciljne vrednosti za temperaturo. Predlagam ciljno temperaturo 20 C, da se ogrevanje ne začne takoj. Te vrednosti bodo shranjene v EEPROM -u in uporabljene naslednjič, zato vedno shranite nizko vrednost kot ciljno temperaturo, ko končate spajkanje. Zdi se mi dobro, da regulator temperature zaženete tako, da je kuhalna plošča najprej izklopljena. Preden ga priključite, se prepričajte, da vse deluje.

Priključite serijska vrata na Arduino in ga vklopite. Sestavite skico Arduino in jo prenesite. Začnite obdelavo skice za interakcijo s krmilnikom in prikaz rezultatov. Občasno skica Arduino ne bo sinhronizirana s skico Processing. Ko se to zgodi, se v oknu konzole na skici Processing prikaže sporočilo »No Update«. Preprosto ustavite in znova zaženite skico obdelave in vse bi moralo biti v redu. Če ne, si oglejte spodnji razdelek Odpravljanje težav.

Tu so ukazi za krmilnik. "Delta" je znesek, ki se bo po ukazu spremenil. Najprej nastavite vrednost delte, ki jo želite uporabiti. Nato s to delto prilagodite želeni parameter. Na primer, uporabite + in -, da naredite delto 10. Nato uporabite T (velika črka "T"), da povečate nastavitev ciljne temperature za 10 stopinj C, ali t (male črke "t"), da znižate ciljno temperaturo za 10 stopinj. Ukazi:

+/-: nastavite delto za faktor deset P/p: gor/dol prilagodite p dobiček za delta I/i: gor/dol prilagodite i dobiček za delto D/d: gor/dol prilagodite d dobiček za delto T/t: gor/dol prilagodite nastavljeno temperaturo z delto h: vklopite in izklopite zaslon za pomoč R: ponastavite vrednosti - to storite prvič, ko zaženete krmilnik

Ko dobite posodobitve temperature, mora biti grafično okno skice videti kot slika. Če imate na zaslonu veliko sivo območje z opisanimi ukazi, preprosto vnesite »h«, da ga počistite. Ko prvič zaženete, boste morda morali ponastaviti začetne vrednosti. Pojdi in naredi to. Vrednosti v zgornjem desnem kotu so trenutni odčitki in nastavitve. »Cilj« je trenutna ciljna temperatura in se spremeni z ukazom »t«, kot je opisano zgoraj. "Curr" je trenutna temperatura, ki se odčita s senzorja. "P", "I" in "D" so parametri za algoritem upravljanja PID. Uporabite ukaze "p", "i" in "d", da jih spremenite. V kratkem bom razpravljal o njih. "Pow" je ukaz za vklop od PID krmilnika do kuhalne plošče. To je vrednost med 0 (vedno izklopljeno) in 1000 (vedno vklopljeno).

Če daste roko pod senzor, bi morali videti, da se temperatura (Curr) odčita. Če zdaj zvišate ciljno temperaturo, boste videli povečanje moči (Pow) in izhodna lučka bo utripala. Zvišajte ciljno temperaturo in izhodna lučka bo ostala dlje časa vklopljena. Ko je kuhalna plošča priključena in deluje, se bo zvišanje ciljne temperature vklopilo. Ko se trenutna temperatura približa ciljni temperaturi, se bo čas vklopa zmanjšal, tako da se ciljna temperatura približa z minimalnim prestrezanjem. Nato bo čas vklopa ravno dovolj za vzdrževanje ciljne temperature.

Tukaj je opisano, kako nastaviti parametre za algoritem PID. Začnete lahko z vrednostmi, ki jih uporabljam. P od 40, I od 0,1 in D od 100. Moj sistem bo naredil korak 50C v približno 30 sekundah s prekoračitvijo pod 5 stopinj. Če vaš sistem deluje bistveno drugače, ga boste želeli prilagoditi. Prilagajanje krmilnika PID je lahko težavno, vendar zgornji članek pojasnjuje, kako to storiti zelo učinkovito.

Zdaj je čas za pravo stvar. Priključite vročo ploščo v krmilnik AC na vročo ploščo, kot je opisano v Spajki za ekstremno površinsko montažo. Vsekakor preberite tudi vsa opozorila. Senzor temperature postavite tako, da je približno 3 cm nad vašo kuhalno ploščo in usmerjen neposredno vanj. Vklopite svoj Ard/Free-duino. Prepričajte se, da so vse povezave pravilne in da vaša programska oprema (krmilnik PID in program za nadzor) deluje pravilno. Začnite s ciljno temperaturo, nastavljeno na 20 C. Nato povečajte ciljno temperaturo na 40 C. Vroča plošča se mora vklopiti in temperatura se mora gladko zvišati na 40C +/- 2 C. Zdaj lahko poskusite zvišanje temperature, ko opazujete delovanje vašega sistema. Opazili boste, da se plošča ohladi veliko dlje, kot da se segreje.

Odpravljanje težav

Če se skica obdelave ne zažene ali ne posodobi temperature, ustavite skico obdelave in zaženite serijski terminal (na primer Hyperterminal v sistemu Windows). Dotaknite se preslednice in pritisnite vrnitev. Arduino bi se moral odzvati s trenutnim odčitkom temperature. Prilagodite nastavitve hitrosti prenosa itd., Dokler ne dobite želenega odziva. Ko to deluje, se mora zagnati obdelava skice. Če imate še vedno težave, se prepričajte, da so vaše dodelitve zatičev v skladu z vašo fizično napeljavo in da ste napajanje in ozemljitev priključili na ustrezne nožice temperaturnega senzorja.

4. korak: Spajkanje na površinsko montažo

Uporaba sistema za nadzor temperature, opisanega v tem navodilu, izboljša ekstremno površinsko spajkanje na dva načina. Prvič, nadzor temperature je natančnejši in bistveno hitrejši. Tako lahko namesto počasne rampe od približno 120 ° C do 180 ° C v približno 6 minutah hitro preidemo na 180 ° C, držimo 2 ½ do 3 minute in hitro preidemo na 220 ° C do 240 ° C približno minuto. Še vedno moramo paziti na točko, ko spajka teče in izklopiti napajanje, ali pa samo hitro znižati ciljno temperaturo. Ker se temperatura zelo počasi znižuje, ponavadi zdrsnem iz tokokrogov takoj, ko se temperatura ohladi pod 210C. Postavite jih na kos lesene plošče ali lesa, ne na kovino. Zaradi kovine se lahko prehitro ohladijo. Upoštevajte tudi, da boste morda morali ciljno temperaturo dvigniti za 250 ° C (največja vrednost, ki jo zazna senzor), da se plošča na določenih območjih dovolj segreje. Plošča ne bo dosegla ene same temperature po celotni površini, ampak bo na nekaterih območjih hladnejša od drugih. To se boste naučili z eksperimentiranjem.

Drugo področje izboljšave je skrajšanje časa med spajkanjem. S sistemom z odprto zanko sem moral počakati, da se kuhalna plošča ohladi na sobno temperaturo (približno 20 ° C), da sem začel nov cikel spajkanja. Če tega ne bi storil, potem temperaturni cikel ne bi bil pravilen (sprememba začetnih pogojev). Zdaj moram samo še počakati na stabilno temperaturo okoli 100C in lahko začnem nov cikel.

Temperaturni cikel, ki ga zdaj uporabljam, je omenjen zgoraj, tukaj pa je točno. Začni pri 100C. Plošče za dve do tri minute postavite na vročo ploščo, da se ogrejejo - dlje z velikimi sestavnimi deli. Nastavite ciljno temperaturo na 180C. Ta temperatura se doseže v manj kot eni minuti. Držite tukaj 2 minuti in pol. Cilj nastavite na 250C. Takoj, ko vsa spajka teče, znižajte ciljno temperaturo na približno 100C. Temperatura vašega krožnika bo ostala visoka. Takoj, ko se zniža na 210 ° C ali preteče čas 1 minute, plošče potisnite s kuhalne plošče na hladilno ploščad iz lesene plošče ali lesa. Spajkanje je opravljeno.

Če želite uporabiti drugačen temperaturni profil, s tem krmilnim sistemom ne bi smeli doseči tega.

Morda boste želeli eksperimentirati s položajem temperaturnega senzorja nad vašo kuhalno ploščo. Ugotovil sem, da vsa območja kuhalne plošče ne dosežejo iste temperature hkrati. Odvisno od tega, kje namestite senzor, se lahko dejanski čas in temperatura, potrebna za pretok spajkanja, razlikujejo. Ko pripravite recept, uporabite iste položaje senzorja za ponovljive rezultate.

Srečno spajkanje!