Forno de refluxo ESP32 Bluetooth: 6 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:39

Neste tutorial, mostrarei como construir seu próprio forno de refluxo sem fio para que você possa montar PCBs de qualidade em sua cozinha sem ter que se preocupar em girar manualmente os botões e se suas placas estão esquentando muito! Além disso, usaremos a funcionalidade integrada Bluetooth Low Energy (BLE) do ESP32 (porque o que mais você usaria em 2018), bem como um módulo adicional que construí como parte de um - ecossistema de controle de refluxo de fontes denominado "Reflowduino". Também programaremos tudo no ambiente IDE do Arduino e usaremos o que aprendemos em um tutorial anterior para controlar a configuração de refluxo com um aplicativo Android personalizado. Forneci todos os arquivos de design, esboços de exemplo do Arduino, aplicativo de demonstração e wiki do projeto (muitas informações!) Em minha página do Reflowduino no Github.

Se ainda não o fez, consulte este tutorial sobre como usar o recurso Bluetooth Low Energy do ESP32 com o IDE do Arduino e estabelecer comunicação bidirecional com um aplicativo Android personalizado, porque ele tem muitas informações pertinentes relacionadas ao que iremos cobrir aqui. No entanto, se você realmente não se importa com o funcionamento interno do Bluetooth e do aplicativo, continue lendo e mostrarei como fazer com que a configuração do forno de refluxo funcione sem dor! Meu objetivo com este tutorial é torná-lo curto e agradável e, ao mesmo tempo, transmitir as mensagens principais!

Isenção de responsabilidade de segurança

Se você é um iniciante em eletrônica ou não tem a experiência adequada para trabalhar com tensão de rede, sugiro que não mexa nisso, consulte um profissional ou continue aprendendo até que seja proficiente o suficiente! Não sou responsável por quaisquer contratempos que possam ocorrer devido ao uso indevido do Reflowduino ou de seus componentes ou sistema elétrico associados (incluindo energia elétrica). Tome todas as precauções de segurança conforme necessário, como luvas e óculos de segurança certificados. Além disso, não é recomendável usar o mesmo aparelho para refluir PCBs e também para cozinhar alimentos para consumo, o que pode resultar em intoxicação alimentar, especialmente com solda com chumbo. Você é totalmente responsável por suas ações e as executa por sua própria conta e risco!

Com isso, vamos começar!

Etapa 1: Reúna as peças

Para este tutorial, você precisará dos seguintes componentes:

• Placa de desenvolvimento DOIT ESP32
• Cabo micro USB (para carregar o código e alimentar a placa de desenvolvimento ESP32)
• Módulo "mochila" Reflowduino32 para a placa de desenvolvimento ESP32
• Torradeira (leia os comentários abaixo para mais detalhes)
• Termopar tipo K (incluído com Reflowduino32)
• Módulo de relé Sidekick (vem com um cabo de alimentação C13 resistente)
• 2 fios de jumper Dupont macho-macho (para conectar o Reflowduino32 ao módulo de relé)
• Chave de fenda pequena de cabeça chata (para apertar os terminais de parafuso)

Os ingredientes principais aqui são a placa de desenvolvimento ESP32, o Reflowduino32 e o módulo de retransmissão Sidekick e, claro, o próprio forno torradeira. Vou explicar resumidamente cada item abaixo:

ESP32 Dev Board + Reflowduino32

Atualmente, o Reflowduino32 é projetado para se conectar à placa de desenvolvimento ESP32, de modo que a placa de desenvolvimento precisa ter o espaçamento de cabeçalho e pinagens adequados para que isso funcione. Eu projetei a mochila Reflowduino32 especificamente para a placa de desenvolvimento ESP32 "DOIT", pois percebi que ela estava disponível online e parece ser amplamente usada. No entanto, se você encontrar outra placa de desenvolvimento ESP32 que tenha as mesmas pinagens e espaçamento de pinos, por favor, me avise, porque isso também deve funcionar!

Forno Torradeira

Deve ser bastante óbvio o que isso faz no grande esquema das coisas, mas pode não ser tão óbvio quanto ao tipo e modelo a escolher. Pessoalmente, testei esta torradeira Walmart barata que tem 1100 W e é bastante genérica. Eu acho que qualquer coisa acima de 1000 W deve ser adequada para o uso de amadores, mas há certas considerações. As principais coisas a se procurar em uma torradeira são a potência (de preferência> 1000 W), o tamanho (quantas placas você deseja colocar nela?), A configuração da bandeja (ela tem uma bandeja plana e bonita que você possa usar para colocar o PCB está ligado?) e se é ou não uma torradeira de convecção (talvez você esteja cozinhando lotes maiores de placas e queira uma distribuição de temperatura mais uniforme em todo o forno?). Todos esses fatores realmente dependem de sua aplicação pessoal, mas para mim a torradeira genérica e barata do Walmart funcionou muito bem.:)

Você pode perguntar, o que acontece com pratos quentes? Na minha opinião, eu ficaria longe de chapas quentes porque elas tendem a ter alta massa térmica. O que isso significa é que eles vão aquecer e continuar aquecendo mesmo depois de desligá-lo. Isso o torna realmente imprevisível para o controle preciso da temperatura porque a temperatura pode ultrapassar em grandes quantidades e potencialmente danificar qualquer componente vulnerável em suas placas. Basicamente, usar uma placa quente anularia o propósito de usar um controlador de refluxo em primeiro lugar.

Módulo de Relé

Para controlar a temperatura, precisamos ligar e desligar a torradeira de acordo com a temperatura lida no termopar. No entanto, o miniforno é um aparelho CA e tem potência relativamente alta (com torradeiras de 120 V CA normalmente consumindo cerca de 8-10 A), portanto, precisamos nos certificar de que podemos acioná-lo corretamente sem sobrecarregar o relé. Outra consideração é a tensão de controle do relé. A maioria dos relés amadores (compatíveis com Arduino) capazes de alternar altas correntes são classificados para entradas de 5V, mas neste tutorial estamos lidando com um ESP32 que opera em 3,3V. Isso significa que o módulo de retransmissão Joe médio pode não funcionar para nós. No entanto, caso você queira usar um módulo de relé diferente, desenvolvi um recurso onde você pode alterar a tensão de controle do relé de 3,3 V padrão para a tensão "VIN" da placa de desenvolvimento ESP32, que por padrão é ~ 5 V quando alimentado via USB. No entanto, você poderia teoricamente alimentá-lo externamente com algo superior a 5 V, digamos 9 V, e então a tensão de controle do relé será de 9 V. Dito isso, normalmente você não precisa de nada acima de 5V.

Em parte, é por isso que criei o módulo de relé Sidekick, um relé de estado sólido de alta potência capaz de comutar qualquer aparelho legal de 120 VCA e sem nenhum ruído de clique (estado sólido) como os relés tradicionais! Ele também tem conectores muito seguros e convenientes e para conectar facilmente o aparelho, o microcontrolador e a rede elétrica (a tomada CA), então é isso que usarei aqui. O legal é que você nem precisa abrir o miniforno para controlá-lo!

Etapa 2: configuração do hardware

Conceitos de controle

Na verdade, o conceito é bastante simples: em última análise, nosso objetivo é controlar a temperatura dentro do miniforno. Para fazer isso, precisamos controlar o miniforno ligado e desligado periodicamente com o módulo de relé, análogo ao PWM, mas uma versão bem lenta dele (cada janela de tempo é de 2s, então ele pode ficar ligado por 1,5s e desligado por 0,5s). Para acionar o relé, precisamos fornecer a ele uma tensão adequada nos pinos de controle do relé (lógica HIGH = ON, LOW = OFF). Em nosso caso, simplesmente conectamos as duas entradas de controle do relé ao terminal de parafuso do relé do Reflowduino32. O motivo pelo qual não estamos conectando diretamente os pinos digitais ESP32 ao relé é porque o relé puxa uma boa quantidade de corrente (em comparação com o que os pinos IO podem suportar) e não queremos sobrecarregar o ESP32. O Reflowduino32 inclui MOSFET low-side switching e pode lidar com mais de 200mA de corrente, poupando assim os pinos do ESP32 de qualquer dano potencial.

Basicamente, basta seguir o diagrama de fiação "Reflowduino32 + Sidekick Control" acima e você estará pronto para prosseguir!

Maçanetas de torradeira

Acredite ou não, esta é uma seção crucial neste tutorial! Se você não prestar atenção aqui, ficará se perguntando por que sua torradeira não está ligando, mesmo que você tenha seguido todo o resto perfeitamente. Porque? Bem, para que possamos controlar a torradeira externamente (através do seu cabo de alimentação) sem abri-la, temos que fazer a torradeira como se ela estivesse sempre ligada se a conectássemos diretamente na parede. Como a torradeira é ligada pelo relé, podemos controlar quando a torradeira está desligada, mas se a torradeira às vezes estiver ligada ou desligada quando o relé estiver ativo, estaremos nos preparando para uma falha. É por isso que a primeira coisa que devemos fazer é ajustar os botões da torradeira. A maioria dos fornos torradeira tem três botões: um para a temperatura, um para a configuração de assar e outro para o cronômetro. O que você precisa fazer é o seguinte:

• Maximize a temperatura (não queremos que nosso processo de refluxo pare no meio do caminho!)
• Defina a opção de cozimento para "Assar" ou o que quer que faça todos os filamentos de aquecimento ligarem por dentro!
• Maximize o cronômetro ou, no caso da minha torradeira, gire o botão do cronômetro para "Permanecer ligado" para que ele nunca desligue!

Depois de fazer isso, conecte o cabo de alimentação da torradeira a uma tomada e você deverá ouvir e ver como ele liga. Bingo! Se, no caso de você temer, acidentalmente, perderá os botões, fique à vontade para colá-los com cola quente no lugar para que nunca se movam!

Agora que nossa torradeira está sempre ligada quando ligada, podemos ligá-la ou desligá-la com o relé, com a tranquilidade de que ela realmente ligará quando o relé estiver ativo.

Notas de fiação

Aqui estão apenas algumas notas que podem ou não ajudá-lo na hora de colocar tudo junto:

• A primeira coisa que você quer fazer é conectar a mochila Reflowduino32 nos primeiros seis pinos da placa de dev DOIT ESP32 (de forma que os terminais de parafuso fiquem do mesmo lado que o micro USB na placa de dev). Caso você esteja se perguntando, a mochila foi projetada para que você ainda possa inserir fios Dupont na placa de desenvolvimento ESP32 adjacente ao Reflowduino32, conforme mostrado na imagem acima.
• Outra coisa a se observar é a polaridade das entradas do relé. Ambos estão identificados ao lado dos terminais de parafuso, mas quero evitar que você os troque acidentalmente e se pergunte o que está acontecendo quando a torradeira não liga!
• Você também precisa conectar o termopar no terminal de parafuso na mochila Reflowduino32. No início, pode ser difícil ver qual fio é de qual cor (amarelo ou vermelho), então você pode ter que usar a unha e descascar levemente o isolamento. No entanto, não faça isso com força para minimizar o desgaste!
• Eu li de algumas pessoas que você pode obter resultados mais precisos se enroscar o termopar em uma placa de circuito impresso de forma que a ponta entre em contato com a superfície da placa de circuito impresso. Uma placa de sucata de tamanho semelhante às placas que você está montando dará ao termopar uma massa térmica comparável e, portanto, tornará as leituras mais precisas. Isso faz sentido se você pensar em esfriar; sem o PCB de sucata, a ponta do termopar esfriará muito mais rápido do que os PCBs que você está montando, e o mesmo acontece com o aquecimento muito mais rápido.
• Há um botão liga / desliga no módulo de relé Sidekick. Se não estiver ligado, a torradeira não vai esquentar! No entanto, por enquanto, deixe-o desativado antes de enviarmos o código para a placa ESP32.

Etapa 3: configuração do IDE do Arduino ESP32

Agora que você tem todo o hardware configurado, vamos dar uma olhada no software necessário para colocar tudo em funcionamento.

Nota: Estas instruções de instalação do ESP32 Arduino abaixo vêm direto da Etapa 2 do meu tutorial anterior do ESP32 Bluetooth. Este é um daqueles lugares onde, se ainda não o fez, pode ser uma boa ideia verificar o tutorial para aprender mais sobre os recursos Bluetooth do ESP32.

Isso é bastante óbvio, mas a primeira coisa que você precisa fazer é instalar o Arduino IDE. Disse o suficiente.

Instalação do pacote ESP32

A próxima coisa que você precisa fazer é instalar o pacote ESP32 para Arduino IDE seguindo as instruções do Windows ou do Mac. Direi que para o Windows, quando as instruções dizem para você abrir o "Git GUI", você deve baixar e configurar o "Git" do link fornecido e se tiver dificuldade em encontrar um aplicativo chamado "Git GUI", então tudo o que você precisa a fazer é pesquisar "Git GUI" no menu iniciar e você verá um pequeno ícone semelhante a um prompt de comando (veja a captura de tela anexada acima). Ele também está localizado em "C: / Arquivos de programas / Git / cmd / git-gui.exe" por padrão. A partir daí, siga as instruções e você estará pronto para começar! Nota: Se você já tem o pacote ESP32 instalado no Arduino IDE, mas não o obteve depois que o suporte BLE foi adicionado ao pacote, eu recomendo ir para "Documentos / hardware / espressif" e excluir a pasta "esp32" e refazendo as instruções de configuração acima. Estou dizendo isso porque encontrei um problema em que, mesmo depois de seguir o procedimento de atualização na parte inferior das instruções, os exemplos de BLE não apareciam em "Exemplos" em "Exemplos para ESP32 Dev Module" no Arduino IDE.

Teste ESP32

No IDE do Arduino, a primeira coisa que você deve fazer é acessar Ferramentas / Placa e selecionar a placa apropriada. Geralmente não importa qual você escolhe, mas algumas coisas podem ser específicas da placa (normalmente a numeração GPIO e coisas assim), então fique atento! Eu escolhi "ESP32 Dev Module" para minha placa. Vá em frente e escolha a porta COM correta após conectar a placa ao computador através do cabo USB.

Para verificar se a instalação do ESP32 correu bem, vá para Arquivo / Exemplos / ESP32 BLE Arduino e você verá vários esboços de exemplo, como "BLE_scan", "BLE_notify", etc. Isso significa que tudo está configurado corretamente no Arduino IDE!

Agora que o IDE do Arduino está todo configurado, teste se está realmente funcionando abrindo o exemplo Blink em Arquivo -> Exemplos -> 01. Basics -> Blink e altere todas as instâncias de "LED_BUILTIN" para "2" (o número GPIO padrão que controla o LED na placa de desenvolvimento DOIT ESP32). Depois de enviar o esboço, você deverá ver o LED azul piscando a cada segundo!

Etapa 4: Reflowduino32 Demo Sketch

Configuração da biblioteca

Agora que você tem o pacote ESP32 Arduino instalado, vá para o repositório Reflowduino Github e baixe o esboço Reflowduino_ESP32_Demo.ino. (Ao tentar abri-lo, o Arduino perguntará se você deseja criar uma pasta de contenção com o mesmo nome do esboço; nesse caso, clique em "Sim" para abri-lo). Este esboço é uma demonstração abrangente do forno de refluxo que lê a temperatura do termopar, envia periodicamente essas leituras para um aplicativo Android personalizado (mencionado na próxima seção), controla o relé (e, finalmente, a torradeira) de acordo com o controle PID e recebe comandos do aplicativo. Tudo isso no ESP32! Muito legal hein?

Agora, para compilar este esboço, você precisará das seguintes bibliotecas:

• Biblioteca Adafruit MAX31855
• Biblioteca Arduino PID

Instale essas bibliotecas e verifique se o esboço do Reflowduino32 compila e, em seguida, carregue-o na placa de desenvolvimento ESP32!

Configurações de refluxo

Perto da parte superior do código, há várias linhas #define. Essas são coisas que você pode alterar de acordo com suas necessidades. Por exemplo, você pode querer que a temperatura de refluxo seja mais baixa se tiver pasta de solda de baixa temperatura ou mais alta se tiver pasta de solda com chumbo. Você notará que incluí alguns valores típicos para o perfil de refluxo e o padrão deve funcionar bem com pasta de solda sem chumbo para baixa temperatura. Você também pode querer ajustar as constantes PID mais tarde, dependendo de sua configuração física (embora isso provavelmente não seja necessário). Para obter mais informações sobre pasta de solda e perfis de refluxo, consulte esta página wiki do Github.

Etapa 5: configuração do aplicativo

Depois de fazer o upload do esboço de demonstração para o ESP32, você precisará instalar o aplicativo Reflowduino32 para Android como a última etapa para fazer nossa configuração funcionar! Basta baixar e instalar o arquivo.apk em um dispositivo Android com Bluetooth 4.0 ou superior e abrir o aplicativo!

Se o Bluetooth ainda não estiver ativado, o aplicativo solicitará que você o ligue. Certifique-se de que sua placa de desenvolvimento ESP32 esteja ligada e executando o esboço de demonstração. A primeira coisa que você precisa fazer é conectar-se ao ESP32 via Bluetooth no aplicativo e, logo após o botão no canto superior esquerdo dizer "Conectado!" você deve ver as leituras de temperatura aparecerem na tela se você conectou o par corretamente. Caso contrário, verifique o termopar e certifique-se de ter uma conexão segura no terminal de parafuso.

Agora é hora de testar a diversão! Coloque a chave na posição "ligado" no módulo Sidekick e pressione o botão "INICIAR" no aplicativo. A luz do miniforno deve acender e você deve ouvir os filamentos fazerem um barulho fraco e, eventualmente, vê-los brilhar à medida que aquecem! Você também deve ver o LED azul na placa de dev ESP32 acender para indicar que o processo de refluxo está em andamento.

Conforme o processo de refluxo continua, você deve ver um bom perfil de refluxo sendo representado graficamente no aplicativo. Quando a temperatura atingir a temperatura de refluxo, uma boa prática é abrir a porta do miniforno para deixar o calor escapar para que a placa possa esfriar, caso contrário, a temperatura aumentará por mais algum tempo. Na placa Reflowduino clássica há uma campainha para alertá-lo quando fazer isso, mas aqui você só terá que julgar de acordo com a temperatura exibida no aplicativo, o que não é difícil.

Depois que a placa esfriar até um certo limite (40 * C por padrão, mas você pode alterar isso no código), o processo de refluxo será considerado concluído e o LED azul desligará e o aplicativo salvará os dados de refluxo em um arquivo seu telefone para que você possa importá-lo para o Excel. Para obter mais informações sobre como importar os dados salvos para o Excel, consulte esta página wiki do Github.

É basicamente isso!