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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Unidade de controle da estação de solda no microcontrolador PIC16F887. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Tecnologias de rádio amador O artigo discute uma unidade de controle de microcontrolador feita por você mesmo para uma estação de solda, que inclui um ferro de solda de baixa tensão e uma pistola de solda industrial. A unidade também pode ser usada como medidor de temperatura de uso geral de dois canais com termopares como sensores e como controlador de temperatura de canal único. Na prática do rádio amador, muitas vezes há necessidade de um conveniente ferro de solda em miniatura para trabalhar com pequenos componentes de rádio, que tenha baixa tensão de alimentação, temperatura de ponta ajustável e possibilidade de aterramento. Este último reduz bastante o risco de danos aos componentes eletrônicos por eletricidade estática. Muitas descrições de projetos de ferros de solda e secadores de solda (doravante denominados secadores) foram publicadas na literatura, mas a fabricação independente da maioria deles requer equipamentos especiais, materiais adequados e um investimento significativo de tempo. Porém, hoje é possível adquirir ferros de soldar e secadores de cabelo com bicos intercambiáveis prontos e fáceis de usar por um preço baixo. Existem duas opções comuns para o projeto de ferros de soldar, que diferem na forma como a ponta é aquecida e sua temperatura é medida. Na primeira versão, o aquecedor cobre a haste de solda (como nos ferros de solda elétricos clássicos). A temperatura é medida por meio de um termopar pressionado contra sua haste, no lado oposto à ponta. Neste projeto, a bobina de aquecimento é protegida de forma confiável contra tensões mecânicas e danos. Mas as leituras do sensor de temperatura, localizado a uma distância considerável do local real da soldagem, apresentam uma inércia perceptível. Demora algum tempo para que a remoção do calor da ponta (picada) reduza a temperatura da haste. Na prática, esta desvantagem é compensada por uma certa margem de temperatura da haste e sua alta capacidade térmica, o que garante rápido aquecimento do ponto de soldagem. O sistema de controle registra a diminuição da temperatura apenas durante longas soldagens contínuas e a retorna ao valor ajustado, aumentando a potência fornecida ao aquecedor. A segunda opção difere porque o aquecedor está localizado dentro da haste e o sensor de temperatura é pressionado contra ele no ponto do aquecedor mais próximo do ponto de solda. Isto garante uma resposta mais rápida às mudanças na temperatura da ponta durante o processo de soldagem. Esses ferros de solda geralmente usam um aquecedor de cerâmica frágil, que é facilmente danificado quando o ferro de solda cai sobre uma superfície dura ou no caso de outras cargas mecânicas fortes, ou tensões mecânicas internas decorrentes de remoção desigual de calor (por exemplo, ao trabalhar com uma dica fora do padrão). Outra ferramenta de trabalho de uma estação de solda moderna é um secador de cabelo. Com sua ajuda, as seções necessárias da placa de circuito impresso são aquecidas sem contato até a temperatura de fusão da solda por um fluxo de ar de determinada força e temperatura. O secador de cabelo também é conveniente para soldagem em grupo de componentes eletrônicos passivos. São preliminarmente dispostos sobre uma placa de circuito impresso, cobrindo os pontos de solda com uma camada de pasta de solda. Durante o processo de soldagem, esses componentes se centralizam nas almofadas da placa devido às forças de tensão superficial da solda fundida. O secador de cabelo ganhou grande popularidade entre os reparadores, pois pode ser usado para soldar e soldar rapidamente microcircuitos multipinos com passo fino de chumbo. O secador de cabelo também é muito conveniente para aquecer tubos termorretráteis e para soprar com ar quente ou frio áreas de estruturas de difícil acesso. Anteriormente, os secadores de solda eram alimentados por um compressor, que ficava localizado em uma caixa separada e fornecia ar por meio de uma mangueira até a alça do secador, na qual eram instalados um aquecedor e um sensor de temperatura. A necessidade de um compressor remoto e seu alto preço dificultaram a disseminação desses secadores de cabelo nos locais de trabalho dos rádios amadores. Com o advento dos secadores de cabelo com ventiladores embutidos, tornou-se possível eliminar compressores volumosos.
Na fig. 1 mostra uma fotografia de um ferro de solda desmontado de uma estação de solda Solomon SL-10/30 com sensor de temperatura instalado de acordo com a primeira das opções descritas acima, e um secador de cabelo de uma estação de solda Lukey 852D + FAN com um embutido - em fã. Foi para trabalhar com eles que foi desenvolvida a unidade de controle proposta. Um aquecedor de nicromo e um sensor de temperatura são instalados na caixa metálica da frente do secador de cabelo. Por design, o aquecedor é semelhante aos usados em secadores de cabelo. A tensão de alimentação do aquecedor é de 220 V, a potência é de cerca de 250 W. Na parte estendida do cabo do secador de cabelo existe um ventilador centrífugo com tensão de alimentação de 24 V (consumo de corrente 120 mA). Gostaria de chamar a atenção para o fato de que o diâmetro externo da parte metálica do bico deste secador de cabelo é de 25 mm, ao contrário dos populares "compressores" com diâmetro externo do bico de 22 mm. Como resultado, requer bicos especiais, enquanto outros requerem um adaptador para instalação. Um bico caseiro com saída redonda de pequeno diâmetro, mostrado na fig. 2, o autor fez a partir de um antigo capacitor de óxido K50-3 20 uF a 350 V e uma pinça de carro.
Dado que normalmente não se utilizam ferro de soldar e secador de cabelo ao mesmo tempo, optou-se por simplificar o bloco em desenvolvimento combinando os comandos destas ferramentas e utilizando os mesmos indicadores para visualizar a sua temperatura e modo de funcionamento. Principais características técnicas
O esquema da unidade de controle da estação de solda com um ferro de solda e um secador de cabelo conectado é mostrado na fig. 3. O botão do secador de cabelo, indicado no diagrama SB2, não é utilizado. A unidade de controle é construída com base no microcontrolador PIC16F887 (DD1), que possui um ADC de dez bits e está configurado para operar a partir de um gerador de clock integrado com frequência de 8 MHz. O conector X4 é fornecido para programação do microcontrolador. Os capacitores cerâmicos C14 e C15 são instalados o mais próximo possível dos pinos de alimentação do microcontrolador. Para fornecer sinais sonoros, é projetado um emissor sonoro com gerador HA1 embutido, que é controlado por sinais do pino 40 (RB7) do microcontrolador através de uma chave eletrônica em um transistor VT3.
A temperatura é medida através dos termopares BK1 e BK2, instalados respectivamente no interior da pistola de ar quente e do ferro de soldar. Os abrigos DA1.1 e DA1.2 amplificam seu termoEMF. As junções frias dos termopares estão fisicamente localizadas nas alças do ferro de solda e do secador de cabelo, não sendo fornecida compensação pelas mudanças em sua temperatura. Na prática, a ausência dessa compensação não causa transtornos perceptíveis, uma vez que a soldagem costuma ser realizada em ambientes com pequenas variações de temperatura. Como tensão exemplar do ADC do microcontrolador, foi utilizada sua tensão de alimentação (5 V). Isso não levou a um erro perceptível. O pino de entrada de tensão de referência externa do ADC é deixado livre e, se desejado, pode ser usado para conectar uma fonte externa de tensão de referência de maior estabilidade, por exemplo, microcircuitos MCP1541 (4,096 V) ou MCP1525 (2,5 V). Ao alterar a tensão de referência, será necessário um ajuste apropriado dos ganhos do amplificador operacional DA1.1 e DA1.2. Esses coeficientes são definidos usando os resistores R4, R8 para DA1.1 e R6, R9 para DA1.2. Eles devem ser selecionados de forma que na temperatura máxima a tensão na saída do amplificador operacional não exceda o valor da tensão de referência ADC. No caso de interrupções nos circuitos do termopar (inclusive quando desconectados dos conectores X2 e X3 na solda ou secador de cabelo), +2 V são fornecidos às entradas não inversoras do amplificador operacional através dos resistores R3 e R12. Os circuitos R5C1 e R7C2 são filtros que suprimem interferências de alta frequência. Os resistores R10 e R11, juntamente com os diodos de proteção dentro do microcontrolador, protegem as entradas ADC contra sobrecarga. O controle de potência do aquecedor do ferro de solda é organizado usando o módulo de hardware do microcontrolador PWM. Ele gera pulsos de ciclo de trabalho variável no pino 17 (RC2). Usando uma chave poderosa em um transistor de efeito de campo VT1, eles ligam e desligam o aquecedor, alterando a potência média que ele consome. O valor médio da tensão fornecida ao ventilador do secador de cabelo é alterado por meio de PWM implementado em software. Os pulsos do pino 16 (RC1) do microcontrolador são alimentados ao motor do ventilador M1 através de uma chave no transistor de efeito de campo VT2. A potência do aquecedor do secador de cabelo é ajustada saltando periodicamente um certo número de períodos de tensão da rede elétrica. O sinal de controle é gerado pelo microcontrolador no pino 10 (RE2) e entra no circuito de alimentação do aquecedor através do optoacoplador dinistor U1, equipado com uma unidade de sincronização de ligação com o momento de cruzamento zero da tensão aplicada ao seu circuito de saída, e triac VS1. O LED HL1 foi projetado para controlar visualmente o funcionamento do aquecedor do secador de cabelo. O bloco utiliza um indicador LED de quatro dígitos e sete elementos HG1 - RL-F5610GDAW / D15 com cátodos comuns dos elementos de cada categoria. Os ânodos dos elementos são conectados à porta D do microcontrolador DD1 através de resistores limitadores de corrente R24-R31, que são selecionados de forma que a corrente total em todos os pinos da porta D não exceda 90 mA quando qualquer sinal for exibido. Os cátodos comuns das descargas do indicador comutam as chaves dos transistores VT5-VT8 de acordo com os sinais gerados nos pinos RC4-RC7 do microcontrolador. Os LEDs HL4-HL11 estão incluídos no sistema geral de indicação dinâmica como elementos de um quinto dígito adicional, ligados pelo transistor VT9 de acordo com um sinal na saída RC3 do microcontrolador. O LED HL4 é usado para indicar a inclusão do secador de cabelo, e o HL5 é um backup, deve ser usado para melhorar o aparelho. Os LEDs HL6-HL11 formam uma escala discreta, acendendo um de cada vez e mostrando o nível de potência atualmente definido do aquecedor do ferro de soldar (ou secador de cabelo, se estiver ligado) em passos de 1/6 da potência total. Maior potência corresponde a um LED com número de posição menor. Como U2 - um conversor de tensão de rede CA de 220 V para CC 24 V - foi utilizada uma fonte chaveada pronta PS-65-24 [1] com potência de 65 W. O capacitor de óxido C5 é colocado próximo a ele, e deste capacitor fios separados vão para cada consumidor de tensão de 24 V. Para obter uma tensão de 12 V dele, um conversor DC-DC abaixador pulsado é usado no MC33063 (DA2), semelhantes aos descritos em [2] e [3]. O divisor de tensão R17R19 é selecionado para que a saída do conversor mantenha uma tensão de 12 V. Sua presença é indicada pelo brilho do LED HL2. A seguir, o estabilizador linear integrado DA3 eleva a tensão para 5 V, necessária para alimentar o microcontrolador DD1. A tensão de rede de 220 V é fornecida à fonte de alimentação U2 pressionando o botão SB1. O programa do microcontrolador, após a inicialização, coloca um nível lógico alto em sua saída RE0 (pino 8), que abre o transistor VT4. O capacitor C9 garante que no momento da abertura do transistor, a tensão total de 12 V seja fornecida ao enrolamento do relé e seu funcionamento confiável. Após a conclusão do carregamento do capacitor, a corrente através do enrolamento diminui para um valor limitado pelo resistor R23, o que apenas garante que a armadura do relé seja mantida no estado acionado. O LED HL3 indica que a tensão está aplicada à bobina do relé. O relé K1 acionado com seus contatos K1.1 ignora o botão SB1. Agora que pode ser liberado, a alimentação da unidade de controle permanecerá ligada até que o transistor VT4 seja fechado pelo microcontrolador. Após ligar a alimentação, o indicador HG1 mostra brevemente a inscrição com o número da versão do programa e um sinal sonoro soa. É ativado o modo de operação com ferro de soldar, que aquece suavemente até a temperatura definida nas sessões anteriores e registrada na EEPROM do microcontrolador. O valor atual da temperatura é exibido no indicador HG1 e o nível de energia fornecido ao ferro de soldar é exibido usando os LEDs HL6-HL11. Para evitar choque térmico, antes de atingir a temperatura de 100 °C, o nível de potência é limitado a 40% do máximo, e na faixa de 100 ... 300 °C - até 80%. Isso aumenta o tempo para atingir a temperatura operacional, mas prolonga a vida útil do ferro de soldar. Quando a temperatura definida é atingida, estabiliza neste nível. Girando o botão codificador S1, a temperatura pode ser alterada. Ao pressionar o botão SB3, o LED HL4 acende, o ferro de soldar passa para o modo suave (sua temperatura cai para 150 ° C), a ventoinha do secador de cabelo liga e, em seguida, o aquecedor. A temperatura do fluxo de ar do secador de cabelo aumenta de acordo com um algoritmo semelhante ao aquecimento de um ferro de soldar. A temperatura desejada é definida girando o botão codificador S1. Depois de pressionar este botão uma vez, você pode ajustar a intensidade do fluxo de ar girando-o. Ao pressionar novamente o botão SB3, o aquecedor do secador de cabelo é desligado e o ferro de soldar entra no modo de operação. O ventilador do secador de cabelo continuará funcionando até que a temperatura do fluxo de ar caia para 60°C. Depois disso, ele será desligado automaticamente. Com pressionamentos sucessivos do botão do codificador, os nomes dos seguintes parâmetros são exibidos sucessivamente no indicador HG1:
Os coeficientes A0 e A1 são utilizados pelo programa do microcontrolador para determinar a temperatura da ponta do ferro de solda ou o fluxo de ar fornecido pelo secador de cabelo de acordo com o número N obtido como resultado da operação do ADC, que depende linearmente da energia termoelétrica do termopar correspondente. A temperatura T (em graus Celsius) é calculada pela fórmula T = A0 + A1N. Quando o botão do codificador é girado, o valor do parâmetro selecionado muda e é exibido no indicador de forma piscante em vez de seu nome. Se dentro de alguns segundos o botão não for girado ou pressionado, o indicador retornará o valor atual da temperatura do ferro de solda ou do fluxo de ar do secador de cabelo. Ao pressionar o botão SB5, o microcontrolador salva os valores atuais dos parâmetros na memória não volátil, desliga os aquecedores do ferro de solda e do secador de cabelo. Se naquele momento o secador de cabelo estava ativo, o aquecedor é soprado com ar frio até que a temperatura do fluxo em sua saída caia para 60 °C, após o que o microcontrolador ajusta um nível de baixa tensão na saída RE0. O transistor VT4 fecha e o relé K1 abre seus contatos, desconectando a unidade de controle da rede elétrica. Botão SB4 - reserva. Pode ser usado para melhorar e expandir a funcionalidade do bloco. Em vez da fonte de alimentação PS-65-24 (U2) para a unidade de controle da estação de solda, qualquer outra fonte de alimentação de comutação ou transformador pode ser usada, fornecendo uma tensão estabilizada de 24 V DC com uma corrente de carga de pelo menos 2 A. Se você usar uma unidade como U2, que possui, além da saída de tensão de +24 V, outra tensão de +12 V com carga permitida de pelo menos 300 mA, o conversor buck no chip MC33063AP1 pode ser excluído do dispositivo. Se este conversor for usado, o chip MC33063AP1 nele contido pode ser substituído pelo MC34063AP1. O relé K1, o optoacoplador U1 e o triac VS1 estão localizados em uma placa de circuito impresso separada. Isto é necessário para maximizar a remoção de circuitos de baixa tensão daqueles que são energizados com 220 V. Foi utilizado um relé WJ112-1A com enrolamento de 12 V. Em vez disso, é adequado outro com contatos projetados para comutar uma tensão alternada de pelo menos 250 V com uma corrente não inferior à consumida pela unidade de controle e pelo aquecedor do secador de cabelo. Se for selecionado um relé com tensão nominal de bobina de 24 V, ele deverá ser alimentado por uma fonte desta tensão. Em vez do optoacoplador MOC3063, você pode usar qualquer dinistor que possa controlar diretamente um triac com tensão permitida de pelo menos 600 V. Para não aumentar o nível de interferência criada na rede, é aconselhável escolher um optoacoplador com um nó para controlar a transição da tensão aplicada à sua saída através de zero. O triac BT138X-600 em caixa plástica isolada pode ser substituído por um BT138-600 semelhante em caixa TO-220 convencional com flange de metal ou outro que possa suportar uma tensão de pelo menos 600 V no estado desligado, e um corrente de pelo menos 6 A no estado ligado. O triac funciona na unidade de controle sem dissipador de calor. Os botões SB1, SB3-SB5 são do tipo DS-502, mas podem ser substituídos por outros de fácil instalação. O botão SB1 deve ser projetado para uma tensão alternada entre contatos abertos de pelo menos 250 V e suportar a corrente de partida da fonte de alimentação chaveada U2. Certifique-se de que a unidade selecionada possui um termistor que limita a corrente de partida. Na sua ausência, certifique-se de instalar em série com o botão SB1 ou na própria fonte de alimentação um termistor com resistência ao frio de 5 ... 10 Ohm (por exemplo, SCK-052 ou SCK-101). Encoder usado ED1212S-24C24-30F - com contatos mecânicos dando 12 pulsos por rotação e botão embutido. Outro pode ser utilizado, incluindo um codificador óptico com as correspondentes unidades de alimentação e geração de pulsos de saída. O indicador RL-F5610GDAW/D15 pode ser substituído por qualquer outro LED com cátodos comuns dos elementos de cada categoria, por exemplo KEM-5641. Um invólucro Z-1 disponível comercialmente é usado para a unidade de controle. Seu painel frontal foi substituído por uma folha transparente de policarbonato recortada. No verso, é pressionado contra ele um filme transparente para impressão a jato de tinta, no qual é impresso o desenho do painel frontal. Este painel possui botões SB1, SB3-SB5 e soquetes para conexão de ferro de solda (X2 - DIN 41524 de cinco pinos ou ONTS-VG-4-5/16-R, também conhecido como SG-5) e secador de cabelo (X3 - DIN 45326 de oito pinos ou ONTS-VG-5-8/16-R). Uma descrição desses conectores pode ser encontrada em [4]. Atrás do painel transparente há uma placa com indicador HG1 e LEDs. A aparência do bloco junto com um ferro de solda e um secador de cabelo é mostrada na fig. 4.
Se a unidade de controle da estação de solda estiver montada corretamente e o microcontrolador estiver programado, ele começa a funcionar imediatamente, bastando definir os coeficientes A0 e A1 para o ferro de solda e secador de cabelo. Para fazer isso, imediatamente após a alimentação ser aplicada usando o codificador, a temperatura no indicador HG1 é definida abaixo da temperatura ambiente. Em seguida, ao pressionar o botão do codificador, seleciona-se o ajuste do coeficiente A0 para o ferro de soldar e, ao alterá-lo, o indicador mostra a temperatura atual do ambiente. Em seguida, procedendo ao ajuste do coeficiente A1, girando o botão do codificador, obtém-se no indicador seu valor de 1,0. Depois disso, um termopar ou outro sensor de um medidor de temperatura exemplar é fixado na ponta do ferro de solda. É desejável isolar a picada com sensor externo acoplado a ela do ambiente com algum material que não conduza bem o calor, observando os requisitos de segurança contra incêndio. Usando o codificador, defina uma temperatura não muito alta (por exemplo, 1°C) no indicador HG100 e aguarde até que as leituras do termômetro de referência se estabilizem. Caso apresente temperatura acima do valor ajustado, o valor do coeficiente A1 deverá ser reduzido, caso contrário deverá ser aumentado. Ao selecionar este coeficiente, eles garantem que a diferença entre o termômetro exemplar medido e a temperatura definida não exceda 5°C. A temperatura da ponta não deve subir acima de 300 ... 400 ° C (de acordo com um termômetro padrão). Se isso acontecer, você deve verificar a tensão na saída do amplificador operacional DA1.2 e, se necessário, selecionar seu ganho para que na temperatura máxima possível do ferro de solda a tensão de saída do amplificador operacional não exceder a tensão de referência do ADC do microcontrolador. Finalmente, é recomendado definir a temperatura da ponta na qual a maior parte da soldagem deve ser feita e selecionar novamente o fator A1. Da mesma forma, são selecionados os coeficientes A0 e A1 para o secador de cabelo. Neste caso, a intensidade do fluxo de ar é ajustada para média e o sensor de temperatura do termômetro exemplar é colocado a uma distância de 1 cm do bico do secador de cabelo. Após a seleção de todos os coeficientes, a estação de solda está pronta para operação. Com a unidade de controle descrita, você pode usar qualquer ferro de soldar com termopar embutido e elemento de aquecimento de baixa tensão. O secador de cabelo deve estar com elemento de aquecimento para tensão de 220 V e também com termopar embutido. Você também deve certificar-se de que o ventilador do secador de cabelo foi projetado para operar com tensão de 24 V. 3 não são padronizados e podem ser diferentes. Às vezes existem ferros de soldar e secadores de cabelo com termistores como sensores de temperatura. É impossível utilizá-los com a unidade de controle descrita sem fazer alterações significativas em seu caminho de medição (nós no chip DA1) e ajustar o programa do microcontrolador. Uma aplicação alternativa do projeto considerado pode ser um medidor de temperatura de dois canais para quaisquer objetos com sensores na forma de termopares e um controlador de temperatura de canal único. Se o controle de temperatura não for necessário, após definir os coeficientes A0 e A1, o codificador poderá ser removido. O programa do microcontrolador da unidade de controle pode ser baixado de ftp://ftp.radio.ru/pub/2013/10/ps01.zip. Literatura
Autor: S. Krushnevich
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