用平底锅和 Arduino 自制回流焊接台

吃瓜阿阳 2022-10-01 22:45:42

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MAKER：ThomasVDD／译：趣无尽 Cherry（转载请注明出处）

焊接微小的SMD元件是很具有挑战的，但这个过程也是可以自动完成的。它可以通过在（回流）烤箱或电热板上（就像厨房中的烹饪板一样）填加焊膏并将其烘烤完成。在网络上，我见过很多DIY回流炉的，在我看来它们都有一个很大的缺点——它们都太占空间。因此，我决定打造一个迷你款的电炉。
此款加热台是完全可以编程的，可以添加任何回流物件，回流过程完全自动化。让我们一起来建造吧！

步骤1：所需的零件和工具

零件部分

加热盘 × 1
固体继电器（SSR） × 1
电源线 × 1
USB电源插头 × 1
LCD × 1
洞洞板 × 1
Arduino nano × 1
排母 × 若干
K型热电偶 + MAX 6675功率放大器 × 1
按钮 × 1
USB转mini USB线 × 1

所需工具

线夹 × 若干
木胶水 × 1
激光切割机 × 1
钻头 × 若干
烙铁 × 1

步骤2：电炉的制作

这款回流焊接电炉有两种制作方法，怎么选择完全取决于你的电炉。第一个选择是修改现有的外壳，如果它足够大可以容纳SSR、LCD等，就可以。但是如果像我做的这一款没有足够的空间，就不得不设计一个新的电炉。

此款电炉是由中密度纤维板（MDF）激光切割制成。由于活动铰链，这种设计只能在激光切割机上进行，MDF上的小切口使其能够弯曲。这些做好的小部件可以像拼图一样粘在一起，只需使用足够的夹子即可。最后用加热板固定到位（我的底部用螺丝固定）。
另外需要钻一些额外的孔：一个用于电源线，一个用于按钮，另一个用于LCD。然后将LCD与按钮一起安装到位。

热电偶应牢固地按压在加热板上。钻一个洞并让热电偶穿过。接下来，它应该按压在MDF上。我使用了一个小锡条，但你也可以使用胶带或拉链（在热电偶孔旁边钻两个孔，然后穿过它们将拉链穿过）。

需要注意的事情：你可能认为将MDF与250°C的加热台组合起来是个不错的主意。一般情况不是这样，但我已经这样做了，并不是很危险。
MDF部件只接触电炉底板，它比电炉顶部温度要低的多（最高60°C）。另外，MDF和加热台之间还间隔一小段空隙。由于空气是一种非常好的绝缘体，MDF根本不会升温，更不用说着火了。此外，高温只会维持几分钟，因此底部永远不会达到与顶部相同的温度（永远不会达到稳定状态）。
我添加了Fusion 360文件，以便你可以根据自己的需求进行调整。在调整你自己设计的电炉时，请牢记上述警告。文件在本项目文件库可下载。

步骤3：添加电路部分

添加电子部分非常简单，我们只需要连接一些模块。Arduino从热电偶获取温度，其信号由MAX6675放大，然后在LCD上显示温度，并根据需要切换固态继电器（SSR）。所有一切都在图表中显示。

低压部分
由于它们并不耗电，我们可以简单地将所有东西连接到Arduino引脚，并配置所需的电源和接地引脚。
由于空间限制，它并没有像我想象中的那样整洁。我将所有东西都安装在一块小板上，焊接在LCD屏幕的背面。用一些双面胶带将MAX6675粘在背面。
Arduino通过mini USB端口供电，所以我们通过USB电缆将它连接到电源。在开始下一步之前，建议先做测试。

高压部分
现在我们可以连接电炉了。由于这是市电接线，所以我们应该非常小心！

a.如果出现任何问题，我们应该断开电炉防止触电。剥离电源线并将黄色/绿色接地线牢固地固定到外壳上。
b.我们将通过SSR将加热台两个端口连接到电源。将火线（颜色代码取决于你所在的国家/地区）连接到SSR的一侧。通过短导线将SSR的另一侧连接到加热台（与电源电缆相同的仪表/直径）。加热台的另一端连接中性线。
在将加热台安装到外壳上之前，我添加了一个接线图。
c.连接电源适配器：将火线连接到一个终端，中性线连接到另一个终端。

步骤4：编程

编程是把一个普通的锅变成智能回流炉的过程。它能够使我们精确控制温度并添加自定义回流曲线。

回流曲线
回流焊并不像打开加热器那样简单，需要等待，然后再次关闭。温度需要遵循特定的曲线，即所谓的回流曲线。点击这里你可以了解更多，或者在互联网上的其他地方查询。

该代码包含了多个配置文件以满足不同的需求（主要是含铅或无铅焊料）。通过简单的按钮来切换它们。它们被添加在Times_profile和Temps_profile中，它们都是4列矢量。第一列用于预热阶段，第二列用于浸泡阶段，然后上升并最终回流阶段。

控制加热台
跟随这个轨迹来驱动加热台并不是理所当然的。这背后的科学原理被称为控制理论。我们可以在这里深入研究并设计出完美的控制器，但我们会尽可能保持简单，同时保证良好的效果。我们系统的输入是SSR，它打开或关闭，输出的是温度，我们可以测量。通过打开或关闭SSR，基于这个温度反馈，我们就可以控制温度。我会尽可能直观地描述这个过程，并解释如何描述特定的加热台来编码。

我们都知道，打开加热器时，它不会立即变热。开启（动作）和变热（反应）之间有一段延迟。所以当我们想要达到250°C的温度时，我们应该在此之前关闭电炉。可以通过打开加热台并测量打开之间的时间和温度变化来测量延迟。假设延迟是20秒。填入变量“timeDelay”。

另一种方法如下：如果我们在250°C时关闭加热器，它将达到一个更高的值，例如270°C，然后开始稍微降温。在这种情况下温度差为20°C。填入变量“overShoot”。

总结：要想达到250°C，我们在230°C时就关闭电炉，并等待20秒让电炉达到这个温度。
当温度下降后，电炉应再次打开。等待20°C的温度下降的结果不太确定，因此使用不同的阈值。这称为滞后控制（打开和关闭不同的值）。最多加热10秒来维持温度。

测量
为了验证控制器，我通过 Putty 将数据记录到了Excel文件中。正如你所看到的，所产生的回流曲线数据很全面。使用便宜的电炒锅就可以啦！