Schließen der Schleife beim SMD-Löten - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:23

Die Temperatur scheint das am einfachsten zu kontrollierende Ding der Welt zu sein. Schalten Sie den Herd ein und stellen Sie die gewünschte Temperatur ein. Schalten Sie morgens den Ofen ein und stellen Sie den Thermostat ein. Passen Sie das heiße und kalte Wasser an, um die Dusche genau richtig zu machen. Einfach! Aber was ist, wenn Sie die Temperatur über diese alltäglichen Anwendungen hinaus steuern möchten? Wenn Sie Temperaturen außerhalb der normalen Bereiche oder eine stabile Temperatur in einem engen Bereich wünschen, sind Sie meistens auf sich allein gestellt.

In meinem Fall wollte ich die Temperatur einer Heizplatte regeln, die zum Oberflächenmontagelöten verwendet wird. Anfangs habe ich Pulsweitenmodulation verwendet, um stabile Temperaturen bereitzustellen, und experimentell bestimmte Einstellungen, um das erforderliche Temperaturprofil zu erstellen. Sie können alles darüber in diesem Instructable lesen. Dieses System funktioniert und die Temperaturregelung auf diese Weise ist schön und gut, aber es weist Mängel auf.

Mängel:

• Funktioniert nur für meine spezielle Kochplatte. Andere sind ähnlich, aber nicht identisch, und es sind Experimente erforderlich, um die Einstellungen und Zeiten zu bestimmen, die zum Erstellen des erforderlichen Profils erforderlich sind.
• Gleiche Situation, wenn ich ein anderes Profil oder eine andere Temperatur möchte.
• Der Lötprozess dauert lange, da langsam stabile Temperaturen angefahren werden müssen.

Im Idealfall könnten wir einfach ein Temperatur-Zeit-Profil vorgeben, eine Taste drücken und der Controller würde die Kochplatte wie programmiert funktionieren lassen. Wir wissen, dass dies möglich ist, da es viele industrielle Prozesse gibt, die genau diese Art der Steuerung verwenden. Die Frage ist, kann dies einfach und kostengünstig zu Hause durchgeführt werden?

Wie Sie vielleicht erraten haben, ist die Antwort ja, da ich dieses Instructable schreibe! Dieses Instructable zeigt Ihnen, wie Sie Ihren eigenen industrietauglichen Temperaturregler bauen. Ich werde besonders auf das Löten auf der Oberfläche abzielen, aber jeder Prozess, der ein genaues Zeit-Temperatur-Profil erfordert, kann dieses System verwenden.

Hinweis: Wenn ich den Namen „Arduino“verwende, meine ich nicht nur das (nicht ganz) urheberrechtlich geschützte Arduino selbst, sondern auch die vielen gemeinfreien Versionen, die zusammen als „Freeduino“bekannt sind. In einigen Fällen verwende ich den Begriff "Ard / Free-duino", aber die Begriffe sollten für die Zwecke dieses Instructable als austauschbar angesehen werden.

Das im Extreme Surface Mount Soldering Instructable verwendete Temperaturregelungsschema ist als Open-Loop-Steuerung bekannt. Das heißt, von einem Wert, der in der Vergangenheit die gewünschte Temperatur erzeugt hat, wird erwartet, dass er bei erneuter Verwendung dieselbe Temperatur erzeugt. Dies ist häufig der Fall und führt zum gewünschten Ergebnis. Aber wenn die Bedingungen etwas anders sind, sagen wir, die Werkstatt, in der wir arbeiten, ist viel kühler oder wärmer, dann erhalten Sie möglicherweise nicht das erwartete Ergebnis.

Wenn wir einen Sensor haben, der die Temperatur lesen und an einen Controller zurückmelden kann, dann haben wir eine Regelung. Der Regler kann einen Anfangswert einstellen, um die Temperatur zu erhöhen, die Temperatur im Laufe der Zeit zu beobachten und die Einstellung so anzupassen, dass die Temperatur höher oder niedriger wird, bis die gewünschte Temperatur erreicht ist.

Unser Ansatz besteht darin, den AVRTiny2313-basierten PWM-Controller durch einen leistungsfähigeren ATMega-basierten Controller zu ersetzen. Die Programmierung erfolgt in der Arduino-Umgebung. Wir verwenden einen PC (Linux-Mac-Windows), auf dem Processing ausgeführt wird, um die Ergebnisse anzuzeigen und den Controller anzupassen.

Als Sensor verwenden wir einen Infrarot-Temperatursensor von Harbor Freight. Der IR-Sensor wird so modifiziert, dass er die Temperatur als seriellen Datenstrom ausgibt, den der Controller lesen kann. Als Controller verwenden wir ein Ard/Free-Duino, mit einem PC (Mac – Linux – Windows) als Eingabe für den Controller. Wenn wir alle fertig sind, sieht das System wie auf dem Bild aus. (Sie haben jedoch möglicherweise weniger externe Schaltkreise auf Ihrem Steckbrett. Das ist in Ordnung.)

Schritt 1: Ändern des IR-Sensors

Vielen Dank an meinen klugen Freund Scott Dixon für seine sorgfältige Detektivarbeit, um herauszufinden, wie dieses Instrument funktioniert und wie man es mit einem Controller allgemein nützlich machen kann, indem seine serielle Schnittstelle freigelegt wird.

Das Gerät, mit dem wir beginnen, ist die Teilenummer von Harbor Freight: 93984-5VGA. Kostet etwa 25 Dollar. Machen Sie sich nicht die Mühe, die Garantie zu kaufen.:)} Hier ist der Link. Abbildungen 1 und 2 zeigen Vorder- und Rückansichten. Die Pfeile in Abbildung 2 zeigen an, wo sich die Schrauben befinden, die das Gehäuse zusammenhalten. Abbildung 3 zeigt das Innere des Gehäuses, wenn die Schrauben entfernt und das Gehäuse geöffnet ist. Das Laserpointer-Modul kann wahrscheinlich entfernt und für andere Projekte verwendet werden, obwohl ich dies noch nicht getan habe. Die Pfeile zeigen auf die zu entfernenden Schrauben, wenn Sie die Platine zum Löten herausnehmen möchten (Schrauben in diesem Bild entfernt). Ebenfalls angegeben ist der Bereich, in dem ein Ausschnitt für Ihre Verkabelung gemacht werden sollte, um das Gehäuse zu verlassen. Siehe auch Abbildung 5. Machen Sie den Ausschnitt, während die Platine entfernt ist, oder zumindest bevor Sie die Drähte anlöten. So ist es einfacher.;)} Abbildung 4 zeigt, wo die Drähte gelötet werden. Notieren Sie sich den Buchstaben jeder Verbindung, damit Sie wissen, welcher Draht welcher ist, wenn Sie das Gehäuse schließen. Abbildung 5 zeigt die verlöteten und durch den Ausschnitt geführten Drähte. Jetzt können Sie den Koffer wieder zusammenbauen und das Instrument sollte wie vor der Operation funktionieren. Beachten Sie den Stecker an den Drähten. Ich verwende längere Kabel, um mich mit meinem Controller zu verbinden. Wenn Sie einen kleinen Draht, einen kleinen Stecker verwenden und die Drähte kurz halten, können Sie alles zurück in das Gehäuse stecken, wenn Sie möchten, und das Instrument sieht unverändert aus. Scott hat auch die Software entwickelt, um dieses Gerät zu verbinden. Er hat dieses Dokument verwendet, wenn Sie die Details wissen möchten. Das ist es! Sie haben jetzt einen IR-Temperatursensor, der von -33 bis 250 C funktioniert.

Schritt 2: Software zur Steuerung

So nützlich er auch ist, der IR-Temperatursensor ist nur ein Teil des Systems. Um die Temperatur zu steuern, sind drei Elemente erforderlich: eine Wärmequelle, ein Temperatursensor und ein Controller, der den Sensor lesen und die Wärmequelle steuern kann. In unserem Fall ist die Kochplatte die Wärmequelle, der IR-Temperatursensor (wie im letzten Schritt modifiziert) unser Sensor und ein Ard/Free-duino mit entsprechender Software ist der Controller. Alle Software für dieses Instructable kann als Arduino-Paket und als Verarbeitungspaket heruntergeladen werden.

Laden Sie die Datei IR_PID_Ard.zip herunter. Entpacken Sie es in Ihrem Arduino-Verzeichnis (normalerweise My Documents/Arduino). Laden Sie die Datei PID_Plotter.zip herunter. Entpacken Sie es in Ihr Verarbeitungsverzeichnis (normalerweise Eigene Dateien/Verarbeitung). Die Dateien stehen nun in den entsprechenden Skizzenbüchern zur Verfügung.

Die von uns verwendete Software wurde ursprünglich von Tim Hirzel geschrieben. Es wird durch Hinzufügen der Schnittstelle zum IR-Sensor (von Scott Dixon bereitgestellt) modifiziert. Die Software implementiert einen Regelalgorithmus, der als PID-Algorithmus bekannt ist. PID steht für Proportional – Integral – Derivative und ist der Standardalgorithmus für die industrielle Temperaturregelung. Dieser Algorithmus wird in einem ausgezeichneten Artikel von Tim Wescott beschrieben, auf dem Tim Hirzel seine Software basiert. Lesen Sie den Artikel hier.

Um den Algorithmus abzustimmen (lesen Sie dazu im genannten Artikel) und um die Solltemperatureinstellungen zu ändern, verwenden wir eine Verarbeitungsskizze, die ebenfalls von Tim Hirzel entwickelt wurde. Es wurde für das Rösten von Kaffeebohnen (eine weitere Anwendung der Temperaturkontrolle) entwickelt und wurde Bare Bones Coffee Controller oder BBCC genannt. Name beiseite, es eignet sich hervorragend für das Oberflächenmontagelöten. Die Originalversion können Sie hier herunterladen.

Ändern der Software

Im Folgenden gehe ich davon aus, dass Sie mit Arduino und Processing vertraut sind. Wenn nicht, sollten Sie die Tutorials durchgehen, bis die Dinge einen Sinn ergeben. Stellen Sie sicher, dass Sie Kommentare zu diesem Instructable veröffentlichen, und ich werde versuchen, zu helfen.

Der PID-Regler muss für Ihr Arduino/Freeduino modifiziert werden. Die Taktleitung vom IR-Sensor muss an einen Interrupt-Pin angeschlossen werden. Auf einem Arduino kann dies 1 oder 0 sein. Auf Freeduinos verschiedener Art können Sie alle verfügbaren Interrupts verwenden. Verbinden Sie die Datenleitung vom Sensor mit einem anderen Pin in der Nähe (z. B. D0 oder D1 oder einem anderen Pin Ihrer Wahl). Die Steuerleitung zur Kochstelle kann von jedem digitalen Pin kommen. Bei meinem speziellen Freeduino-Klon (hier beschreiben) habe ich D1 und den zugehörigen Interrupt (1) für die Uhr, D0 für die Daten und B4 für die Steuerleitung zur Kochplatte verwendet.

Nachdem Sie die Software heruntergeladen haben, starten Sie Ihre Arduino-Umgebung und öffnen Sie IR_PID über den Menüpunkt File/Sketchbook. Unter der Registerkarte pwm können Sie die HEAT_RELAY_PIN entsprechend Ihrer Arduino- oder Freeduino-Variante definieren. Gehen Sie auf der Registerkarte Temp für IR_CLK PIN, IR_DATA PIN und IR_INT genauso vor. Sie sollten bereit sein, zu kompilieren und herunterzuladen.

Starten Sie auf ähnliche Weise Ihre Verarbeitungsumgebung und öffnen Sie die Skizze PID_Plotter. Stellen Sie BAUDRATE auf den richtigen Wert ein und stellen Sie sicher, dass der in Serial.list()[1] verwendete Index auf den richtigen Wert für Ihr System eingestellt ist (mein Port ist Index 1).

Schritt 3: Alles einhaken

Das Heizplatten-AC-Steuerungssystem ist in der bereits erwähnten Extreme Surface Mount Soldering Instructable detailliert beschrieben, oder Sie können Ihr eigenes SSR (Solid State Relay) kaufen. Stellen Sie sicher, dass es die Last der Kochplatte mit ausreichendem Spielraum bewältigen kann, sagen wir 20 bis 40 Watt, da die von den Chinesen durchgeführten Tests zu wünschen übrig lassen. Wenn Sie den Heizplatten-AC-Controller von meinem Instructable verwenden, führen Sie einen Jumper vom Widerstand am Steuereingang zur Masse des Ard / Free-duino und einen Jumper vom Steuerausgang (B4 oder was auch immer Sie gewählt haben) zum Steuersignal Eingang. Siehe das Bild des Controllers. Der gelbe Jumper ist der Steuersignaleingang und der grüne Jumper geht auf Masse. Ich verwende gerne ein Blinklicht (mit einem Widerstand gegen Masse geführt) am Ausgangspin, damit ich weiß, wann es eingeschaltet ist. Verbinden Sie Ihren Jumper wie abgebildet zwischen der LED und dem Port. Siehe Teensy++ Anschlussdiagramm.

Richten Sie nun eine Halterung ein, um den IR-Temperatursensor über Ihrer Kochplatte zu halten. Das Bild zeigt, was ich gemacht habe. Einfach aber robust ist die Regel. Halten Sie alles, was brennbar ist, von der Kochplatte fern; Der Sensor ist aus Kunststoff und scheint 3 Zoll über der Oberfläche der Platte gut zu sein. Führen Sie Kabel vom Anschluss Ihres Sensors zu den entsprechenden Pins Ihres Ard/Free-duino. Die Anschlüsse für den IR-Sensor sind im Teensy++-Anschlussdiagramm dargestellt. Passen Sie diese nach Bedarf für Ihr Ard/Free-duino an.

Wichtiger Sicherheitshinweis: Der IR-Sensor verfügt über einen LED-Zeiger, der beim Ausrichten hilft. Wenn Sie Katzen wie meine haben, lieben sie es, den LED-Zeiger zu jagen. Decken Sie die LED also mit etwas undurchsichtigem Klebeband ab, damit Ihre Katzen nicht auf die Heizplatte springen, wenn Sie sie benutzen.

Bevor Sie den AC-Controller der Heizplatte an 120 V anschließen, erfahren Sie hier, wie Sie das System testen und anfängliche Zielwerte für die Temperatur festlegen. Ich schlage eine Zieltemperatur von 20 C vor, damit das Aufheizen nicht sofort beginnt. Diese Werte werden im EEPROM gespeichert und beim nächsten Mal verwendet, also stellen Sie sicher, dass Sie immer einen niedrigen Wert als Zieltemperatur speichern, wenn Sie mit einem Lötvorgang fertig sind. Ich finde es eine gute Idee, den Temperaturregler zuerst mit ausgesteckter Kochplatte zu starten. Stellen Sie sicher, dass alles funktioniert, bevor Sie es anschließen.

Verbinden Sie Ihren seriellen Port mit Ihrem Arduino und schalten Sie ihn ein. Kompilieren Sie die Arduino-Skizze und laden Sie sie herunter. Starten Sie die Verarbeitungsskizze, um mit dem Controller zu interagieren und die Ergebnisse anzuzeigen. Gelegentlich synchronisiert sich die Arduino-Skizze nicht mit der Processing-Skizze. In diesem Fall sehen Sie im Konsolenfenster der Processing-Skizze die Meldung „No Update“. Stoppen Sie einfach die Verarbeitungsskizze und starten Sie sie neu und die Dinge sollten in Ordnung sein. Wenn nicht, sehen Sie sich den Abschnitt Fehlerbehebung unten an.

Hier sind die Befehle für den Controller. „Delta“ist der Betrag, um den sich ein Parameter ändert, wenn er befohlen wird. Legen Sie zuerst den Wert von Delta fest, den Sie verwenden möchten. Stellen Sie dann den gewünschten Parameter mit diesem Delta ein. Verwenden Sie beispielsweise + und –, um Delta 10 zu machen. Verwenden Sie dann T (Großbuchstabe „T“), um die Zieltemperatureinstellung um 10 °C zu erhöhen, oder t (Kleinbuchstabe „t“), um die Zieltemperatur um 10 °C zu verringern. Befehle:

+/-: Delta um einen Faktor von zehn anpassen P/p: nach oben/unten anpassen p-Verstärkung um Delta anpassen I/i: nach oben/unten anpassen i-Verstärkung um Delta anpassen D/d: nach oben/unten anpassen d-Verstärkung um Delta anpassen T/t: nach oben/unten die eingestellte Temperatur um Delta anpassen h: Hilfebildschirm ein- und ausschalten R: Werte zurücksetzen – tun Sie dies, wenn Sie den Controller zum ersten Mal starten

Sobald Sie Temperaturaktualisierungen erhalten, sollte das Grafikfenster der Skizze wie auf dem Bild aussehen. Wenn Sie mit einigen beschriebenen Befehlen einen großen grauen Bereich auf dem Bildschirm haben, geben Sie einfach „h“ein, um ihn zu löschen. Beim ersten Start werden Sie möglicherweise aufgefordert, die Anfangswerte zurückzusetzen. Mach weiter und mach das. Die Werte in der oberen rechten Ecke sind die aktuellen Messwerte und Einstellungen. „Goal“ist die aktuelle Zieltemperatur und wird wie oben beschrieben durch den „t“-Befehl verändert. „Curr“ist der aktuelle Temperaturmesswert des Sensors. „P“, „I“und „D“sind die Parameter für den PID-Regelalgorithmus. Verwenden Sie die Befehle „p“, „i“und „d“, um sie zu ändern. Ich werde sie gleich besprechen. „Pow“ist der Leistungsbefehl vom PID-Regler an die Kochstelle. Es ist ein Wert zwischen 0 (immer aus) und 1000 (immer an).

Wenn Sie Ihre Hand unter den Sensor legen, sollten Sie sehen, dass die Temperaturanzeige (Curr) nach oben springt. Wenn Sie nun die Zieltemperatur erhöhen, wird der Leistungswert (Pow) erhöht und die Ausgangs-LED blinkt. Erhöhen Sie die Zieltemperatur und die Ausgangs-LED bleibt länger an. Wenn die Kochstelle angeschlossen ist und in Betrieb ist, wird die Kochstelle durch Erhöhen der Zieltemperatur eingeschaltet. Wenn sich die aktuelle Temperatur der Zieltemperatur nähert, verringert sich die Einschaltzeit, so dass die Zieltemperatur mit minimalem Überschwingen erreicht wird. Dann reicht die Einschaltzeit gerade aus, um die Zieltemperatur zu halten.

So stellen Sie die Parameter für den PID-Algorithmus ein. Sie können mit den Werten beginnen, die ich verwende. P von 40, I von 0,1 und D von 100. Mein System wird einen 50C-Schritt in etwa 30 Sekunden mit einem Überschwingen von weniger als 5 Grad ausführen. Wenn Ihr System erheblich anders funktioniert, sollten Sie es optimieren. Die Abstimmung eines PID-Reglers kann schwierig sein, aber der oben erwähnte Artikel erklärt, wie man dies sehr effektiv macht.

Jetzt ist es Zeit für das Echte. Schließen Sie die Heizplatte an den AC-Controller der Heizplatte an, wie in Extreme Surface Mount Soldering beschrieben. Lesen Sie auch alle darin enthaltenen Vorsichtsmaßnahmen. Positionieren Sie Ihren Temperatursensor so, dass er sich etwa 3 Zoll über Ihrer Kochplatte befindet und direkt darauf zeigt. Schalten Sie Ihr Ard/Free-Duino ein. Stellen Sie sicher, dass alle Verbindungen korrekt sind und Ihre Software (der PID-Regler und das Überwachungsprogramm) ordnungsgemäß ausgeführt wird. Beginnen Sie mit der auf 20 °C eingestellten Zieltemperatur. Erhöhen Sie dann die Zieltemperatur auf 40 °C. Die Kochplatte sollte angehen und die Temperatur sollte sanft auf 40 °C +/- 2 °C ansteigen. Sie können jetzt versuchen, die Temperatur zu erhöhen, während Sie die Leistung beobachten Ihres Systems. Sie werden feststellen, dass das Abkühlen der Platte viel länger dauert als das Aufheizen.

Fehlerbehebung

Wenn die Verarbeitungsskizze nicht ausgeführt wird oder die Temperatur nicht aktualisiert, stoppen Sie die Verarbeitungsskizze und starten Sie ein serielles Terminal (z. B. Hyperterminal unter Windows). Tippen Sie auf die Leertaste und drücken Sie die Eingabetaste. Der Arduino sollte mit dem aktuellen Temperaturwert antworten. Passen Sie die Einstellungen der Baudrate usw. an, bis Sie die gewünschte Antwort erhalten. Sobald dies funktioniert, sollte die Verarbeitungsskizze ausgeführt werden. Wenn Sie weiterhin Probleme haben, stellen Sie sicher, dass Ihre Pinbelegung mit Ihrer physischen Verkabelung übereinstimmt und dass Sie Strom und Masse an die entsprechenden Pins des Temperatursensors angeschlossen haben.

Schritt 4: Oberflächenmontage-Löten

Die Verwendung des in diesem Instructable beschriebenen Temperaturkontrollsystems verbessert das Extreme Surface Mount Soldering auf zwei Arten. Erstens ist die Temperaturregelung genauer und deutlich schneller. Anstatt also einen langsamen Anstieg von etwa 120 °C auf 180 °C über 6 Minuten oder so zu haben, können wir schnell auf 180 °C gehen, 2 ½ bis 3 Minuten halten und ungefähr eine Minute lang schnell auf 220 °C bis 240 °C gehen. Wir müssen noch auf den Punkt achten, an dem das Lot fließt und den Strom abschalten oder einfach schnell die Zieltemperatur senken. Da die Temperatur sehr langsam sinkt, schiebe ich meine Schaltkreise normalerweise von der Kochplatte, sobald die Temperatur unter 210°C abgekühlt ist. Legen Sie sie auf ein Stück Perfboard oder Holz, nicht auf Metall. Das Metall könnte dazu führen, dass sie zu schnell abkühlen. Beachten Sie auch, dass Sie die Zieltemperatur möglicherweise auf über 250 °C (das Maximum, das der Sensor misst) erhöhen muss, um die Platte in bestimmten Bereichen ausreichend heiß zu machen. Die Platte erreicht nicht über die gesamte Oberfläche eine einzige Temperatur, ist jedoch in bestimmten Bereichen kühler als in anderen. Dies erfährst du durch Ausprobieren.

Der zweite Verbesserungsbereich ist eine Verkürzung der Zeit zwischen den Lötzyklen. Mit dem Open-Loop-System musste ich warten, bis die Heizplatte auf Raumtemperatur (ca. 20 ° C) abgekühlt war, um einen neuen Lötzyklus zu starten. Würde ich dies nicht tun, dann wäre der Temperaturzyklus nicht korrekt (Änderung der Anfangsbedingungen). Jetzt muss ich nur noch auf eine stabile Temperatur um 100 ° C warten und kann einen neuen Zyklus starten.

Der Temperaturzyklus, den ich jetzt verwende, ist oben angedeutet, aber hier ist er genau. Beginnen Sie bei 100 ° C. Legen Sie Ihre Boards zum Aufwärmen für zwei bis drei Minuten auf die Heizplatte – bei großen Bauteilen auch länger. Stellen Sie die Zieltemperatur auf 180 °C ein. Diese Temperatur wird in weniger als einer Minute erreicht. Halten Sie hier für 2 ½ Minuten. Stellen Sie Ihr Ziel auf 250 ° C ein. Sobald das gesamte Lot fließt, verringern Sie die Zieltemperatur auf etwa 100 °C. Die Temperatur Ihres Tellers bleibt hoch. Sobald die Temperatur auf 210 °C sinkt oder eine Zeit von 1 Minute verstrichen ist, schieben Sie Ihre Boards von der Heizplatte auf eine Kühlplattform aus Perfboard oder Holz. Löten ist gemacht.

Wenn Sie ein anderes Temperaturprofil verwenden möchten, ist dies mit dieser Steuerung problemlos möglich.

Vielleicht möchten Sie mit der Position des Temperatursensors über Ihrer Kochplatte experimentieren. Ich habe festgestellt, dass nicht alle Bereiche der Kochplatte gleichzeitig die gleiche Temperatur erreichen. Je nachdem, wo Sie Ihren Sensor positionieren, kann die tatsächliche Zeit und Temperatur, die erforderlich ist, um das Lot zum Fließen zu bringen, variieren. Wenn Sie ein Rezept ausgearbeitet haben, verwenden Sie dieselbe Position des Sensors, um wiederholbare Ergebnisse zu erzielen.

Viel Spaß beim Löten!