Самодельный утюг для лыж с электронным термостатом (ПИД регулятор)

Автор: Fallk
Опубликовано 19.12.2017
Создано при помощи КотоРед.

Внимание! Данное устройство имеет силовые цепи питания 230В, 50Гц гальванически НЕ развязанные от сети и все работы необходимо производить с соблюдением техники безопасности.

Не соблюдение техники безопасности ведет к смерти!

С наступлением зимы начинается лыжный сезон и для того, что бы почувствовать всю радость катания на горных/беговых лыжах или доске спортивный инвентарь необходимо готовить. Одной из основных операциий подготовки является нанесения парафина - для чего требуется специальный утюг. Использование обычного утюга для одежды с механическим термостатом очень не рекомендуется из за гигантского гистерезиса, у меня диапазон температур был от 60°С до 140°С при установки на первом положении. При этом парафин или не плавился или дымил.

Что бы этого избежать необходимо использовать фирменные утюги и желательно с электронной регулировкой, однако их цена зашкаливает за грань здравого смысла. В связи с чем было решено доработать старый утюг до состояния фирменного.

В результате доработки имеем электронную регулировку температуры ПИД регулятором с поддержанием заданного значения. При касании поверхности лыжи имеется падение температуры не более чем 10°С, которая быстро восстанавливается и поддерживается после прогрева поверхности. Температура регулировки от 0 до 200°С. Уставка сохраняется в энергонезависимой памяти.

Зона работы ПИД регулятора составляет dT=50°С. Если температура меньше уставки на 50°С то нагрев идет на максимальной мощности. При разнице ниже 50°С в работу включается ПИД регулятор и начинает контролировать время нагрева.
ПИД закон реализован следующим образом.
Дискретность времени – 1 сек. Каждую секунду пересчитывается мощность воздействия.
Pобщ =Pп+Ри+Рд
Pп=(Туст-Ттек)*Кп – пропорциональная часть
Ри=Рn-1+(Туст-Ттек)*Ки – интегральная часть, где n-1 величина прошлого шага
Pд=(dTтек-dTn-1)*Кд, где dTтек=Туст-Ттек, dTn-1=Туст-Тn-1 – дифференциальная часть
Коэффициенты выбраны для этого утюга:
Кп=1,4
Ки=0,4
Кд=64, причем при разнице температуры больше 10°С дифференциальная часть не реагирует на рост температуры. Таким образом при падении температуры дифференциальная часть добавляет большую мощность, до тех пор пока не начнется рост. При росте температуры и разнице между уставкой и текущей температуры меньше чем 10°С, мощность полностью отключается и нагрев идет за счет тепловой инерции.
Если потребуется изменение, то их можно будет поменять только в прошивке в результате отладки. Но так как все утюги примерно одинаковы, то изменение вряд ли потребуется.

В качестве датчика используется термопара подключенная к преобразователю сигнала термопары в интерфейс на MAX6675. Связь с контроллером осуществляется по SPI интерфейсу. Для устранения влияния наводок термопара присоединяется к поверхности подошвы утюга через теплопроводящую подкладку для транзисторов. Хотя в программе предусмотрены меры по снижению влияния наводки – измерение происходит в момент отсутствия напряжения на нагревательном элементе, но для надежности желательна изоляция. Иначе показания будут скакать и регулятор будет пытаться их отработать.

Регулирование мощности осуществляется симистором BT139-800 с помощью оптопары MOC3063 с контролем прохождения через ноль. Регулировка осуществляется пропуском полупериодов. Таким образом, период полной мощности составляет 1 сек – 50 полных периодов или 100 полупериодов в сети питания. Контроль нуля выполнен программно, управление осуществляется по таймеру. Максимальная мощность составляет 98% для обеспечения начала измерения температуры при нуле. Мощность нагревателя ограничивается лишь поверхностью радиатора, симистор достаточно мощный. Для моего корпуса утюга я смог установить радиатор, с трудом справляющийся с 1 кВт мощности нагревательного элемента.

Питание схемы управления и индикации выполнено с помощью обычного зарядного устройства для телефона, из которого используется лишь плата для возможности размещения внутри корпуса утюга. Необходимо внимательно замерить параметры, так как на многих хоть и указывается 5В, но по факту имеют 6В…8В – что является критическим для контроллера.

Индикация выполнена на трехсимвольном семисегментном индикаторе, работающего в динамическом режиме.

Настройка режимов осуществляется тремя кнопками и при этом интуитивно понятна. При включении в сеть на индикаторе отображается версия ПО и температура уставки, записанная в память. После чего на индикаторе показывается текущая температура подошвы. Так как термопара установлена внутри, то фактическая температура на поверхности незначительно отличается от измеренной. В программе предусмотрена компенсация температуры, показывающая значение меньше фактического на 12,5%. Таким образом, показания приближаются к реальным.

При нажатии на кнопку «Настройка» число на индикаторе начинает моргать и показывать температуру уставки, при этом возможна изменние значения кнопками «Больше» и «Меньше». При долговременном нажатии кнопок изменения происходит ускоренное увеличение/уменьшение значения. После повторного нажатия «Настройка» происходит запись значения уставки в память и переход в режим индикации текущей температуры.

Для контроля над процессом нагрева в схеме предусмотрено подключения индикатора работы нагревателя, устанавливаемого вместо штатного индикатора обычно выполненного на неоновой лампе.

Общие рекомендации:
Утюг необходимо выбирать с гладкой подошвой и без отпаривания. Таким образом, в корпусе будет место, где можно установить платы.
В качестве материала подошвы рекомендуется алюминий и как можно больше толщины. Фирменные утюги имеют толщину 30-40 мм. Инертность системы очень велика и чем массивнее подошва, тем лучше. Я советую изделия постсоветского периода родом из Белоруссии, они сделаны очень качественно. Мною был использован утюг «Элит 300» фирмы «Белвар».
Блок питания необходимо внимательно выбирать, так как напряжение на выходе не всегда 5В.
MAX6675 можно заказать на eBay/AliExpress в виде готовой платы для презренного Arduino. Так выходит дешевле, чем отдельная микросхема.

Перечень основных элементов:
Контроллер PIC16F876A
Преобразователь сигнала термопары MAX6675
Симистор BT139-800
Оптопара MOC3063
Индикатор KEM-5361AG
Разъемы для установку на плату шаг 2 мм (7 pin, 2 pin)
Разъем питания силовой платы – 2 pin с шагом 5,08 мм
Термопара – ТХА (K-тип)

Обший вид и компоновка

Схема принципиальная

Файлы:
Исходники (asm)
Печатные платы
Прошивка (HEX)

Все вопросы в Форум.

Эти статьи вам тоже могут пригодиться:

Терморегулятор на микроконтроллере PIC16F84 и датчике DS18B20.

Термостат для управления мощным нагревателем

Двухканальный термометр-термостат на ATmega8.

Умный термостат для дома

Микроконтроллерный регулятор температуры бойлера.

Термостат для холодильника

Простой термостат с задержкой на ATTINY13 и DS18B20

Термостат на кремниевом терморезисторе серии KTY

Очень простой термостат для отопления.

Термостат радиатора-термометр-вольтметр-автомобиля

Двухзонный термоконтроль, "ТермоОпá". Для мягких электрических обогревателей.

Бюджетный термостат для газового котла.

Терморегулятор на термопаре К-типа

Автоматизация температурных режимов в процессе производства этилового спирта.

Термоконтроллер "Мурка"

Термостат для теплых полов.

Два терморегулятора.

GSM термостат + GSM сигнализация