Menutup Loop pada Surface Mount Soldering: 4 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:59

Suhu sepertinya hal yang paling mudah di dunia untuk dikendalikan. Nyalakan kompor dan atur suhu yang diinginkan. Nyalakan tungku di pagi hari dan atur termostat. Sesuaikan air panas dan dingin untuk membuat pancuran tepat. Mudah! Tetapi bagaimana jika Anda ingin mengontrol suhu di luar aplikasi sehari-hari ini? Jika Anda ingin suhu di luar kisaran normal, atau ingin suhu stabil dalam kisaran sempit, Anda bisa melakukannya sendiri.

Dalam kasus saya, saya ingin mengontrol suhu pelat panas yang digunakan untuk penyolderan pemasangan permukaan. Awalnya, saya menggunakan modulasi lebar pulsa untuk memberikan suhu yang stabil dan pengaturan yang ditentukan secara eksperimental untuk membuat profil suhu yang diperlukan. Anda dapat membaca semua tentang itu di Instructable ini. Sistem ini bekerja dan kontrol suhu dengan cara ini semuanya baik dan baik, tetapi memiliki kekurangan.

Kekurangan:

• Bekerja hanya untuk hot plate khusus saya. Lainnya serupa, tetapi tidak identik dan eksperimen diperlukan untuk menentukan pengaturan dan waktu yang diperlukan untuk menghasilkan profil yang diminta.
• Situasi yang sama jika saya menginginkan profil atau suhu yang berbeda.
• Proses penyolderan memakan waktu lama karena suhu stabil harus didekati secara perlahan.

Idealnya, kita cukup menentukan profil suhu-waktu, menekan tombol, dan pengontrol akan menyebabkan pelat panas bekerja seperti yang diprogram. Kami tahu ini mungkin karena ada banyak proses industri yang menggunakan kontrol semacam ini. Pertanyaannya adalah apakah ini bisa dilakukan dengan mudah dan murah di rumah?

Seperti yang mungkin sudah Anda duga, sejak saya menulis Instruksi ini, jawabannya adalah ya! Instruksi ini akan menunjukkan kepada Anda cara membuat pengontrol suhu kekuatan industri Anda sendiri. Saya akan secara khusus menargetkan penyolderan pemasangan permukaan, tetapi proses apa pun yang membutuhkan profil suhu waktu yang tepat dapat menggunakan sistem ini.

Catatan: Ketika saya menggunakan nama “Arduino” yang saya maksud bukan hanya Arduino yang (tidak sepenuhnya) memiliki hak cipta, tetapi juga banyak versi domain publik yang secara kolektif dikenal sebagai “Freeduino”. Dalam beberapa kasus saya menggunakan istilah "Ard/Free-duino", tetapi istilah tersebut harus dianggap dapat dipertukarkan untuk tujuan Instruksi ini.

Skema kontrol suhu yang digunakan dalam Extreme Surface Mount Soldering Instructable dikenal sebagai kontrol loop terbuka. Artinya, nilai yang telah menghasilkan suhu yang diinginkan di masa lalu diharapkan menghasilkan suhu yang sama saat digunakan kembali. Seringkali ini benar dan menghasilkan hasil yang diinginkan. Tetapi jika kondisinya sedikit berbeda, katakanlah garasi tempat kita bekerja jauh lebih dingin atau lebih hangat, maka Anda mungkin tidak mendapatkan hasil yang diharapkan.

Jika kita memiliki sensor yang dapat membaca suhu dan melaporkannya kembali ke pengontrol, maka kita memiliki kontrol loop tertutup. Kontroler dapat mengatur nilai awal untuk menaikkan suhu, melihat suhu seiring berjalannya waktu, dan menyesuaikan pengaturan untuk membuat suhu naik atau turun hingga suhu yang diinginkan tercapai.

Pendekatan kami adalah mengganti pengontrol PWM berbasis AVRTiny2313 dengan pengontrol berbasis ATMega yang lebih kuat. Pemrograman akan dilakukan di lingkungan Arduino. Kami akan menggunakan pc (Linux-Mac-Windows) yang menjalankan Processing untuk menampilkan hasil dan menyesuaikan pengontrol.

Untuk sensornya, kami akan menggunakan Sensor Suhu Inframerah dari Harbour Freight. Sensor IR akan dimodifikasi untuk mengeluarkan suhu sebagai aliran data serial yang dapat dibaca oleh pengontrol. Kami akan menggunakan Ard/Free-duino sebagai pengontrol, dengan PC (Mac – Linux – Windows) untuk input ke pengontrol. Ketika kita semua selesai, sistem akan terlihat seperti gambar. (Namun, Anda mungkin memiliki lebih sedikit sirkuit asing di papan tempat memotong roti Anda. Tidak apa-apa.)

Langkah 1: Memodifikasi Sensor IR

Banyak terima kasih kepada teman pintar saya, Scott Dixon, atas kerja detektifnya yang cermat dalam mencari tahu cara kerja instrumen ini dan cara membuatnya berguna secara umum dengan pengontrol dengan memaparkan antarmuka serialnya.

Perangkat yang akan kita mulai adalah Harbour Freight Part Number: 93984-5VGA. Biaya sekitar $25. Jangan repot-repot membeli garansi.:)} Ini linknya. Gambar 1 dan 2 menunjukkan Tampak Depan dan Belakang. Panah pada Gambar 2 menunjukkan di mana sekrup yang menahan kasing. Gambar 3 menunjukkan bagian dalam casing saat sekrup dilepas dan casing dibuka. Modul penunjuk laser mungkin dapat dihapus dan digunakan untuk proyek lain, meskipun saya belum melakukannya. Panah menunjuk ke sekrup untuk dilepas jika Anda ingin mengeluarkan papan untuk menyoldernya (sekrup dilepas dalam gambar ini). Juga ditunjukkan adalah area di mana potongan harus dibuat untuk kabel Anda untuk keluar dari kasing. Lihat juga Gambar 5. Buat potongan saat papan dilepas, atau setidaknya sebelum Anda menyolder kabel. Lebih mudah seperti itu.;)} Gambar 4 menunjukkan di mana kabel akan disolder. Catat huruf dari setiap sambungan sehingga Anda akan tahu kabel mana saat Anda menutup casing. Gambar 5 menunjukkan kabel yang disolder di tempatnya dan dirutekan melalui potongan. Sekarang Anda dapat memasang kembali casing dan instrumen akan beroperasi seperti sebelum Anda beroperasi. Perhatikan konektor pada kabel. Saya menggunakan kabel yang lebih panjang untuk benar-benar terhubung ke pengontrol saya. Jika Anda menggunakan kabel kecil, konektor kecil, dan menjaga kabel tetap pendek, Anda dapat memasukkan semuanya kembali ke dalam casing jika diinginkan dan instrumen terlihat tidak dimodifikasi. Scott juga telah menciptakan perangkat lunak untuk menghubungkan perangkat ini. Dia menggunakan dokumen ini jika Anda menginginkan detailnya. Itu dia! Anda sekarang memiliki sensor suhu IR yang akan bekerja dari -33 hingga 250 C.

Langkah 2: Perangkat Lunak untuk Kontrol

Berguna seperti itu, sensor suhu IR hanya bagian dari sistem. Untuk mengontrol suhu, diperlukan tiga item: sumber panas, sensor suhu, dan pengontrol yang dapat membaca sensor dan memerintahkan sumber panas. Dalam kasus kami, hot plate adalah sumber panas, sensor suhu IR (sebagaimana dimodifikasi pada langkah terakhir) adalah sensor kami, dan perangkat lunak yang sesuai yang menjalankan Ard/Free-duino adalah pengontrolnya. Semua perangkat lunak untuk Instruksi ini dapat diunduh sebagai paket Arduino dan sebagai paket Pemrosesan.

Unduh file IR_PID_Ard.zip. Buka zip di direktori Arduino Anda (biasanya My Documents/Arduino). Unduh file PID_Plotter.zip. Buka zip di direktori Pemrosesan Anda (biasanya Dokumen Saya/Pemrosesan). File sekarang akan tersedia di buku sketsa yang sesuai.

Perangkat lunak yang akan kami gunakan awalnya ditulis oleh Tim Hirzel. Ini dimodifikasi dengan menambahkan antarmuka ke sensor IR (disediakan oleh Scott Dixon). Perangkat lunak mengimplementasikan algoritma kontrol yang dikenal sebagai algoritma PID. PID adalah singkatan dari Proportional – Integral – Derivative dan merupakan algoritma standar yang digunakan untuk kontrol suhu industri. Algoritme ini dijelaskan dalam artikel luar biasa oleh Tim Wescott di mana Tim Hirzel mendasarkan perangkat lunaknya. Baca artikelnya di sini.

Untuk menyetel algoritme (baca tentang ini di artikel yang disebutkan) dan untuk mengubah pengaturan suhu target, kami akan menggunakan sketsa Pemrosesan, yang juga dikembangkan oleh Tim Hirzel. Ini dikembangkan untuk memanggang biji kopi (aplikasi lain dari kontrol suhu), dan disebut Bare Bones Coffee Controller, atau BBCC. Selain nama, ini berfungsi baik untuk penyolderan pemasangan permukaan. Anda dapat mengunduh versi aslinya di sini.

Memodifikasi perangkat lunak

Berikut ini, saya berasumsi bahwa Anda sudah familiar dengan Arduino dan Processing. Jika tidak, maka Anda harus mengikuti tutorial sampai semuanya mulai masuk akal. Pastikan untuk memposting Komentar ke Instructable ini dan saya akan mencoba membantu.

Kontroler PID harus dimodifikasi untuk Arduino/Freeduino Anda. Garis jam dari sensor IR harus dilampirkan ke pin interupsi. Pada Arduino, ini bisa menjadi 1 atau 0. Pada Freeduinos dari berbagai macam, Anda dapat menggunakan interupsi yang tersedia. Pasang jalur data dari sensor ke pin terdekat lainnya (seperti D0 atau D1 atau pin lain pilihan Anda). Jalur kontrol ke hot plate dapat berasal dari pin digital apa pun. Pada klon Freeduino khusus saya (jelaskan di sini), saya menggunakan D1 dan interupsi terkait (1) untuk jam, D0 untuk data, dan B4 untuk jalur kontrol ke hot plate.

Setelah Anda mengunduh perangkat lunak, mulai lingkungan Arduino Anda dan buka IR_PID dari item menu File/Sketsa. Di bawah tab pwm, Anda dapat menentukan HEAT_RELAY_PIN yang sesuai untuk varian Arduino atau Freeduino Anda. Di bawah tab temp, lakukan hal yang sama untuk PIN IR_CLK, PIN IR_DATA, dan IR_INT. Anda harus siap untuk mengkompilasi dan mengunduh.

Demikian pula, mulai lingkungan Pemrosesan Anda dan buka sketsa PID_Plotter. Sesuaikan BAUDRATE ke nilai yang benar dan pastikan untuk mengatur indeks yang digunakan di Serial.list()[1] ke nilai yang benar untuk sistem Anda (port saya adalah indeks 1).

Langkah 3: Mengaitkan Semuanya

Sistem kontrol AC hot plate dirinci dalam Extreme Surface Mount Soldering Instructable yang telah disebutkan, atau Anda dapat membeli SSR (solid state relay) Anda sendiri. Pastikan itu dapat menangani beban pelat panas dengan margin yang cukup, katakanlah peringkat 20 hingga 40 watt, karena pengujian yang dilakukan oleh orang Cina mungkin meninggalkan sesuatu yang diinginkan. Jika Anda menggunakan pengontrol AC hot plate dari Instructable saya, maka jalankan jumper dari resistor pada input kontrol ke ground pada Ard/Free-duino dan jumper dari output kontrol (B4, atau apa pun yang Anda pilih) ke Control Signal Memasukkan. Lihat gambar pengontrolnya. Jumper kuning adalah Input Sinyal Kontrol dan jumper hijau menuju Ground. Saya suka menggunakan blinkenlight (dipimpin dengan resistor ke ground) pada pin output jadi saya tahu kapan itu menyala. Hubungkan jumper Anda antara led dan port seperti yang ditunjukkan. Lihat Diagram Hookup Teensy++.

Sekarang pasang penyangga untuk menahan sensor suhu IR di atas hot plate Anda. Gambar menunjukkan apa yang saya lakukan. Sederhana namun kokoh adalah aturannya. Jauhkan benda yang mudah terbakar jauh dari hot plate; sensornya terbuat dari plastik dan sepertinya cukup bagus 3 inci di atas permukaan pelat. Jalankan kabel dari konektor pada sensor Anda ke pin yang sesuai pada Ard/Free-duino Anda. Koneksi untuk sensor IR ditunjukkan dalam Diagram Hookup Teensy++. Sesuaikan ini sesuai kebutuhan untuk Ard/Free-duino Anda.

Catatan Keselamatan Penting: Sensor IR memiliki penunjuk arah yang membantu mengarahkannya. Jika Anda memiliki kucing seperti saya, mereka suka mengejar penunjuk arah. Jadi tutupi led dengan selotip buram agar kucing Anda tidak melompat ke piring panas saat Anda menggunakannya.

Sebelum Anda mencolokkan pengontrol AC pelat panas ke 120V, berikut ini cara menguji sistem dan menetapkan nilai target awal untuk suhu. Saya menyarankan suhu target 20 C sehingga pemanasan tidak segera dimulai. Nilai ini akan disimpan di EEPROM dan digunakan di lain waktu, jadi pastikan Anda selalu menyimpan nilai rendah sebagai suhu target saat Anda selesai dengan sesi penyolderan. Saya menemukan ide yang baik untuk memulai pengontrol suhu dengan pelat panas dicabut pada awalnya. Pastikan semuanya berfungsi sebelum Anda mencolokkannya.

Hubungkan port serial Anda ke Arduino Anda dan nyalakan. Kompilasi sketsa Arduino dan unduh. Mulai sketsa Pemrosesan untuk berinteraksi dengan pengontrol dan menampilkan hasil. Terkadang, sketsa Arduino tidak akan disinkronkan dengan sketsa Pemrosesan. Ketika ini terjadi, Anda akan melihat pesan “No Update” di jendela konsol sketsa Processing. Cukup hentikan dan mulai ulang sketsa Pemrosesan dan semuanya akan baik-baik saja. Jika tidak, lihat bagian Pemecahan Masalah di bawah ini.

Berikut adalah perintah untuk controller. "Delta" adalah jumlah parameter yang akan berubah saat diperintahkan. Pertama-tama atur nilai delta yang ingin Anda gunakan. Kemudian sesuaikan parameter yang diinginkan menggunakan delta itu. Misalnya, gunakan + dan – untuk membuat delta 10. Kemudian gunakan T (huruf besar “T”) untuk meningkatkan pengaturan suhu target sebesar 10 derajat C, atau t (huruf kecil “t”) untuk menurunkan suhu target sebesar 10 derajat. Perintah:

+/-: sesuaikan delta dengan faktor sepuluh P/p: naik/turun sesuaikan penguatan p sebesar delta I/i: naik/turun sesuaikan penguatan i sebesar delta D/d: naik/turun sesuaikan penguatan d sebesar delta T/t: naik/turun menyesuaikan set temp dengan delta h: mengaktifkan dan menonaktifkan layar bantuan R: mengatur ulang nilai – lakukan ini saat pertama kali Anda menjalankan pengontrol

Setelah Anda mendapatkan pembaruan suhu, jendela grafik sketsa akan terlihat seperti gambar. Jika Anda memiliki area abu-abu besar yang dikenakan pada layar dengan beberapa perintah yang dijelaskan, cukup ketik "h" untuk menghapusnya. Saat Anda memulai untuk pertama kalinya, Anda mungkin diminta untuk mengatur ulang nilai awal. Silakan dan lakukan itu. Nilai di sudut kanan atas adalah pembacaan dan pengaturan saat ini. "Tujuan" adalah suhu target saat ini dan diubah dengan perintah "t" seperti yang dijelaskan di atas. "Curr" adalah pembacaan suhu saat ini dari sensor. "P", "I" dan "D" adalah parameter untuk algoritma kontrol PID. Gunakan perintah “p”, “i”, dan “d” untuk mengubahnya. Saya akan membahasnya sebentar lagi. “Pow” adalah perintah daya dari pengontrol PID ke hot plate. Ini adalah nilai antara 0 (selalu mati) dan 1000 (selalu aktif).

Jika Anda meletakkan tangan Anda di bawah sensor, Anda akan melihat pembacaan suhu (Curr) melonjak. Jika Anda sekarang meningkatkan suhu target, Anda akan melihat nilai daya (Pow) meningkat dan led output akan berkedip. Tingkatkan suhu target dan led output akan bertahan lebih lama. Saat hot plate terhubung dan beroperasi, menaikkan suhu target akan menyebabkan hot plate menyala. Saat suhu saat ini mendekati suhu target, waktu tepat akan berkurang sehingga suhu target didekati dengan over-shoot minimal. Kemudian, waktu yang tepat akan cukup untuk mempertahankan suhu target.

Berikut cara mengatur parameter untuk algoritma PID. Anda bisa mulai dengan nilai yang saya gunakan. P 40, I 0,1 dan D 100. Sistem saya akan melakukan langkah 50C dalam waktu sekitar 30 detik dengan overshoot kurang dari 5 derajat. Jika kinerja sistem Anda berbeda secara signifikan, maka Anda perlu menyetelnya. Menyetel pengontrol PID bisa jadi rumit, tetapi artikel yang dirujuk di atas menjelaskan cara melakukannya dengan sangat efektif.

Sekarang saatnya untuk hal yang nyata. Colokkan pelat panas ke pengontrol AC pelat panas seperti yang dijelaskan dalam Penyolderan Pemasangan Permukaan Ekstrim. Pastikan untuk membaca semua peringatan di sana juga. Posisikan sensor suhu Anda sehingga sekitar 3 inci di atas hot plate Anda dan mengarah langsung ke sana. Nyalakan Ard/Free-duino Anda. Pastikan semua koneksi sudah benar dan perangkat lunak Anda (pengontrol PID dan program pemantauan) berjalan dengan benar. Mulailah dengan mengatur suhu target ke 20 C. Kemudian naikkan suhu target ke 40 C. Hot plate akan menyala dan suhu akan meningkat dengan lancar hingga 40C +/- 2 C. Sekarang Anda dapat mencoba meningkatkan suhu sambil mengamati kinerjanya dari sistem Anda. Anda akan melihat bahwa piring membutuhkan waktu lebih lama untuk mendingin daripada memanaskannya.

Penyelesaian masalah

Jika sketsa Pemrosesan tidak berjalan atau tidak memperbarui suhu, hentikan sketsa Pemrosesan dan mulai terminal serial (Hyperterminal di Windows, misalnya). Ketuk bilah spasi dan tekan kembali. Arduino harus merespon dengan pembacaan suhu saat ini. Sesuaikan pengaturan baud rate, dll. hingga Anda mendapatkan respons yang diinginkan. Setelah ini berhasil, sketsa Pemrosesan harus dijalankan. Jika Anda masih mengalami masalah, pastikan penetapan pin Anda sesuai dengan kabel fisik Anda dan bahwa Anda telah menghubungkan daya dan ground ke pin sensor suhu yang sesuai.

Langkah 4: Solder Pemasangan Permukaan

Menggunakan sistem kontrol suhu yang dijelaskan dalam Instructable ini meningkatkan Extreme Surface Mount Soldering dalam dua cara. Pertama, kontrol suhu lebih akurat dan jauh lebih cepat. Jadi, alih-alih memiliki tanjakan yang lambat dari sekitar 120C ke 180C selama 6 menit atau lebih, kita dapat pergi dengan cepat ke 180C, tahan selama 2 hingga 3 menit, dan naik dengan cepat ke 220C hingga 240C selama sekitar satu menit. Kami masih harus memperhatikan titik ketika solder mengalir dan mematikan daya, atau hanya dengan cepat menurunkan suhu target. Karena suhu turun sangat lambat, saya biasanya melepas sirkuit dari hot plate segera setelah suhu mendingin di bawah 210C. Letakkan di atas papan perf atau kayu, bukan logam. Logam dapat menyebabkan mereka mendingin terlalu cepat. Perhatikan juga bahwa Anda mungkin harus menaikkan suhu target lebih dari 250C (maksimum yang akan dibaca sensor) agar pelat cukup panas di area tertentu. Pelat tidak akan mencapai suhu tunggal di seluruh permukaan tetapi akan lebih dingin di area tertentu daripada yang lain. Anda akan mempelajari ini dengan bereksperimen.

Area peningkatan kedua adalah pengurangan waktu antara siklus penyolderan. Dengan sistem loop terbuka, saya harus menunggu pelat panas mendingin hingga suhu kamar (sekitar 20C) untuk memulai siklus penyolderan baru. Jika saya tidak melakukan ini, maka siklus suhu tidak akan benar (perubahan kondisi awal). Sekarang saya hanya perlu menunggu suhu stabil sekitar 100C dan saya bisa memulai siklus baru.

Siklus suhu yang sekarang saya gunakan tersirat di atas, tetapi inilah tepatnya. Mulai dari 100C. Letakkan papan Anda di atas hot plate selama dua hingga tiga menit untuk pemanasan - lebih lama dengan komponen besar. Atur suhu target ke 180C. Suhu ini dicapai dalam waktu kurang dari satu menit. Tahan di sini selama 2 menit. Tetapkan target Anda ke 250C. Segera setelah semua solder mengalir, turunkan suhu target menjadi sekitar 100C. Suhu piring Anda akan tetap tinggi. Segera setelah suhu turun ke 210C, atau waktu 1 menit berlalu, geser papan Anda dari pelat panas ke platform pendingin dari papan berlubang atau kayu. Solder dilakukan.

Jika Anda ingin menggunakan profil suhu yang berbeda, Anda tidak akan kesulitan mencapainya dengan sistem kontrol ini.

Anda mungkin ingin bereksperimen dengan posisi sensor suhu di atas hot plate Anda. Saya menemukan bahwa tidak semua area hot plate mencapai suhu yang sama pada waktu yang sama. Jadi tergantung di mana Anda memposisikan sensor Anda, waktu dan suhu aktual yang diperlukan untuk membuat aliran solder dapat bervariasi. Setelah Anda menyusun resep, gunakan posisi sensor yang sama untuk hasil yang berulang.

Selamat Menyolder!