⚠ 11.2023: Сайт знаходиться в стані перебудови. Можливо тимчасове порушення функціонування.

Цифрова паяльна станція на мікроконтролері PIC16F887

Сергій КРУШНЕВИЧ

Бібліографія: Блок управления паяльной станции на микроконтроллере PIC16F887 / Крушневич Сергій // Радио №10 2013, с.28-32.

У статті розглядається конструкція цифрової мікроконтролерної паяльної станції, яка складається з низьковольтного паяльника (24В) та паяльного фена з вбудованим вентилятором (турбіною), що керуються мікроконтролером PIC16F887. У спрощеному вигляді пристрій може також використовуватися як двоканальний вимірювач (термопара) та регулятор температури (PWM та фазо-імпульсне керування).

У радіоаматорській практиці дуже часто виникає необхідність у зручному компактному паяльнику з низькою напругою живлення та регулюванням температури жали для роботи з дрібними радіодеталями. Низька напруга живлення та заземлення жала дозволяє значно знизити ризик пошкодження електронних компонентів статичним розрядом електрики.

У літературі опубліковано багато різноманітних конструкцій паяльників та паяльних фенів, але більшість конструкцій вимагають наявності спеціального обладнання, відповідних матеріалів та суттєвих витрат часу. Завдяки широкому поширенню заводських паяльних станцій з'явилась можливість придбати вже готові паяльник та фен, які мають зручну конструкцію, невисоку ціну та наявність готових змінних жал та насадок.

Розглядаючи велику різноманітність паяльників до паяльних станціям можна виділити два популярні типи конструкцій, які різняться способом нагрівання та контролю температури жала. Перші мають нагрівач, який розміщений зовні жала (як і в класичних звичайних паяльниках), рис 1а. Контроль температури жала в такій конструкції виконується за допомогою термопари, яка притискається до хвостовика жала. Така конструкція нагрівача має високу надійність, сама ніхромова спіраль надійно захищена від механічних навантажень. Але датчик температури, який встановлений на протилежному боці жала має досить велику інерційність, т.к. потрібен деякий час, поки відбір теплоти з кінчика жала призведе до зниження температури його хвостовика. На практиці така схема цілком успішно експлуатується за рахунок великої теплоємності жала, якою достатньо для швидкого прогріву місця паяння та деякого запасу за температурою. При тривалій пайці система регулювання фіксує зниження температури та підвищує потужність, що віддається в нагрівач.

Схема жала паяльника паяльної станції. Внутрішнє і зовнішнє нагрівання жала

Рис 1. Схема нагріву жала паяльника. а - нагрівання жала зовні; б - нагрівання жала зсередини; 1 – жало; 2,4 – датчик температури; 3 – нагрівач; 5 – металевий корпус нагрівача; 6 – керамічна основа нагрівача.

Друга реалізація (рис. 1б) вважається більшою швидкодіючою за рахунок того, що нагрівач розміщується всередині жала та датчик температури розташований на кінчику нагрівача У зібраному вигляді термопара притискається набагато ближче до кінчика жала (порівняно з попередньою конструкцією) і оперативніше реагує зміну температури. У таких пальниках зазвичай використовується крихкий керамічний нагрівач, який легко може пошкодитися в разі падіння паяльника на тверду поверхню, сильних механічних навантажень на жало або внаслідок нерівномірного відбору теплоти (наприклад, із жалами нестандартних розмірів).

Ще одним інструментом сучасної паяльної станції є фен. Він призначений для створення повітряного потоку заданої сили та температури, що дозволяє безконтактно нагрівати невеликі площі на платі до температури плавлення припою, а також фен зручний при груповому запаюванні електронних компонентів, які попередньо розкладаються на платі поверх паяльної пасти, і завдяки силам поверхневого натягу розплавленого припою електронні компоненти самоцентруються на відповідних полігонах. Велику популярність фен набув у ремонтників, т.к. з його допомогою можна оперативно, «одним махом», випаювати і запаювати багатоногі мікросхеми з великим числом та дрібним кроком виводів. Також фен дуже зручний для нагріву термозбіжних кембриків і продування окремих ділянок конструкцій теплим або холодним повітрям.

Раніше фени мали окремий компресор, який встановлювався в корпусі керування і подавав потік повітря через шланг у ручку, в якій встановлено нагрівач та датчик температури.Наявність компресора та його висока ціна стримувала появу фена на робочому місці радіоаматора. Але з появою фенів із вбудованим вентилятором (турбіною) виявилося можливим відмовитися від громіздкого компресора в корпусі паяльної станції та помітно спростити конструкцію паяльної станції загалом. На рис. 2. Представлено фото конструкції фена з вбудованим вентилятором марки Lukey 852D+ FAN.

Паяльний фен з вбудованим компресором (турбіною). Паяльник у розібраному вигляді.

Рис.2. Конструкція паяльного фена Lukey 852D+ FAN та паяльника Solomon SL-10/30

У металевому кожусі передньої частини ручки фена встановлено ніхромовий нагрівач та датчик температури. За конструкцією нагрівач аналогічний тому, що застосовується у фенах для волосся. Напруга живлення нагрівача 220 В чи 110 В, потужність близько 700 Вт. З протилежної частини ручки в розширеній частині встановлений вентилятор відцентрового типу (турбіна) низькою напругою живлення, в даному випадку 24 В 120 мА постійного струму. Автор також хоче звернути увагу на той факт, що у цього типу фена діаметр металевої частини сопла становить 25 мм, на відміну від популярних компресорних версій, які мають зовнішній діаметр сопла 22 мм. В результаті цей тип фена вимагає спеціальних насадок, а для встановлення більш поширених потрібен спеціальний перехідник. Насадки з круглим отвором невеликого діаметру автор виготовив із старих оксидних конденсаторів марки К50-3 20 мкФ 350 В, рис. 3.

Насадка на паяльный фен з старого конденсатора в алюмінієвому корпусі

Рис. 3. Насадка для фена виготовлена з конденсатора К50-3 20 мкФ 350 В

Для побудови своєї паяльної станції автор придбав паяльник до паяльної станції Solomon SL-10/30 з нагрівачем встановленим згідно рис.1а та фен з паяльної станції Lukey 852D+ FAN з вбудованим вентилятором (турбіною), обидва представлені на фото вище.

З огляду на те, що зазвичай паяльник і фен не використовуються одночасно, автор вирішив спростити конструкцію паяльної станції, сумістивши управління паяльником та феном на одній панелі управління, рис. 4.

Зовнішній вигляд мікроконтролерної паяльної станції. Світлодіодна індикація. Енкодер. PIC16F887. Саморобна

Рис. 4. Загальний вигляд цифрової паяльної станції на мікроконтролері.

Основні технічні характеристики паяльної станції:

Схема цифрової паяльної станції на мікроконтролері PIC16F887 представлена на рис. 5.

Схема цифрової паяльної станції на мікроконтролері PIC16F887. Паяльник. Фен.

Рис. 5. Схема цифрової паяльної станції на мікроконтролері

Паяльна станція побудована на базі мікроконтролера DD1 PIC16F887, який налаштований на роботу від вбудованого тактового генератора на 8 МГц і має у своєму складі 10 бітний АЦП. Для внутрішньосхемного програмування на платі встановлено роз'єм ХP3. Конденсатори С10 та С15 керамічні та встановлюються максимально близько до виводів живлення мікроконтролера. Для подачі звукових сигналів на платі встановлено випромінювач з вбудованим генератором BA1, який керується з виводу 40 (RB7) DD1 через транзистор VT5.

Вимірювання температури реалізовано за допомогою термопар BK1 та BK2, які встановлені всередині фена та паяльника відповідно. Сигнали з термопар посилюються за допомогою ОУ DA1.1 та DA1.2. Компенсація температури холодного спаю не виконується. Слід зауважити, що холодні спаї термопар знаходяться в ручках паяльника та фена і не мають додаткових засобів їх контролю. Насправді відсутність компенсації температур холодного спаю не викликають помітні незручності у використанні паяльної станції. В якості опорної напруги АЦП мікроконтролера використовується напруга живлення мікроконтролера. У кімнатних умовах це не викликало появи помітної похибки. Виводи входу зовнішньої опорної напруги АЦП у цій схемі не задіяні та при необхідності можуть бути використані для підключення зовнішнього джерела опорної напруги, наприклад MCP1541 (4,096 В), MCP1525 (2,5 В) та ін., з відповідною корекцією коефіцієнта підсилення ОУ.

Резистори R5 і R6 підтягують виводи термопар до шини +12 В в разі обриву лінії зв'язку. R8C2 і R9С3 є ФВЧ для придушення високочастотних наводок. R17 та R18 спільно з захисними діодами, які встановлені всередині мікроконтролера призначені для захисту входу АЦП від перевантаження підвищеною напругою. Коефіцієнт підсилення ОУ DA1.1 та DA1.2 задається за допомогою резисторів R7, R13, R12, R14. Їх слід підбирати таким чином, щоб за максимальної температури напруга на виході ОП не перевищувало значення опорної напруги АЦП. У цій схемі опорна напруга становить 5 В.

Регулювання потужності нагрівача паяльника та оборотів вентилятора фена організовано за допомогою широтно-імпульсної модуляції (PWM). Управління потужністю нагрівача паяльника організовано за допомогою апаратного ECCP-модуля мікроконтролера на виводі 17 (RC2) DD1 через потужний польовий транзистор VT2. Потужність потоку повітря вентилятора та нагрівача фена регулюється за допомогою програмного PWM: з виводу 16 (RC1) DD1 через VT2 для вентилятора і з виводу 9 (RE1) DD1 через оптопару U1 та симистор VD7. Регулювання потужності нагрівача фена реалізовано пропусканням періодів напруги мережі. Світлодіод VD5 служить для візуального контролю роботи нагрівача фена. Діод VD2 слід встановлювати при використання нагрівача фена розрахованого на напругу 110 В і служить для подачі на нагрівач лише однієї напівхвилі мережевої напруги.

Індикація режимів роботи виконується за допомогою 4х розрядного 7-ми сегментного індикатора із загальним катодом HG1. Аноди індикатора підключені безпосередньо до порту D мікроконтролера DD1 через струмообмежувальні резистори R26-R33. Ці резистори слід підбирати так, щоб сумарний струм через усі виводи порту мікроконтролера не перевищували 90 мА, а через окремий вивод 25 мА. Катоди індикатора підключені через транзистори VT6-VT9.

Для індикації поточної потужності нагрівача та режимів роботи використовується лінійка світлодіодів VD8-VD15. При цьому VD14 та VD15 використовуються для індикації режимів роботи, тоді як інші – для індикації потужності. Для економії виводів та скорочення з'єднувальних проводів між платою мікроконтролера та індикації ці світлодіоди управляються за допомогою динамічної індикації разом з семисегментним індикатором.

В якості джерела живлення використовується готовий імпульсний блок живлення PS-65-24 [1] потужністю 65 Вт з єдиним виходом 24 В. Для отримання напруги 12 використаний імпульсний понижувальний стабілізатор напруги А4 на базі мікросхеми MC33063. Подільник напруги R19R20 підібраний для вихідної напруги 12 В [2].

Реле К1 призначене для керування живлення паяльної станції, резистор R3 призначений для зниження струму через обмотку реле в режимі роботи, а C1 для короткочасної подачі повної напруги живлення в момент включення. Світлодіод VD3 відображає включення реле.

Паяльна станція працює наступним чином. При натисканні на кнопку SB2 напруга з мережі 220 В подається на блок живлення U2. Напруга 24 В з виходу блоку живлення подається на понижувальний імпульсний стабілізатор A4 і знижується до 12 В. Напруга 12 В подається через лінійний стабілізатор напруги DA3 на мікроконтролер DD1. Після виконання ініціалізації, він встановлює на виводі 10 (RE2) логічний рівень "1", який відкриває транзистор VT2 і через нього на обмотку реле К1 надходить напруга 12 В. Реле спрацьовує та своїми контактами К1.1 шунтує кнопку SB1. Після цього кнопку можна відпустити, а мікроконтролер підтримуватиме реле у включеному стані.

На дисплеї коротко з'являється напис з версією прошивки та звучить звуковий сигнал. Вмикається режим роботи з паяльником. Паяльник плавно розігрівається до номінальної температури, поточне значення температури відображається на світлодіодному індикаторі HG1, а потужність за допомогою лінійки світлодіодів VD8–VD13. Щоб запобігти тепловму удару, до досягнення температури в 100 °C максимальна потужність обмежується на рівні 40 % від максимальної, а діапазоні 100-300 на рівні 80 % від максимальної. Це збільшує час виходу температури на робочий рівень, але продовжує термін служби жала і паяльника. По досягненню номінальної температури вона стабілізується цьому рівні. Повертанням енкодера SB6 можна задати нове значення температури.

При натисканні на кнопку SB4 «ФЕН» вмикається світлодіод VD14, паяльник переводиться в режим пониженої температури (для збереження жала), при якому його температура встановлюється на рівні 150°С, включається вентилятор фена і потім його нагрівач. Аналогічно алгоритму розігріву паяльника, температура на виході фена підвищується до заданої. Потрібна температура встановлюється обертанням ручки енкодера. Після одноразового натискання на ручку енкодера можна встановити силу повітряного потоку обертанням ручки енкодера.

Після повторного натискання на копію SB4 вимикається нагрівач фена, паяльник переходить у робочий режим, а вентилятор продовжує працювати, поки температура повітря на виході з фена не знизиться до 60 градусів, після цього він автоматично вимикається.

При послідовному натисканні на кнопку енкодера по черзі виводяться пункти меню таб. 1. При обертанні ручки енкодера значення параметра змінюється і замість назви параметра на дисплеї відображається мерехтливе поточне значення параметра. Якщо протягом кількох секунд енкодер не обертається, на дисплеї виводиться поточна температура паяльника або фена.

Таблиця 1. Структура меню.

Індикація Опис Примітка
AIR Інтенсивність потоку повітря 0-255 Тільки при увімкненому фені
S.tP.0 Коефіцієнт А0 паяльника Перетворення значення відліків АЦП в температуру згідно полінома: t=A0+A1·АЦП
S.tP.1 Коефіцієнт А1 паяльника
F.tP.0 Коефіцієнт А0 фена
F.tP.1 Коефіцієнт А1 фена

За натисканням кнопки SB5 мікроконтролер зберігає поточні параметри в енергонезалежній пам'яті, вимикає нагрівачі паяльника та фена. Якщо в цей час фен був активний, мікроконтролер продовжує продування нагрівача холодним повітрям, поки його температура не знизиться до 60°С, після чого виставляє логічний рівень «0» на виводі 7 DD1, реле розмикає свої контакти та блок живлення паяльної станції знеструмлюється.

Налагодження. Якщо паяльна станція зібрана правильно та мікроконтролер запрограмований вона починає працювати відразу, потрібно лише підстроювання коефіцієнтів А0 та А1 для паяльника та фена. Для цього відразу після подачі живлення за допомогою енкодера встановлюється температура нижче за кімнатну. Далі послідовним натисканням на кнопку енкодера слід вибрати в меню установку коефіцієнта A0 та виставити поточну кімнатну температуру. А потім, вибравши коефіцієнт A1 обертанням ручки енкодера виставити «1.0». Після цього слід закріпити на жалі паяльника зовнішню термопару або інший датчик для вимірювання температури, область навколо жала з датчиком бажано прикрити термостійким теплоізоляційним матеріалом, щоб забезпечити малу тепловіддачу від жала та мінімальну різницю між температурою жала і допоміжним датчиком температури. Після цього слід за допомогою енкодера виставити не високу температуру, наприклад 100 °С. Після стабілізації показань температури, якщо зовнішній вимірювач показує вищу температуру, ніж паяльна станція – слід збільшити значення коефіцієнта А1 а інакше – зменшити. Підбираючи коефіцієнт А1 слід досягти розбіжності у показаннях температури не більше 5 °С. Не слід допускати зростання температури (за зовнішнім датчиком) вище 300-400 °С, якщо це сталося, слід перевірити напругу на виході ОУ DD1.1 та за необхідності підібрати коефіцієнт посилення ОУ так, щоб при максимальній температурі напруга на вході АЦП не перевищувала опорну (Vref). Після цього слід виставити температуру, при якої передбачається виконувати більшість робіт, наприклад 280°С і провести повторне підстроювання коефіцієнта А1.

Аналогічно слід виконати налаштування коефіцієнтів А0 та А1 для фена, розміщуючи датчик температури на відстані в 1 см від сопла, виставивши середню силу потоку повітря. Після виконання зазначених налаштувань паяльна станція готова до роботи.

Про деталі. Як джерело живлення може бути використано будь-який інший блок живлення (імпульсний або трансформаторний), який забезпечує стабілізовану напругу 12 В зі струмом не менше 300 мА і 24 В с струмом не менше 2 А. Поруч із блоком живлення розміщується електролітичний конденсатор 4700 мкФ 35 В, виводи якого служать точкою з'єднання силових і сигнальних шин живлення.

Знижувальний імпульсний стабілізатор А4 виконаний у вигляді окремої друкованої плати. Схема та креслення друкованої плати були взяті з документації [3]. Мікросхема MC33063 може бути замінена MC34063. При наявності блок блоку живлення окремої вихідної напруги 12В блок А4 можна виключити.

Реле К1 для керування живленням паяльної станції, симістор VD1 та оптопара U1 розміщені на окремій друкованій платі для максимального рознесення низьковольтних ланцюгів та мережевої напруги 220 В. Як реле K1 може бути використане будь-яке з напругою котушки 12 В (або 24 В при живленні безпосередньо від джерела живлення 24 В) з контактами розрахованими на напругу не менше 250 В змінного струму і струмом контактів не менше робочого струму блоку живлення та нагрівача паяльного фена з запасом не менше 20 %. Симмістор VD1 в ізольованому пластиковому корпус TO-220 притиснутий до друкованої плати. Його можна замінити на будь-який симмістор на напруга не менше 600 В та номінальний струм не менше 6 А. Симистор встановлюється без радіатора. Як оптопара U1 можна використовувати будь-яку, здатну безпосередньо керувати симістором з допустимою напругою не нижче 600В. Для зниження перешкод у мережі в момент комутації бажано використовувати оптопару з вузлом контролю переходу напруги через нуль.

Плата індикації та управління виконана на односторонньому фольгований склотекстоліт, на якому розміщений 4х розрядний семисегментний індикатор, світлодіоди індикації режиму роботи та потужності нагрівача, а також енкодер. За допомогою гвинтів ця плата кріпиться до передньої прозорої панелі корпусу.

Кнопки SB2, SB3-SB5 типу DS-502 можуть бути замінені будь-якими зручними для монтажу, причому кнопка SB2 має бути розрахована на напругу між розімкненими контактами не менше ~250В і витримувати пусковий струм імпульсного блоку живлення. При використанні імпульсного блоку живлення слід обов'язково переконається в наявності терморезистора в ланцюзі обмеження пускового струму. За його відсутності слід обов'язково його встановити в самому блоці живлення (зазвичай для нього передбачено місце на друкованій платі) або послідовно з кнопкою SB2.

В якості енкодера може бути застосований будь-який з механічними контактами. Автор використав енкодер з 12-ма імпульсами на оборот і вбудованою кнопкою. Як енкодер може бути використаний і оптичний з відповідною схемою живлення та формування логічних рівнів на його виході.

Світлодіодний семисегментний індикатор може бути замінений на будь-якій іншій із загальним катодом, наприклад на KEM-5641.

В якості паяльника можна застосувати будь-який із вбудованим датчиком температури у вигляді термопари та низьковольтним нагрівальним елементом.

Слід зазначити, що іноді зустрічаються паяльники та фени у яких як датчик температури використовується терморезистор. Без зміни схеми вимірювання (DA1) такий датчик температури із зазначеною схемою використовувати не можна.

В якості фена можна використати будь-який із вбудованим датчиком температури у вигляді термопари та нагрівальним елементом розрахованим на напруга 110 або 220 В. Якщо напруга живлення нагрівача не вказана, побічно його можна визначити за законом Ома, орієнтуючись на потужність і опір нагрівача. У автора опір нагрівача виявилося 70 Ом, що відповідає напрузі живлення 220 В. Якщо нагрівач розрахований на 110 В, то в даній схемі слід живити його лише однією напівхвильною мережевою напругою, встановивши діод VD2. Колірне маркування проводів фена наведено на схемі, але після придбання фена її бажано перевірити. Також слід перевірити напругу живлення вентилятора фена, т.к. зрідка зустрічаються версії з нижчими напругою живлення.

В якості корпусу використаний марки Z-1. Лицьова заглушка була замінена на прозору, вирізану з листового полікарбонату, зі зворотного боку якого притиснута прозора плівка, на якій надруковано малюнок передньої панелі. На цій заглушці також встановлені кнопки SB2, SB3-SB5, роз'єми для підключення паяльника ХP1 та фена ХP2, а також плата індикації та управління. Як роз'єм паяльника ХP1 використаний 5-ти контактний DIN 41524 (аналогічний використовується в радянській аудіоапаратурі для передачі звуку), та 8-ми контактний DIN 45326 [4].

Альтернативним застосуванням розглянутої конструкції може стати двоканальний вимірювач температури з датчиком у вигляді термопари та одноканальний регулятор потужності з PWM-виходом та симісторним (пропус імпульсів). Для цього слід у схемі залишити ланцюги виміру сигналу та за необхідності ланцюг управління нагрівачем. Також слід обов'язково залишити енкодер, за допомогою якого виконуватиметься початкове налаштування коефіцієнтів полінома А0 та А1. Після налаштування енкодер можна видалити.

Прошивка: v0.8 (17.06.2013).

Література.

1.  Mean Well. 65W Single Output Switching Power Supply.  http://www.meanwell.com/search/ps-65/ps-65-spec.pdf

2. С. Бирюков, Преобразователи напряжения на микросхеме КР1156ЕУ5. -  Радио, 2001, № 11, c. 38-42.

3. 1.5 A, Step-Up/Down/Inverting Switching Regulators. http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/MC34063A-D.PDF

4. DIN-з'єднувач — Вікіпедія. https://uk.wikipedia.org/wiki/DIN-з'єднувач

Опубліковано:

Оновленно: 27.12.2023


(SKNewVersion)(29032024)
Serhii K Home Page © 2003-2024