Menutup Gelung Pematerian Permukaan Permukaan: 4 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:14

Suhu kelihatan seperti perkara paling mudah di dunia untuk dikawal. Hidupkan dapur dan tetapkan suhu yang anda mahukan. Hidupkan relau pada waktu pagi dan tetapkan termostat. Laraskan air panas dan sejuk agar pancuran betul-betul. Mudah! Tetapi bagaimana jika anda ingin mengawal suhu di luar aplikasi sehari-hari ini? Sekiranya anda mahukan suhu di luar julat normal, atau menginginkan suhu stabil dalam julat yang sempit, anda kebanyakannya sendiri.

Dalam kes saya, saya ingin mengawal suhu plat panas yang digunakan untuk pematerian permukaan. Pada mulanya, saya menggunakan modulasi lebar nadi untuk memberikan suhu yang stabil dan tetapan yang ditentukan secara eksperimen untuk membuat profil suhu yang diperlukan. Anda boleh membaca semua mengenai perkara ini dalam Instructable ini. Sistem ini berfungsi dan kawalan suhu dengan cara ini baik dan baik, tetapi ia mempunyai kekurangan.

Kekurangan:

• Hanya berfungsi untuk plat panas khusus saya. Yang lain serupa, tetapi tidak serupa dan eksperimen diperlukan untuk menentukan tetapan dan masa yang diperlukan untuk menghasilkan profil yang diperlukan.
• Situasi yang sama jika saya mahukan profil atau suhu yang berbeza.
• Proses pematerian memerlukan masa yang lama kerana suhu stabil mesti didekati dengan perlahan.

Sebaik-baiknya, kita hanya boleh menentukan profil suhu-waktu, tekan butang, dan pengawal akan menyebabkan plat panas berfungsi seperti yang diprogramkan. Kami tahu ini mungkin kerana terdapat banyak proses industri yang menggunakan kawalan seperti ini. Persoalannya adakah ini dapat dilakukan dengan mudah dan murah di rumah?

Seperti yang anda duga, kerana saya menulis Instructable ini, jawapannya adalah ya! Instructable ini akan menunjukkan kepada anda cara membina pengawal suhu kekuatan industri anda sendiri. Saya terutama akan menyasarkan pematerian permukaan, tetapi sebarang proses yang memerlukan profil suhu masa yang tepat dapat menggunakan sistem ini.

Catatan: Apabila saya menggunakan nama "Arduino", maksud saya bukan hanya Arduino yang dilindungi hak cipta itu sendiri, tetapi juga banyak versi domain awam yang secara kolektif dikenal sebagai "Freeduino". Dalam beberapa kes, saya menggunakan istilah "Ard / Free-duino", tetapi syarat-syarat tersebut harus dipertimbangkan untuk ditukar untuk tujuan Instructable ini.

Skema kawalan suhu yang digunakan dalam Extreme Surface Mount Soldering Instructable dikenali sebagai kawalan gelung terbuka. Iaitu, nilai yang telah menghasilkan suhu yang diinginkan pada masa lalu diharapkan dapat menghasilkan suhu yang sama ketika digunakan lagi. Kerap kali ini benar dan menghasilkan hasil yang diinginkan. Tetapi jika keadaannya sedikit berbeza, katakan garaj tempat kami bekerja jauh lebih sejuk atau lebih panas, maka anda mungkin tidak akan mendapat hasil yang diharapkan.

Sekiranya kita mempunyai sensor yang dapat membaca suhu dan melaporkannya kembali ke pengawal, maka kita mempunyai kawalan gelung tertutup. Pengawal dapat menetapkan nilai awal untuk meningkatkan suhu, melihat suhu seiring berjalannya waktu, dan menyesuaikan pengaturan agar suhu naik atau turun hingga suhu yang diinginkan tercapai.

Pendekatan kami adalah untuk menggantikan pengawal PWM berasaskan AVRTiny2313 dengan pengawal berasaskan ATMega yang lebih kuat. Pengaturcaraan akan dilakukan di persekitaran Arduino. Kami akan menggunakan komputer (Linux-Mac-Windows) yang menjalankan Pemprosesan untuk memaparkan hasil dan menyesuaikan pengawal.

Untuk sensor, kami akan menggunakan Sensor Suhu Inframerah dari Harbour Freight. Sensor IR akan diubah untuk menghasilkan suhu sebagai aliran data bersiri yang dapat dibaca oleh pengawal. Kami akan menggunakan Ard / Free-duino sebagai pengawal, dengan PC (Mac - Linux - Windows) untuk input ke pengawal. Apabila kita semua selesai, sistem akan kelihatan seperti gambar. (Walau bagaimanapun, anda mungkin mempunyai litar yang lebih sedikit di papan roti anda. Tidak mengapa.)

Langkah 1: Mengubah Sensor IR

Terima kasih banyak kepada rakan pintar saya, Scott Dixon, kerana kerja detektifnya yang teliti dalam mencari tahu bagaimana instrumen ini berfungsi dan bagaimana menjadikannya berguna dengan pengawal dengan mendedahkan antara muka sirinya.

Peranti yang akan kami mulakan ialah Harbour Part Freight Number: 93984-5VGA. Kos sekitar $ 25. Jangan bersusah payah membeli jaminan.:)} Inilah pautan. Gambar 1 dan 2 menunjukkan Pandangan Depan dan Belakang. Anak panah pada Rajah 2 menunjukkan di mana skru yang memegang sarung itu bersama-sama. Gambar 3 menunjukkan bahagian dalam casing apabila skru dilepaskan dan sarungnya dibuka. Modul penunjuk laser mungkin boleh dikeluarkan dan digunakan untuk projek lain, walaupun saya belum melakukannya. Anak panah menghala ke skru untuk dilepaskan jika anda ingin mengeluarkan papan untuk menyoldernya (skru dikeluarkan dalam gambar ini). Juga ditunjukkan adalah area di mana pemotongan harus dibuat agar kabel anda keluar dari casing. Lihat juga Gambar 5. Buat potongan semasa papan dilepaskan, atau sekurang-kurangnya sebelum anda memasang wayar. Lebih mudah dengan cara itu.;)} Rajah 4 menunjukkan di mana wayar akan disolder. Perhatikan huruf setiap sambungan sehingga anda akan mengetahui wayar mana ketika anda menutup casingnya. Rajah 5 menunjukkan wayar yang disolder di tempatnya dan diarahkan melalui pemotongan. Anda kini boleh menyatukan semula kes itu dan instrumen harus beroperasi seperti yang berlaku sebelum operasi anda. Perhatikan penyambung pada wayar. Saya menggunakan wayar yang lebih lama untuk benar-benar menyambung ke alat kawalan saya. Sekiranya anda menggunakan wayar kecil, penyambung kecil, dan mendekatkan wayar, anda boleh memasukkannya kembali ke dalam casing jika anda mahu dan alat itu kelihatan tidak diubah. Scott juga telah mencipta perisian untuk menghubungkan antara peranti ini. Dia menggunakan dokumen ini jika anda mahukan butirannya. Itu sahaja! Anda sekarang mempunyai sensor suhu IR yang akan berfungsi dari -33 hingga 250 C.

Langkah 2: Perisian untuk Kawalan

Berguna sebagaimana adanya, sensor suhu IR hanyalah sebahagian dari sistem. Untuk mengawal suhu, diperlukan tiga item: sumber panas, sensor suhu, dan pengawal yang dapat membaca sensor dan memerintahkan sumber panas. Dalam kes kami, plat panas adalah sumber haba, sensor suhu IR (seperti yang diubah pada langkah terakhir) adalah sensor kami, dan perisian Ard / Free-duino yang menjalankan perisian yang sesuai adalah pengawal. Semua perisian untuk Instructable ini boleh dimuat turun sebagai pakej Arduino dan sebagai pakej Pemprosesan.

Muat turun fail IR_PID_Ard.zip. Buka zip di direktori Arduino anda (biasanya Dokumen Saya / Arduino). Muat turun fail PID_Plotter.zip. Buka zip di direktori Pemprosesan anda (biasanya Dokumen / Pemprosesan Saya). Fail-fail tersebut kini akan tersedia dalam buku lakaran yang sesuai.

Perisian yang akan kita gunakan pada asalnya ditulis oleh Tim Hirzel. Ia dimodifikasi dengan menambahkan antara muka ke sensor IR (disediakan oleh Scott Dixon). Perisian ini menggunakan algoritma kawalan yang dikenali sebagai algoritma PID. PID bermaksud Proportional - Integral - Derivative dan merupakan algoritma standard yang digunakan untuk kawalan suhu industri. Algoritma ini dijelaskan dalam artikel yang sangat baik oleh Tim Wescott di mana Tim Hirzel berdasarkan perisiannya. Baca artikel di sini.

Untuk menyesuaikan algoritma (baca tentang ini dalam artikel yang disebutkan) dan untuk mengubah tetapan suhu sasaran, kami akan menggunakan sketsa Pemprosesan, yang juga dikembangkan oleh Tim Hirzel. Ia dikembangkan untuk memanggang biji kopi (aplikasi pengendali suhu lain), dan disebut Pengawal Kopi Bare Bones, atau BBCC. Selain itu, ia sangat sesuai untuk pematerian permukaan. Anda boleh memuat turun versi asal di sini.

Mengubah perisian

Berikut ini, saya menganggap bahawa anda sudah biasa dengan Arduino dan Processing. Sekiranya tidak, anda harus menjalani tutorial sehingga perkara mula masuk akal. Pastikan untuk menghantar Komen ke Instruksional ini dan saya akan berusaha membantu.

Pengawal PID mesti diubah suai untuk Arduino / Freeduino anda. Garis jam dari sensor IR mesti dipasang pada pin interrupt. Pada Arduino, ini dapat 1 atau 0. Pada Freeduinos pelbagai jenis, anda mungkin menggunakan gangguan yang ada. Pasang garis data dari sensor ke pin lain yang berdekatan (seperti D0 atau D1 atau pin lain pilihan anda). Saluran kawalan ke plat panas boleh datang dari mana-mana pin digital. Pada klon Freeduino tertentu (terangkan di sini), saya menggunakan D1 dan gangguan yang berkaitan (1) untuk jam, D0 untuk data, dan B4 untuk saluran kawalan ke plat panas.

Setelah memuat turun perisian, mulakan persekitaran Arduino anda dan buka IR_PID dari item menu Fail / Sketsa. Di bawah tab pwm, anda dapat menentukan HEAT_RELAY_PIN yang sesuai untuk varian Arduino atau Freeduino anda. Di bawah tab temp, lakukan perkara yang sama untuk PIN IR_CLK, PIN IR_DATA, dan IR_INT. Anda harus bersedia untuk menyusun dan memuat turun.

Begitu juga, mulakan persekitaran Pemprosesan anda dan buka lakaran PID_Plotter. Laraskan BAUDRATE ke nilai yang betul dan pastikan untuk menetapkan indeks yang digunakan dalam Serial.list () [1] ke nilai yang betul untuk sistem anda (port saya adalah indeks 1).

Langkah 3: Memikat Semuanya

Sistem kawalan AC plat panas diperincikan dalam Extreme Surface Mount Soldering Instructable yang telah disebutkan, atau anda boleh membeli SSR anda sendiri (relay keadaan pepejal). Pastikan ia dapat menangani beban plat panas dengan margin yang cukup, katakanlah peringkat 20 hingga 40 watt, kerana ujian yang dilakukan oleh orang Cina mungkin meninggalkan sesuatu yang diinginkan. Sekiranya anda menggunakan pengawal AC plat panas dari Instructable saya, kemudian jalankan pelompat dari perintang pada input kawalan ke tanah pada Ard / Free-duino dan pelompat dari output kawalan (B4, atau apa sahaja yang anda pilih) ke Control Signal Masukan. Lihat gambar alat kawalan. Pelompat kuning adalah Input Isyarat Kawalan dan pelompat hijau menuju ke Tanah. Saya suka menggunakan lampu kilat (dipimpin dengan perintang ke tanah) pada pin output sehingga saya tahu bila dihidupkan. Sambungkan pelompat anda di antara plumbum dan port seperti yang ditunjukkan. Rujuk Diagram Hookup Teensy ++.

Sekarang pasang sokongan untuk menahan sensor suhu IR di atas plat panas anda. Gambar menunjukkan apa yang saya buat. Ringkas tetapi kukuh adalah peraturannya. Jauhkan apa sahaja yang mudah terbakar dari pinggan panas; sensornya plastik dan nampaknya hanya 3 inci di atas permukaan pinggan. Jalankan wayar dari penyambung pada sensor anda ke pin yang sesuai pada Ard / Free-duino anda. Sambungan untuk sensor IR ditunjukkan dalam Teensy ++ Hookup Diagram. Sesuaikan ini mengikut keperluan untuk Ard / Free-duino anda.

Nota Keselamatan Penting: Sensor IR mempunyai penunjuk dipimpin yang membantu mencarinya. Sekiranya anda mempunyai kucing seperti saya, mereka suka mengejar penunjuk yang diketuai. Oleh itu, tutup pelindung dengan pita legap agar kucing anda tidak boleh melompat ke atas pinggan panas semasa anda menggunakannya.

Sebelum anda memasang pengawal AC plat panas ke 120V, berikut adalah cara menguji sistem dan menetapkan nilai sasaran awal untuk suhu. Saya mencadangkan suhu sasaran 20 C supaya pemanasan tidak segera dimulakan. Nilai-nilai ini akan disimpan di EEPROM dan digunakan pada waktu berikutnya, jadi pastikan anda selalu menyimpan nilai rendah sebagai suhu sasaran ketika anda selesai dengan sesi pematerian. Saya rasa idea yang baik untuk memulakan pengawal suhu dengan plat panas tidak dicabut pada mulanya. Pastikan semuanya berfungsi sebelum anda memasangkannya.

Sambungkan port bersiri anda ke Arduino anda dan hidupkan. Susun lakaran Arduino dan muat turunnya. Mulakan lakaran Pemprosesan untuk berinteraksi dengan pengawal dan paparkan hasil. Kadang-kadang, lakaran Arduino tidak akan diselaraskan dengan lakaran Pemprosesan. Apabila ini berlaku, anda akan melihat mesej "Tanpa Kemas Kini" di tetingkap konsol lakaran Pemprosesan. Cukup hentikan dan mulakan semula lakaran Pemprosesan dan semuanya mesti baik-baik saja. Sekiranya tidak, lihat bahagian Penyelesaian Masalah di bawah.

Berikut adalah arahan untuk pengawal. "Delta" adalah jumlah parameter yang akan berubah ketika diperintahkan. Pertama tetapkan nilai delta yang ingin anda gunakan. Kemudian sesuaikan parameter yang dikehendaki menggunakan delta itu. Sebagai contoh, gunakan + dan - untuk membuat delta 10. Kemudian gunakan T (modal "T") untuk meningkatkan penetapan suhu sasaran sebanyak 10 darjah C, atau t (huruf kecil "t") untuk menurunkan suhu sasaran sebanyak 10 darjah. Perintah:

+/-: laraskan delta dengan faktor sepuluh P / p: naik / turun sesuaikan kenaikan p oleh delta I / i: naik / turun sesuaikan kenaikan g oleh delta D / d: naik / turun sesuaikan d keuntungan dengan delta T / t: naik / turun sesuaikan temp set dengan delta h: togol skrin bantuan hidup dan mati R: tetapkan semula nilai - lakukan ini pada kali pertama anda menjalankan pengawal

Sebaik sahaja anda mendapat kemas kini suhu, tetingkap grafik lakaran akan kelihatan seperti gambar. Sekiranya anda mempunyai kawasan kelabu besar yang dikenakan pada layar dengan beberapa perintah yang dijelaskan, cukup ketik "h" untuk mengosongkannya. Apabila anda memulakan untuk pertama kalinya, anda mungkin diminta untuk menetapkan semula nilai awal. Teruskan dan lakukan itu. Nilai di sudut kanan atas adalah bacaan dan tetapan semasa. "Tujuan" adalah suhu target saat ini dan diubah oleh perintah "t" seperti yang dijelaskan di atas. "Curr" adalah bacaan suhu semasa dari sensor. "P", "I" dan "D" adalah parameter untuk algoritma kawalan PID. Gunakan perintah "p", "i", dan "d" untuk mengubahnya. Saya akan membincangkannya sebentar lagi. "Pow" adalah arahan kuasa dari pengawal PID ke plat panas. Nilai antara 0 (selalu mati) dan 1000 (sentiasa aktif).

Sekiranya anda meletakkan tangan anda di bawah sensor, anda akan melihat bacaan suhu (Curr) melonjak naik. Jika sekarang anda meningkatkan suhu sasaran, anda akan melihat kenaikan nilai power (Pow) dan led output akan berkelip. Tingkatkan suhu sasaran dan output yang dipimpin akan kekal lebih lama. Apabila plat panas disambungkan dan beroperasi, kenaikan suhu sasaran akan menyebabkan plat panas menyala. Ketika suhu saat ini mendekati suhu sasaran, waktu yang tepat akan menurun sehingga suhu sasaran didekati dengan tembakan berlebihan yang minimum. Kemudian, waktu yang tepat akan cukup untuk mengekalkan suhu sasaran.

Inilah cara menetapkan parameter untuk algoritma PID. Anda boleh mulakan dengan nilai yang saya gunakan. P of 40, I of 0.1 dan D of 100. Sistem saya akan melakukan langkah 50C dalam masa lebih kurang 30 saat dengan overhoot kurang dari 5 darjah. Sekiranya sistem anda mempunyai prestasi yang berbeza, anda pasti mahu menyesuaikannya. Menala pengawal PID boleh menjadi sukar, tetapi artikel yang dirujuk di atas menerangkan cara melakukannya dengan sangat berkesan.

Kini tiba masanya untuk perkara sebenar. Pasangkan plat panas ke dalam pengawal AC plat panas seperti yang dijelaskan dalam Pematerian Ekstrim Permukaan Ekstrem. Pastikan juga membaca semua amaran di dalamnya. Posisikan sensor suhu anda sehingga kira-kira 3 inci di atas plat panas anda dan arahkan secara langsung ke arahnya. Kuasakan Ard / Free-duino anda. Pastikan semua sambungan betul dan perisian anda (pengawal PID dan program pemantauan) berjalan dengan baik. Mulakan dengan suhu sasaran yang ditetapkan ke 20 C. Kemudian naikkan suhu sasaran hingga 40 C. Piring panas harus menyala dan suhu harus meningkat dengan lancar hingga 40C +/- 2 C. Anda sekarang boleh mencuba menaikkan suhu ketika anda melihat prestasi sistem anda. Anda akan perhatikan bahawa pinggan perlu lebih lama daripada yang diperlukan untuk memanaskannya.

Penyelesaian masalah

Sekiranya lakaran Pemprosesan tidak berjalan atau tidak mengemas kini suhu, hentikan lakaran Pemprosesan dan mulakan terminal bersiri (contohnya Hyperterminal pada Windows). Ketik bar ruang dan tekan kembali. Arduino harus bertindak balas dengan bacaan suhu semasa. Sesuaikan tetapan kadar baud, dll sehingga anda mendapat respons yang diinginkan. Setelah ini berfungsi, lakaran Pemprosesan harus dijalankan. Sekiranya anda masih menghadapi masalah, pastikan penugasan pin anda sesuai dengan pendawaian fizikal anda dan bahawa anda telah menyambungkan kuasa dan arde ke pin sensor suhu yang sesuai.

Langkah 4: Pematerian Permukaan Permukaan

Menggunakan sistem kawalan suhu yang dijelaskan dalam Instructable ini meningkatkan Pematerian Permukaan Permukaan Ekstrem dengan dua cara. Pertama, kawalan suhu lebih tepat dan lebih cepat. Oleh itu, daripada mempunyai jalan perlahan dari sekitar 120C hingga 180C selama 6 minit atau lebih, kita dapat bergerak dengan cepat ke 180C, tahan selama 2 ½ hingga 3 minit, dan pergi dengan cepat ke 220C hingga 240C selama kira-kira satu minit. Kita masih harus memerhatikan titik ketika solder mengalir dan mematikan kuasa, atau dengan cepat menurunkan suhu sasaran. Oleh kerana suhu turun dengan sangat perlahan, saya biasanya meluncurkan litar saya dari plat panas sebaik sahaja suhu sejuk di bawah 210C. Letakkannya di atas papan papan atau kayu, bukan logam. Logam boleh menyebabkan mereka sejuk terlalu cepat. Perhatikan juga bahawa anda mungkin harus menaikkan suhu sasaran lebih dari 250C (maksimum yang akan dibaca oleh sensor) untuk membuat plat cukup panas di kawasan tertentu. Plat tidak akan mencapai suhu tunggal di seluruh permukaan tetapi akan lebih sejuk di kawasan tertentu daripada yang lain. Anda akan belajar ini dengan bereksperimen.

Bidang peningkatan kedua adalah pengurangan masa antara kitaran pematerian. Dengan sistem gelung terbuka, saya terpaksa menunggu plat panas menyejuk hingga suhu bilik (sekitar 20C) untuk memulakan kitaran pematerian baru. Sekiranya saya tidak melakukan ini, maka kitaran suhu tidak betul (perubahan keadaan awal). Sekarang saya hanya perlu menunggu suhu stabil sekitar 100C dan saya boleh memulakan kitaran baru.

Kitaran suhu yang saya gunakan sekarang tersirat di atas, tetapi di sini betul-betul. Bermula pada suhu 100C. Letakkan papan anda di atas pinggan panas selama dua hingga tiga minit untuk memanaskan badan - lebih lama dengan komponen besar. Tetapkan suhu sasaran hingga 180C. Suhu ini dicapai dalam masa kurang dari satu minit. Tahan di sini selama 2 ½ minit. Tetapkan sasaran anda kepada 250C. Sebaik sahaja semua pateri mengalir, turunkan suhu sasaran hingga sekitar 100C. Suhu pinggan anda akan tetap tinggi. Sebaik turun menjadi 210C, atau masa 1 minit berlalu, geser papan anda dari piring panas ke platform penyejuk papan atau kayu penyejuk. Pematerian dilakukan.

Sekiranya anda ingin menggunakan profil suhu yang berbeza, anda tidak perlu menghadapi masalah dengan sistem kawalan ini.

Anda mungkin ingin bereksperimen dengan kedudukan sensor suhu di atas plat panas anda. Saya mendapati bahawa tidak semua kawasan plat panas mencapai suhu yang sama pada masa yang sama. Jadi bergantung pada tempat anda meletakkan sensor anda, masa dan suhu sebenar yang diperlukan untuk membuat aliran pateri boleh berbeza-beza. Setelah anda membuat resipi, gunakan kedudukan sensor yang sama untuk hasil berulang.

Selamat Memateri!