Термофен с цифровой стабилизацией температуры.

Автор: Pavel_V
Опубликовано 25.05.2010

В представленной термовоздушной паяльной станции используется фен от китайской станции Lukey 702, который содержит в ручке турбинный двигатель. К фену я также приобрел штатный держатель, в котором установлены магниты для управления герконом, расположенным в рукоятке фена и служащим для определения положения.

Внимание! Устройство работает с напряжением 220В, которое может быть смертельно опасно для человека! Соблюдайте технику безопасности! Говоря другими словами - пальцы не совать, температуру не щупать! Корпус симистора находится под напряжением.
И еще. Заземление - обязательно!

В основе данного проекта лежит микроконтроллер MSP430F2013 фирмы Texas Instruments, который имеет следующие характеристики:
- 16-битная архитектура, рабочая частота до 16 МГц;
- Встроенный генератор;
- Встроенный 16-разрядный сигма-дельта АЦП с 4-мя мультиплексированными дифференциальными входами;
- Встроенный датчик температуры;
- Программируемый усилитель входного сигнала АЦП;
- Таймер с возможностью вывода ШИМ;
- Универсальный последовательный интерфейс (SPI/I2C).

Технические характеристики термовоздушной паяльной станции:
- Диапазон регулировки температуры 0-500 градусов;
- Диапазон регулировки воздушного потока 0%-100%;
- Спящий режим при установке фена на держатель;
- Есть возможность передачи информации о состоянии (температурах) по протоколу I2C на внешние устройства (нет в текущей прошивке).

Преимущества данной конструкции:
- Минимум компонентов. Все реализовано на одной микросхеме;
- Высокая точность поддержания температуры за счет применения 16-разрядного АЦП;
- Компенсация температуры холодного спая;
- Вычисление температуры осуществляется по таблице + линейная аппроксимация;
- Отсутствие необходимости в калибровке;
- Удобное управление с помощью двух переменных резисторов (в перспективе - также по шине I2C);
- Опторазвязка силовой части схемы;
- Защита от обрыва термопары;
- Защита от зависания (Watchdog Timer).

Недостатки конструкции:
- Отсутствие индикации. Может быть решено при помощи интерфейса I2C и внешнего контроллера (в текущей прошивке не реализовано);
- Сложность прошивки контроллера. Данный микроконтроллер можно прошить только с помощью JTAG адаптера. Впрочем, его конструкция для LPT порта не очень сложная (подробности ниже).

Схема устройства:

Схема ручек управления:

Печатная плата:

Описание.

Цифровая часть:
При первоначальной сборке устройства, не устанавливать конденсатор C5, т.к. он мешает JTAG отладчику. Устанавливать можно после прошивки и отладки.
Резистор R2 и конденсатор C2 заменяются перемычками, они были добавлены для возможности дифференциального подключения термопары, что в прошивке не используется.

Ручки управления:
Резисторы R1, R2 и R3, R4 подобрать таким образом, чтобы в максимальном положении переменных резисторов, на среднем выводе было напряжение 0,4 В.

Общее:
Радиаторы для компонентов не потребовались, т.к. потребляемый устройством ток не превышает 10 мА.
Блок питания - любой на 24 В, рассчитаный на ток нагрузки не менее 150 мА. У меня используется трансформатор + диодный мост + конденсатор.
Внимание! Первое включение следует производить без подключения к сети 220 В!

Первое включение:
1. Крутим ручку регулировки воздушного потока - должны меняться обороты встроенного в фен моторчика от полной остановки до максимума (который зависит от величины питающего напряжения).
2. Выкручиваем ручку регулировки температуры в минимум, а затем плавно увеличиваем температуру (индикатор активности нагревателя не горит), в некоторый момент он загорается. При обратном движении, гаснет.
3. Если все работает правильно, подключаем к разъему SV4 (POWER) напряжение 220 В, а вместо нагревательного элемента - лампочку на 40 Вт. Еще раз проверяем.
4. Если работает, подключаем нагревательный элемент фена и проверяем на низких температурах.
5. Внимание! При первом включении, нагревательный элемент фена обгорает, при этом немного дымится и издает резкий запах. Не следует пугаться этого, просто обжаривайте его в проветриваемом помещении.

Назначение и распиновка разъемов:

Разъем SV4 (POWER)
1, 2 - Вход ~220В
3, 4 - Нагревательный элемент фена
5, 6 - К трансформатору блока питания

Разъем SV5 (24V)
1 - GND
2 - n/c
3 - +24V от блока питания

Разъем SV1 (TC)
1 - Геркон
2 - GND
3 - + Термопары

Разъемы SV2, SV3 (Temp, Motor)
1 - GND
2 - Vout
3 - +3,3В

Разъем SV6 (Motor)
1 - + моторчика
2 - - моторчика

Разъем JP1 (Indicator)
1 - + светодиодного индикатора
2 - - светодиодного индикатора

Разъем SV7 (JTAG)
Стандартный 14-pin JTAG Header.

Распиновка выводов фена:
Красный, Белый - Нагревательный элемент, 220В.

Зеленый - Корпус, Заземление.

Коричневый - + питания моторчика.
Черный - - питания моторчика.

Сиреневый - + термопары.
Желтый - Общий провод (термопара и геркон).
Синий - Геркон.

Логика работы станции

1. Ждущий режим. Если фен установлен на подставке и его температура превышает 100 градусов, вентилятор включается на полные обороты, нагреватель отключается. При достижении температуры менее 50 градусов, вентилятор тоже отключается.
2. Рабочий режим. Если фен снят с подставки, происходит установка заданной скорости воздушного потока и поддержание заданной температуры.
3. Индикатор показывает активность нагревательного элемента.

Индикатор горит - нагреватель включен.
Не горит - нагреватель выключен.
Моргает - рабочий режим, поддержание температуры.

Прошивка микроконтроллера.

К сожалению, данный микроконтроллер не поддерживает загрузку прошивки с помощью встроенного загрузчика (Bootstrap Loader), который доступен в других процессорах этого семейства. Поэтому, остается только два пути:
1. С помощью полноценного 4-проводного JTAG интерфейса.
2. С помощью 2-проводного интерфейса Spy-Bi-Wire.

Программатор для этой цели можно купить или изготовить самостоятельно:
1. MSP430-JTAG (Olimex)
Программу для прошивки рекомендую использовать следующую: MSP FET Kurt. Подходит для адаптера MSP430-JTAG.

Исходный код прошивки, схема и печатная плата.

Программная часть проекта выполнена в интергрированной среде разработки IAR for MSP430. Бесплатная версия KickStart имеет ограничение на размер кода 4К. Среда поддерживает отладку через JTAG интерфейс.

Фотографии законченного устройства:

Файлы:
Печатная плата в формате Eagle и PDF.
прошивка МК с исходниками.

Вопросы, как обычно, складываем тут.