Zatvaranje petlje na površinskom nosaču za lemljenje: 4 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:10

Čini se da je temperatura najjednostavnija stvar na svijetu za kontrolirati. Uključite peć i podesite željenu temperaturu. Ujutro uključite peć i postavite termostat. Podesite toplu i hladnu vodu kako bi tuširanje bilo baš kako treba. Polako! Ali šta ako želite kontrolirati temperaturu izvan ovih svakodnevnih aplikacija? Ako želite temperature izvan normalnih granica ili želite stabilnu temperaturu u uskom rasponu, uglavnom ste sami.

U mom slučaju, želio sam kontrolirati temperaturu ploče za kuhanje koja se koristi za lemljenje na površini. U početku sam koristio modulaciju širine impulsa kako bih osigurao stabilne temperature i eksperimentalno određene postavke za stvaranje potrebnog temperaturnog profila. Sve o tome možete pročitati u ovom uputstvu. Ovaj sistem 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 mora polako približavati.

U idealnom slučaju, mogli bismo samo odrediti temperaturno-vremenski profil, pritisnuti dugme, a regulator bi uzrokovao da ploča za kuhanje radi kako je programirano. Znamo da je to moguće jer postoji mnogo industrijskih procesa koji koriste upravo ovu vrstu kontrole. Pitanje je može li se to kod kuće učiniti jednostavno i jeftino?

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

Napomena: Kada koristim naziv “Arduino”, ne mislim samo na (ne baš) zaštićeni autorski autorski sadržaj 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 uputstva smatra da se ti izrazi međusobno zamjenjuju.

Shema kontrole temperature koja se koristi u Instrumentu za lemljenje ekstremnih površinskih nosača poznata je kao kontrola otvorene petlje. Odnosno, očekuje se da će vrijednost koja je ranije proizvodila željenu temperaturu proizvesti istu temperaturu kada se ponovo koristi. Često je to istina i daje željeni rezultat. Ali 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 kontrolu zatvorene petlje. 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 sa moćnijim kontrolerom zasnovanim na ATMega. Programiranje će se vršiti u Arduino okruženju. Koristit ćemo računalo (Linux-Mac-Windows) koje pokreće Processing za prikaz rezultata i podešavanje kontrolera.

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

Korak 1: Izmjena IC senzora

Veliko hvala mom pametnom prijatelju, Scottu Dixonu, na njegovom pažljivom detektivskom radu na otkrivanju kako ovaj instrument funkcionira i kako ga učiniti općenito korisnim s kontrolerom izlaganjem njegovog serijskog sučelja.

Uređaj s kojim ćemo početi je Harbor Freight Part Number: 93984-5VGA. Košta oko 25 USD. Ne zamarajte se kupovinom garancije.:)} Evo linka. Slike 1 i 2 prikazuju pogled sprijeda i straga. Strelice na slici 2 pokazuju gdje su vijci koji drže kućište zajedno. Slika 3 prikazuje unutrašnjost kućišta kada se vijci uklone i kućište se otvori. 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). Navedeno je i područje na kojem bi trebalo biti izrezano ožičenje za izlaz iz kućišta. Pogledajte i 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 žica je koja 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 vaše operacije. Obratite pažnju na konektor na žicama. Za povezivanje s kontrolerom koristim duže žice. Ako koristite malu žicu, mali konektor, a žice su kratke, možete sve vratiti u kućište ako želite, a instrument izgleda neizmijenjen. Scott je također stvorio softver za povezivanje ovog uređaja. Koristio je ovaj dokument ako želite detalje. 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, IC senzor temperature je samo dio sistema. Za kontrolu temperature potrebne su tri stavke: izvor topline, temperaturni senzor i kontroler 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 direktoriju za obradu (obično Moji dokumenti/Obrada). Datoteke će sada biti dostupne u odgovarajućim skicama.

Softver koji ćemo koristiti originalno je napisao Tim Hirzel. Modifikuje se dodavanjem interfejsa IR senzoru (obezbedio Scott Dixon). Softver implementira kontrolni algoritam poznat kao PID algoritam. PID označava 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 zasnovao svoj softver. Pročitajte članak ovdje.

Za podešavanje algoritma (pročitajte o ovome u spomenutom članku) i za promjenu postavki ciljne temperature, koristit ćemo skicu procesiranja, koju je također razvio Tim Hirzel. Razvijen je za prženje zrna kave (druga primjena kontrole temperature), a nazvan je kontroler kave Bare Bones, ili BBCC. Na stranu ime, odlično funkcionira za lemljenje na površini. Originalnu verziju možete preuzeti ovdje.

Izmena softvera

U nastavku, pretpostavljam da ste upoznati s Arduinom i procesiranjem. 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 mora biti izmijenjen za vaš Arduino/Freeduino. Linija sata sa IC senzora mora biti spojena na pin za prekid. Na Arduinu ovo može biti 1 ili 0. Na Freeduinima različitih vrsta možete koristiti sve dostupne prekide. Priključite liniju podataka sa senzora na drugi obližnji pin (kao što je D0 ili D1 ili neki drugi pin po vašem izboru). Kontrolni vod do ploče za kuhanje može doći s bilo kojeg digitalnog pina. Na mom posebnom klonu Freeduino (opišite ovdje), 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 menija Datoteka/Sketchbook. Na kartici pwm možete definirati HEAT_RELAY_PIN kao prikladan za vašu Arduino ili Freeduino varijantu. Na kartici temp učinite isto za IR_CLK PIN, IR_DATA PIN i IR_INT. Trebali biste biti spremni za kompajliranje i preuzimanje.

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

Korak 3: Sve spojite

Kontrolni sistem na vrućoj ploči naizmjenično je detaljno opisan u uputstvu za lemljenje ekstremnih površinskih nosača za lemljenje koje je već spomenuto, ili možete kupiti vlastiti SSR (poluprovodnički relej). Budite sigurni da može podnijeti opterećenje vruće ploče s dovoljnom maržom, recimo od 20 do 40 vati, jer testiranje koje su izvršili Kinezi može ostaviti nešto za poželjeti. Ako koristite kontroler izmjenične struje sa moje ploče Instructable, pokrenite kratkospojnik s otpornika na upravljačkom ulazu za uzemljenje na Ard/Free-duinu i kratkospojnik s upravljačkog izlaza (B4 ili bilo što drugo što odaberete) za upravljački signal Ulaz. Pogledajte sliku kontrolera. Žuti kratkospojnik je ulaz kontrolnog signala, a zeleni kratkospojnik ide na uzemljenje. Volim koristiti blinkenlight (vodio s otpornikom na masu) na izlaznom pinu kako bih znao kada je uključen. Povežite kratkospojnik između LED -a i priključka kao što je prikazano. Pogledajte Teensy ++ Hookup dijagram.

Sada postavite nosač za držanje infracrvenog osjetnika temperature iznad vaše ploče za kuhanje. Na slici je prikazano šta sam uradio. 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 inča iznad površine ploče. Provedite žice od konektora na vašem senzoru do odgovarajućih pinova na vašem Ard/Free-duinu. Priključci za IC senzor prikazani su u 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, one vole juriti vodeći pokazivač. Zato prekrijte LED diodu neprozirnom trakom kako vaše mačke ne bi skočile na ringlu dok je koristite.

Prije nego što priključite AC regulator na vruću ploču na 120V, evo kako možete testirati sistem i postaviti početne ciljne vrijednosti za temperaturu. Predlažem ciljnu temperaturu od 20 C tako da zagrijavanje ne počne odmah. Ove vrijednosti bit će pohranjene u EEPROM -u i upotrijebljene sljedeći put, stoga uvijek držite nisku vrijednost kao ciljnu temperaturu kada završite s lemljenjem. Smatram da je dobra ideja pokrenuti regulator temperature s grijaćom pločom koja je prvo isključena. Provjerite radi li sve prije nego što ga priključite.

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 ponovo pokrenite skicu Obrada i stvari bi trebale biti u redu. Ako ne, pogledajte donji odjeljak Rješavanje problema.

Evo naredbi za kontroler. “Delta” je iznos koji će se parametar promijeniti kada mu se naredi. Prvo postavite vrijednost delte koju želite koristiti. Zatim podesite željeni parametar pomoću te delte. Na primjer, koristite + i - da napravite deltu 10. Zatim pomoću T (veliko slovo "T") povećajte postavljenu ciljnu temperaturu za 10 stepeni C, ili t (mala slova "t") da biste smanjili ciljnu temperaturu za 10 stepeni. Naredbe:

+/-: podesiti deltu za faktor deset P/p: gore/dolje podesiti p pojačanje za deltu I/i: gore/dolje podesiti i dobitak za deltu D/d: gore/dolje podesiti d dobitak za deltu T/t: gore/dolje podesite postavljenu temperaturu prema delti h: uključite i isključite ekran pomoći R: resetirajte vrijednosti - učinite to prvi put kada pokrenete kontroler

Nakon što dobijete ažuriranje temperature, grafički prozor skice trebao bi izgledati kao slika. Ako imate veliku sivu zonu nametnutu na ekranu s nekim opisanim naredbama, jednostavno upišite “h” da biste je očistili. Prilikom prvog pokretanja od vas će se možda zatražiti da resetirate početne vrijednosti. Samo naprijed i učini to. Vrijednosti u gornjem desnom kutu su trenutna očitanja i postavke. “Cilj” je trenutna ciljna temperatura i mijenja se naredbom “t” kako je gore opisano. "Curr" je trenutno očitavanje temperature sa senzora. “P”, “I” i “D” su parametri za PID algoritam upravljanja. Pomoću naredbi “p”, “i” i “d” promijenite ih. Razgovaraću o njima za trenutak. “Pow” je naredba za napajanje od PID kontrolera 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 ostati uključena duže. 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 sistem će napraviti korak od 50C za oko 30 sekundi sa prekoračenjem manjim od 5 stepeni. Ako vaš sistem radi značajno drugačije, tada ćete ga htjeti podesiti. Podešavanje PID kontrolera može biti teško, ali gornji članak objašnjava kako to učiniti vrlo efikasno.

Sada je vrijeme za pravu stvar. Uključite vruću ploču u regulator izmjenične struje na vrućoj ploči kako je opisano u lemljenju za ekstremno površinsko montiranje. Obavezno pročitajte i sva upozorenja tamo. Postavite senzor temperature tako da bude otprilike 3 inča iznad vaše ploče za kuhanje i usmjeren direktno 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 sistema. Primijetit ćete da je potrebno mnogo više vremena da se ploča ohladi nego da se zagrije.

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. Kada ovo uspije, skica Obrade bi se trebala pokrenuti. Ako i dalje imate problema, provjerite jesu li dodjele pinova u skladu s vašim fizičkim ožičenjem i jeste li napajanje i masu priključili na odgovarajuće pinove osjetnika temperature.

Korak 4: Lemljenje na površinsku montažu

Korištenje sistema za kontrolu temperature opisanog u ovom uputstvu poboljšava ekstremno površinsko lemljenje na dva načina. Prvo, kontrola temperature je preciznija i znatno brža. Dakle, umjesto da imamo usporenu rampu sa 120 ° C na 180 ° C tokom otprilike 6 minuta, možemo brzo preći na 180 ° C, zadržati 2 ½ do 3 minute i brzo preći na 220 ° C do 240 ° C oko minute. Još uvijek moramo paziti na trenutak kada lem teče i isključiti napajanje, ili samo brzo smanjiti ciljnu temperaturu. Budući da se temperatura vrlo sporo spušta, obično skidam krugove s ploče za kuhanje čim se temperatura ohladi ispod 210C. Stavite ih na komad savršene ploče ili drva, a ne na metal. Metal bi mogao uzrokovati njihovo prebrzo hlađenje. Imajte na umu i da ćete možda morati podići ciljnu temperaturu preko 250C (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. Sa sistemom otvorene petlje, morao sam da sačekam da se ploča za kuvanje ohladi na sobnu temperaturu (oko 20C) da 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 upravo to. Počnite na 100C. Stavite ploče na vruću ploču dvije do tri minute da se zagriju - duže s velikim komponentama. Podesite ciljnu temperaturu na 180C. Ova temperatura se postiže za manje od jedne minute. Držite ovdje 2 ½ minute. Postavite cilj na 250C. Čim sav lem istekne, smanjite ciljnu temperaturu na oko 100C. Temperatura vašeg tanjira će ostati visoka. Čim se smanji na 210 ° C, ili prođe vrijeme od 1 minute, klizite daske s ploče za kuhanje na rashladnu platformu od perfarbona ili drva. Lemljenje je obavljeno.

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

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

Sretno lemljenje!