Fechando o loop na soldagem de montagem em superfície: 4 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:41

A temperatura parece a coisa mais fácil de controlar do mundo. Ligue o fogão e ajuste a temperatura desejada. Ligue o forno pela manhã e ajuste o termostato. Ajuste a água quente e fria para deixar o banho na medida certa. Fácil! Mas e se você quiser controlar a temperatura além dessas aplicações diárias? Se você deseja temperaturas fora dos intervalos normais, ou deseja uma temperatura estável dentro de um intervalo estreito, você está mais por conta própria.

No meu caso, eu queria controlar a temperatura de uma placa quente usada para soldagem de montagem em superfície. Inicialmente, usei a modulação de largura de pulso para fornecer temperaturas estáveis e configurações determinadas experimentalmente para criar o perfil de temperatura necessário. Você pode ler tudo sobre isso neste Instructable. Este sistema funciona e o controle de temperatura dessa maneira está muito bom, mas tem deficiências.

Deficiências:

• Funciona apenas para minha placa quente específica. Outros são semelhantes, mas não idênticos, e os experimentos são necessários para determinar as configurações e os tempos necessários para produzir o perfil requerido.
• Mesma situação se eu quiser um perfil ou temperatura diferente.
• O processo de soldagem leva muito tempo, pois as temperaturas estáveis devem ser aproximadas lentamente.

Idealmente, poderíamos apenas especificar um perfil de temperatura-tempo, pressionar um botão e o controlador faria com que a placa quente funcionasse conforme programado. Sabemos que isso é possível porque existem muitos processos industriais que usam exatamente esse tipo de controle. A questão é: isso pode ser feito de maneira fácil e econômica em casa?

Como você deve ter adivinhado, já que estou escrevendo este Instructable, a resposta é sim! Este Instructable mostrará como construir seu próprio controlador de temperatura de força industrial. Vou ter como alvo particular a soldagem de montagem em superfície, mas qualquer processo que exija um perfil preciso de tempo e temperatura pode usar este sistema.

Nota: Quando eu uso o nome “Arduino”, quero dizer não apenas o (não exatamente) Arduino com direitos autorais em si, mas também as muitas versões de domínio público conhecidas coletivamente como “Freeduino”. Em alguns casos, uso o termo “Ard / Free-duino”, mas os termos devem ser considerados intercambiáveis para os fins deste Instrutível.

O esquema de controle de temperatura usado no Extreme Surface Mount Soldering Instructable é conhecido como controle de malha aberta. Ou seja, espera-se que um valor que produziu a temperatura desejada no passado produza a mesma temperatura quando usado novamente. Freqüentemente, isso é verdade e produz o resultado desejado. Mas se as condições forem ligeiramente diferentes, digamos que a garagem onde estamos trabalhando seja muito mais fria ou mais quente, então você pode não obter o resultado esperado.

Se tivermos um sensor que pode ler a temperatura e reportá-la a um controlador, então temos o controle de malha fechada. O controlador é capaz de definir um valor inicial para aumentar a temperatura, observar a temperatura com o passar do tempo e ajustar a configuração para aumentar ou diminuir a temperatura até que a temperatura desejada seja atingida.

Nossa abordagem será substituir o controlador PWM baseado em AVRTiny2313 por um controlador mais poderoso baseado em ATMega. A programação será feita no ambiente Arduino. Usaremos um pc (Linux-Mac-Windows) executando o Processing para exibir os resultados e ajustar o controlador.

Para o sensor, usaremos um sensor de temperatura infravermelho da Harbor Freight. O sensor IR será modificado para emitir a temperatura como um fluxo de dados serial que o controlador pode ler. Usaremos um Ard / Free-duino como controlador, com um PC (Mac - Linux - Windows) para entrada para o controlador. Quando terminarmos, o sistema se parecerá com a imagem. (No entanto, você pode ter menos circuitos externos em sua placa de ensaio. Tudo bem.)

Etapa 1: Modificando o Sensor IR

Muito obrigado ao meu amigo inteligente, Scott Dixon, por seu cuidadoso trabalho de detetive em descobrir como esse instrumento funciona e como torná-lo útil em geral com um controlador, expondo sua interface serial.

O dispositivo com o qual começaremos é Harbor Freight Part Number: 93984-5VGA. Custa cerca de $ 25. Não se preocupe em comprar a garantia.:)} Aqui está o link. As Figuras 1 e 2 mostram as vistas frontal e traseira. As setas na Figura 2 indicam onde estão os parafusos que prendem a caixa. A Figura 3 mostra o interior do gabinete quando os parafusos são removidos e o gabinete é aberto. O módulo apontador laser provavelmente pode ser removido e usado para outros projetos, embora eu não tenha feito isso ainda. As setas apontam para os parafusos a serem removidos se você quiser retirar a placa para soldá-la (parafusos removidos nesta foto). Também é indicada a área onde deve ser feito um corte para a saída da fiação do gabinete. Veja também a Figura 5. Faça o corte enquanto a placa é removida ou pelo menos antes de soldar os fios. É mais fácil assim.;)} A Figura 4 mostra onde os fios serão soldados. Observe a letra de cada conexão para que você saiba qual é o fio quando fechar o gabinete. A Figura 5 mostra os fios soldados no lugar e encaminhados através do corte. Agora você pode montar a caixa novamente e o instrumento deve operar como antes da operação. Observe o conector nos fios. Eu uso fios mais longos para me conectar ao meu controlador. Se você usar um fio pequeno, um conector pequeno, e manter os fios curtos, você pode enfiar tudo de volta na caixa, se desejar, e o instrumento parecerá inalterado. Scott também criou o software para fazer a interface deste dispositivo. Ele usou este documento se você quiser os detalhes. É isso! Agora você tem um sensor de temperatura IR que funcionará de -33 a 250 C.

Etapa 2: Software para Controle

Por mais útil que seja, o sensor de temperatura infravermelho é apenas parte do sistema. Para controlar a temperatura, três itens são necessários: uma fonte de calor, um sensor de temperatura e um controlador que pode ler o sensor e comandar a fonte de calor. No nosso caso, a placa quente é a fonte de calor, o sensor de temperatura IV (conforme modificado na última etapa) é o nosso sensor e um Ard / Free-duino executando o software apropriado é o controlador. Todo o software para este Instructable pode ser baixado como um pacote Arduino e como um pacote de processamento.

Baixe o arquivo IR_PID_Ard.zip. Descompacte-o em seu diretório Arduino (geralmente Meus Documentos / Arduino). Baixe o arquivo PID_Plotter.zip. Descompacte-o em seu diretório de processamento (geralmente Meus Documentos / Processamento). Os arquivos agora estarão disponíveis nos cadernos de desenho apropriados.

O software que usaremos foi originalmente escrito por Tim Hirzel. Ele é modificado adicionando-se a interface ao sensor IR (fornecido por Scott Dixon). O software implementa um algoritmo de controle conhecido como algoritmo PID. PID significa Proporcional - Integral - Derivativo e é o algoritmo padrão usado para controle de temperatura industrial. Esse algoritmo é descrito em um excelente artigo de Tim Wescott no qual Tim Hirzel baseou seu software. Leia o artigo aqui.

Para ajustar o algoritmo (leia sobre isso no artigo mencionado) e para alterar as configurações de temperatura alvo, usaremos um esboço de processamento, também desenvolvido por Tim Hirzel. Ele foi desenvolvido para torrar grãos de café (outra aplicação de controle de temperatura) e era chamado de Bare Bones Coffee Controller, ou BBCC. Deixando o nome de lado, ele funciona muito bem para soldagem de montagem em superfície. Você pode baixar a versão original aqui.

Modificando o software

A seguir, presumo que você esteja familiarizado com o Arduino e o Processing. Se não estiver, siga os tutoriais até que as coisas comecem a fazer sentido. Certifique-se de postar comentários neste Instructable e tentarei ajudar.

O controlador PID deve ser modificado para seu Arduino / Freeduino. A linha do relógio do sensor IR deve ser conectada a um pino de interrupção. Em um Arduino, pode ser 1 ou 0. Em Freeduinos de vários tipos, você pode usar qualquer interrupção disponível. Conecte a linha de dados do sensor a outro pino próximo (como D0 ou D1 ou outro pino de sua escolha). A linha de controle para a placa quente pode vir de qualquer pino digital. No meu clone Freeduino particular (descreva aqui), usei D1 e a interrupção associada (1) para relógio, D0 para dados e B4 para a linha de controle para a placa quente.

Depois de baixar o software, inicie o ambiente Arduino e abra o IR_PID no item de menu Arquivo / Sketchbook. Na guia pwm, você pode definir HEAT_RELAY_PIN conforme apropriado para sua variante Arduino ou Freeduino. Na guia temporária, faça a mesma coisa para IR_CLK PIN, IR_DATA PIN e IR_INT. Você deve estar pronto para compilar e fazer o download.

Da mesma forma, inicie seu ambiente de processamento e abra o esboço PID_Plotter. Ajuste o BAUDRATE para o valor correto e certifique-se de definir o índice usado em Serial.list () [1] para o valor correto para o seu sistema (minha porta é o índice 1).

Etapa 3: conectando tudo

O sistema de controle AC da placa quente é detalhado no Extreme Surface Mount Soldering Instructable já mencionado, ou você pode comprar seu próprio SSR (relé de estado sólido). Certifique-se de que ele pode suportar a carga da placa quente com margem suficiente, digamos uma classificação de 20 a 40 watts, já que os testes feitos pelos chineses podem deixar algo a desejar. Se você usar o controlador AC da placa quente do meu Instructable, execute um jumper do resistor na entrada de controle para o aterramento no Ard / Free-duino e um jumper da saída de controle (B4, ou o que você escolher) para o sinal de controle Entrada. Veja a foto do controlador. O jumper amarelo é a entrada de sinal de controle e o jumper verde vai para o aterramento. Eu gosto de usar uma luz intermitente (conduzida com um resistor para aterramento) no pino de saída para saber quando está ligada. Conecte seu jumper entre o led e a porta conforme mostrado. Consulte o Diagrama de conexão Teensy ++.

Agora monte um suporte para segurar o sensor de temperatura IR sobre a placa quente. A imagem mostra o que fiz. Simples, mas robusto, é a regra. Mantenha qualquer coisa inflamável bem longe da placa quente; o sensor é de plástico e parece estar apenas 3 polegadas acima da superfície da placa. Passe os fios do conector em seu sensor aos pinos apropriados em seu Ard / Free-duino. As conexões para o sensor IR são mostradas no Diagrama de Conexão Teensy ++. Adapte-os conforme necessário para o seu Ard / Free-duino.

Observação de segurança importante: O sensor de infravermelho possui um ponteiro de led que ajuda a apontá-lo. Se você tem gatos como o meu, eles adoram perseguir o ponteiro de led. Portanto, cubra o led com uma fita opaca para evitar que seus gatos pulem na chapa quente quando você o estiver usando.

Antes de conectar o controlador AC da placa de aquecimento a 120 V, veja como testar o sistema e definir os valores iniciais de temperatura. Eu sugiro uma temperatura alvo de 20 C para que o aquecimento não comece imediatamente. Esses valores serão armazenados na EEPROM e usados na próxima vez, portanto, certifique-se de sempre armazenar um valor baixo como a temperatura alvo quando terminar a sessão de solda. Acho uma boa ideia iniciar o controlador de temperatura com a placa quente desconectada primeiro. Certifique-se de que tudo esteja funcionando antes de conectá-lo.

Conecte sua porta serial ao Arduino e ligue-o. Compile o esboço do Arduino e faça o download. Inicie o esboço de processamento para interagir com o controlador e exibir os resultados. Ocasionalmente, o esboço do Arduino não sincroniza com o esboço de processamento. Quando isso acontecer, você verá a mensagem “Sem atualização” na janela do console do esboço de processamento. Simplesmente pare e reinicie o esboço de processamento e tudo estará bem. Caso contrário, dê uma olhada na seção Solução de problemas abaixo.

Aqui estão os comandos para o controlador. “Delta” é a quantidade que um parâmetro mudará quando comandado. Primeiro defina o valor de delta que você deseja usar. Em seguida, ajuste o parâmetro desejado usando esse delta. Por exemplo, use + e - para fazer o delta 10. Em seguida, use T ("T" maiúsculo) para aumentar a configuração da temperatura alvo em 10 graus C, ou t ("t" minúsculo) para diminuir a temperatura alvo em 10 graus. Comandos:

+/-: ajuste delta por um fator de dez P / p: ajuste para cima / para baixo o ganho p por delta I / i: ajuste para cima / para baixo ajuste o ganho i por delta D / d: ajuste para cima / baixo ajuste d ganho por delta T / t: para cima / para baixo ajustar a temperatura definida por delta h: ativar e desativar a tela de ajuda R: redefinir os valores - faça isso na primeira vez que executar o controlador

Depois de obter as atualizações de temperatura, a janela gráfica do esboço deve ser semelhante à imagem. Se você tiver uma grande área cinza imposta na tela com alguns comandos descritos, simplesmente digite “h” para apagá-la. Ao iniciar pela primeira vez, você pode ser solicitado a redefinir os valores iniciais. Vá em frente e faça isso. Os valores no canto superior direito são as leituras e configurações atuais. “Objetivo” é a temperatura alvo atual e é alterado pelo comando “t” conforme descrito acima. “Curr” é a leitura de temperatura atual do sensor. “P”, “I” e “D” são os parâmetros do algoritmo de controle PID. Use os comandos “p”, “i” e “d” para alterá-los. Vou discuti-los em um momento. “Pow” é o comando de energia do controlador PID para a placa quente. É um valor entre 0 (sempre desativado) e 1000 (sempre ativado).

Se você colocar a mão sob o sensor, deverá ver a leitura da temperatura (Curr) aumentar. Se aumentar agora a temperatura alvo, você verá o valor da potência (Pow) aumentar e o led de saída piscará. Aumente a temperatura alvo e o led de saída ficará aceso por mais tempo. Quando a placa quente está conectada e operando, aumentar a temperatura alvo fará com que a placa quente ligue. À medida que a temperatura atual se aproxima da temperatura alvo, o tempo de ativação diminuirá para que a temperatura alvo seja aproximada com um mínimo de sobreaquecimento. Então, a hora certa será apenas o suficiente para manter a temperatura desejada.

Veja como definir os parâmetros do algoritmo PID. Você pode começar com os valores que uso. P de 40, I de 0,1 e D de 100. Meu sistema fará uma etapa de 50 ° C em cerca de 30 segundos com um overshoot de menos de 5 graus. Se o desempenho do seu sistema for significativamente diferente, você desejará ajustá-lo. O ajuste de um controlador PID pode ser complicado, mas o artigo mencionado acima explica como fazer isso de maneira muito eficaz.

Agora é hora da coisa real. Conecte a placa de aquecimento no controlador AC da placa de aquecimento conforme descrito em Solda de montagem em superfície extrema. Certifique-se de ler todos os avisos aqui também. Posicione o sensor de temperatura de forma que fique cerca de 3 polegadas acima da placa quente e apontando diretamente para ele. Energize seu Ard / Free-duino. Certifique-se de que todas as conexões estejam corretas e que o software (o controlador PID e o programa de monitoramento) esteja funcionando corretamente. Comece com a temperatura alvo definida para 20 C. Em seguida, aumente a temperatura alvo para 40 C. A placa quente deve ser ligada e a temperatura deve aumentar suavemente para 40C +/- 2 C. Agora você pode tentar aumentar a temperatura enquanto observa o desempenho do seu sistema. Você notará que leva muito mais tempo para o prato esfriar do que para aquecê-lo.

Solução de problemas

Se o esboço de processamento não for executado ou não atualizar a temperatura, pare o esboço de processamento e inicie um terminal serial (hiperterminal no Windows, por exemplo). Toque na barra de espaço e clique em voltar. O Arduino deve responder com a leitura da temperatura atual. Ajuste as configurações de taxa de transmissão, etc. até obter a resposta desejada. Assim que funcionar, o esboço de processamento deve ser executado. Se ainda tiver problemas, certifique-se de que as atribuições dos pinos estejam de acordo com a fiação física e de que você conectou a alimentação e o aterramento aos pinos apropriados do sensor de temperatura.

Etapa 4: soldagem de montagem em superfície

Usar o sistema de controle de temperatura descrito neste Instructable melhora a soldagem de montagem de superfície extrema de duas maneiras. Primeiro, o controle de temperatura é mais preciso e significativamente mais rápido. Então, em vez de ter uma rampa lenta de cerca de 120C a 180C em 6 minutos ou mais, podemos ir rapidamente para 180C, manter por 2 ½ a 3 minutos e ir rapidamente para 220C a 240C por cerca de um minuto. Ainda temos que observar o ponto em que a solda flui e desligar a energia, ou apenas diminuir rapidamente a temperatura desejada. Como a temperatura desce muito lentamente, geralmente retiro meus circuitos da placa quente assim que a temperatura esfria abaixo de 210 ° C. Coloque-os em um pedaço de papelão ou madeira, não de metal. O metal pode fazer com que esfriem muito rapidamente. Observe também que pode ser necessário aumentar a temperatura alvo acima de 250 ° C (o máximo que o sensor irá ler) para que a placa fique quente o suficiente em certas áreas. A placa não atingirá uma única temperatura em toda a superfície, mas será mais fria em certas áreas do que em outras. Você aprenderá isso experimentando.

A segunda área de melhoria é a redução do tempo entre os ciclos de soldagem. Com o sistema de malha aberta, tive que esperar a placa quente esfriar até a temperatura ambiente (cerca de 20 ° C) para iniciar um novo ciclo de soldagem. Se eu não fizesse isso, o ciclo de temperatura não estaria correto (mudança das condições iniciais). Agora só preciso esperar por uma temperatura estável em torno de 100 ° C e posso iniciar um novo ciclo.

O ciclo de temperatura que uso agora está implícito acima, mas aqui está exatamente. Comece a 100 ° C. Coloque suas placas na chapa quente por dois a três minutos para aquecer - mais tempo com componentes grandes. Defina a temperatura desejada para 180 ° C. Essa temperatura é atingida em menos de um minuto. Segure aqui por 2 minutos e meio. Defina sua meta para 250C. Assim que toda a solda fluir, diminua a temperatura alvo para cerca de 100 ° C. A temperatura do seu prato permanecerá alta. Assim que diminuir para 210 ° C, ou o tempo de 1 minuto passar, deslize suas placas da placa quente para uma plataforma de resfriamento de perfboard ou madeira. A solda está feita.

Se você deseja usar um perfil de temperatura diferente, não deverá ter problemas para obtê-lo com este sistema de controle.

Você pode experimentar a posição do sensor de temperatura acima de sua placa quente. Descobri que nem todas as áreas da placa quente atingem a mesma temperatura ao mesmo tempo. Portanto, dependendo de onde você posiciona o sensor, o tempo e a temperatura reais necessários para fazer o fluxo da solda podem variar. Depois de elaborar uma receita, use o mesmo posicionamento do sensor para resultados repetíveis.

Boa solda!