Мини цифровая паяльная станция с поддержкой термопарных и терморезисторных паяльников

Как то на первом курсе стал я счастливым обладателем паяльника ЭПСН25/24 (с питанием ~24В). И ничего мне для счастья больше не надо было. Через лет пять я успешно сжег трансформаторный блок питания (коснулся жалом к включенному самодельному ионизатору – прострелила искра и пошел дым…) в связи с чем трансформаторный БП был заменен на импульсный.

Но вот прошло 16 лет, наткнулся я на статью [1], и захотелось мне приобрести паяльник с вечным жалом и керамическим нагревателем. Но вот беда: к родному ЭПСН было уже много самодельных насадок – выбросить жалко, да и все найденные конструкции в интернете были слишком уж громоздкие, не хотелось такой гроб на стол ставить (работать приходится по ночам на столе в спальне – жена явно будет против такой обновки…).  Ну и некоторые сомнения были по поводу удобства необгораемых жал. Поэтому решено было сделать паяльную станцию, да такую, что бы поместилась в существующий корпус блока питания паяльника 80х55х65мм(без штырей вилки), да еще что бы можно было подключить к ней и старенький ЭПСН.

Сказано – сделано. Приобрел я паяльник Lukey-REZISTRONIK (21$) с нагревателем HAKKO 1321 (24V 48Wt датчик резистивный – при 25С ~50Ом) и дополнительным жалом Xytronic 44-510604/JP ( 6$ клиновидное 1.6мм).

А в старенький ЭПСН была встроена термопара от китайского мультиметра. Поэтому схема разрабатывалась с учетом поддержки как термопарного датчика так и резистивного.
И вот что получилось...

Принципиальная схема паяльной станции

Размер платы контроллера (без БП) при применении SMD элементов составил всего 43х33мм.

Общий алгоритм работы

При включении контроллер запускает АЦП и считывает уровень напряжения на входах PC0, PC1. Если на обоих напряжение близкое к напряжению питания – паяльников нет, на дисплее высвечивается «Err» – ошибка. Если на одном из входов напряжение становится менее 4,5В выбирается соответствующий тип паяльника: для входа РС0 – термопарный, для РС1 – резистивный; и начинается набор температуры до значения уставки. Для каждого паяльника хранится своя уставка температуры.  При нажатии клавиши «больше» или «меньше» значение уставки текущего паяльника высвечивается на экране в мигающем режиме и  далее увеличивается/уменьшается на 5С. В процессе набора температуры мигает точка последнего индикатора. Когда температура приближается к значению уставки, точка перестает мигать и для резистивного паяльника гаснет, а для термопарного горит постоянно – так можно определить какой паяльник определился программой.

Мощность паяльника регулируется с помощью ШИМ модуляции с помощью ключа VT1. При включении паяльника мощность первоначально набирается плавно – для сохранения нагревателя паяльника. При проверке паяльника Lukey-REZISTRONIK выяснилось, что при напряжении 24В он светится в темноте – мне его стало жалко, и заполнение ШИМ для резистивного паяльника было ограничено до 70%. Для термопарного заполнение ШИМ 100%. Тем не менее паяльник Lukey нагревается от 25°С до 250°С за 60сек.

Алгоритм регулирования мощности следующий: при приближении к заданной температуре менее чем на 10С мощность подводимая к паяльнику уменьшается на 10% на каждый град.С. Для того, что бы точно выйти на заданную температуру в программе вводится температура смещения Tsm, которая принудительно смещает уставку до +–10°С. Первоначально смещение равно +2°С. Если температура паяльника находится в диапазоне (Задан.темпер+Tsm)>=Тек.темпер. >= ( Задан.темпер +Tsm − 10°С), тогда происходит постепенная коррекция смещения Tsm: если Задан.темпер.>Тек.темпер., то смещение Tsm увеличивается на 0,1°С, если Задан.темпер.<Тек.темпер., то смещение Tsm уменьшается на 0,1°С. Таким образом температура достаточно точно выходит на заданную, и колебания не превышают +–1°С. Это фактически аналог пропорционально-интегрального регулятора.

Усилитель сигнала термопары собран на специализированной микросхеме AD8551 по классической схеме. Когда паяльник с термопарой отсутствует, резистор R36 подтягивает не инвертирующий вход к «+» питания, в связи с чем, на ее выходе появляется +5В. – контроллер определяет отсутствие датчика. К сожалению, на плате не хватило места для включения AD8551 по стандартной схеме из даташита – с компенсацией температуры холодного спая, поэтому температура холодного спая задана жестко – 23°С и в программе не учитывается ее изменение. Желающие увеличить точность измерения могут включить DA3 по рекомендуемой схеме.

Измерение температуры резистивного датчика производится с помощью делителя образованного резистором R26 и терморезистором паяльника.

Детали и монтаж

Все примененные детали, кроме DA2 и VT1 – SMD. При проверке индикатора HL1 KOOHI E30361LC8W (с общим катодом) оказалось, что даже при токе 2 мА на сегмент, яркость свечения была достаточно интенсивной. Это позволило обойтись без дополнительных транзисторов, подключив катоды непосредственно к портам контроллера, так как суммарный ток не превышал разрешенные даташитом 40мА на порт. При недостаточной интенсивности свечения возможно уменьшение гасящих резисторов до 560Ом. Индикатор HL1 подпаян к плате тонкими проводами МГТФ, после чего закреплен с обратной стороны к ней же термоклеем.

L1,C3,C5 служат для дополнительной фильтрации питания контроллера, их значения некритичны. С9, С3 – танталовые. VT1 – любой аналогичный с допустимым током не менее 5А и порогом открывания не более 2В. На DA2 необходимо установить небольшой радиатор, для VT1 радиатор не требуется. R33, С10, С11, С12 – служат для фильтрации помех в измерительных цепях: их значения некритичны. SA1, SA2 – микрокнопки без фиксации, запаяны с обратной стороны платы (со стороны индикатора).

Если у кого-то не предвидится паяльник с термопарой – можно смело удалить из схемы C10, R36, R33,C11, R31, R32, R34, R35, DA3, однако вход PC0 нужно будет подтянуть к +5В резистором 10кОм.
Прошивка микроконтроллера производилась с помощью обычного LPT программатора, состоящего из 4-х резисторов (в интернете находится без особого труда). Запрограммированные фьюзы: CKSEL3=CKSEL2=CKSEL0=SUT0=0 – галочки.

Разъем на паяльнике заменен на металлический микрофонный 6-и полюсный – родной PS/2 не внушал доверия. К выводам 1-2 разъема подпаян нагреватель паяльника, а к выводам 3-4 и 5-4 термодатчики (соответственно для терморезистора и термопары). Плата, с предварительно закрепленным на ней индикатором, закреплена в корпусе с помощью термоклея.

Схема обратноходового импульсного блока питания была взята из какого-то журнала, и была собрана на основе 561ЛА7 в качестве задающего генератора с регулируемой скважностью импульсов через цепь обратной связи. Однако, к сожалению, с  годами схема была утеряна, и найти ее пока не удалось. Рекомендую собрать БП на специализированных микросхемах серии TopSwitch или Viper, например, по схеме [4]. Неоднократно собирал БП с этими микросхемами и ни разу не было проблем – запускались сразу.

На передней панели корпуса были сделаны отверстия под кнопки и дисплей. Рисунок панели был распечатан на прозрачной пленке для лазерных принтеров в зеркальном отображении, после чего на рисунок был наклеен двухсторонний белый скотч (белый!! иначе рисунка видно не будет) со стороны тонера  – кроме окна под индикатор. После этого полученный сэндвич обрезают по периметру рисунка и аккуратно наклеивают на корпус – что бы совпали отверстия и кнопки. С внутренней стороны отверстий под кнопки были уложены небольшие кружки из пленки – что бы толкатели кнопок не прилипали к скотчу. Проще всего если кнопки приклеить к передней панели термоклеем – тогда не нужно точно фиксировать плату с кнопками.

Настройка паяльной станции

Калибровку измерения температуры можно произвести в «железе», а можно программно. Для калибровки в «железе» канала измерения температуры термопары необходимо подогнать коэффициент усиления AD8551 подбором резисторов R34, R35. Для калибровки канала измерения температуры резистивного датчика необходимо подобрать R26.

Для программной калибровки нужно подобрать коэффициенты в строках 80..83:
Для резистивного датчика: const_rt0 – значение полученное АЦП контроллера при температуре датчика 0гр.С(т.е. смещение характеристики); const_drt – приращение количества шагов АЦП при изменении температуры в 100град.С (т.е. наклон характеристики).

Для термопары: const_THA0 – температура умноженная на 10 холодного спая термопары; const_THA - приращение количества шагов АЦП при изменении температуры в 100град.С.
Hex-коды прошивки контроллера, исходный проект на Си (для CodeVisionAVR V2.04.4a), схема и разводка платы (PCAD2006) прилагаются к статье.

P.S. Пользуюсь паяльной станцией и паяльником Lukey уже полгода и теперь берусь за ЭПСН только в случае крайней необходимости. Полностью согласен с автором [1], что жало идущее в комплекте с паяльником полностью бестолковое и годится только для коррекции пайки многовыводных SMD элементов. Паять им очень неудобно, и смачивается припоем оно плохо. Кроме этого олово на нем поднимается по острию вверх, а не остается на конце, чем создает дополнительные неудобства. А вот приобретенное клиновидное 1,6мм. жало очень удобное – им легко паять как SMD элементы, так и мощные транзисторы в корпусах типа ТО-220. После чистки о губку (кстати очень быстро и удобно) лудится оно мгновенно – подносишь припой и он сам растекается по кончику жала. Если посмотреть на фотографию жала – видно, что кончик жала покрыт чем-то вроде серебра, поэтому и лудится оно легко.

Литература

1. DI HALT. Трактат о паяльниках. http://easyelectronics.ru/traktat-o-payalnikax.html
2. Д. Мальцев. Термостабилизатор паяльника на микроконтроллере. Радио №2/2010
3. Pavel V. Цифровая паяльная станция своими руками. http://www.radiokot.ru/lab/controller/10/
4. Доработка паяльника от паяльных станций Lukey. http://www.mirmasterov.com/dorabotka-payalnika-payalki-lukey-702.html

Изменения в прошивке (от 02.02.2013):
1. Добавлено шесть кнопок памяти: выводы PD0,PD1,PB2,PB3,PB4,PB5.
2. Добавлен режим корректировки, с вводом поправочного коэффициента температуры.
3. Увеличена максимально задаваемая температура до 400С.
4. Увеличена максимальная мощность паяльника до 90%.
5. Улучшен переходной процесс при выходе на заданную температуру.
6. Добавлена возможность паять при отрицательных температурах.

Скачать прошивку, проект в CodeVisionAVR, печатные платы в P-CAD вы можете ниже

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Микроконтроллер
• Altium Designer
• CodeVisionAVR
• AVR
• Паяльная станция