Cyfrowa stacja lutowniczaKRL1
P R O J E T Y
Cyfrowa stacja
lutownicza RL1, część 1
AVT 987
Stację lutowniczą umożliwiającą
ustawienie wybranej temperatury
w sposób analogowy za pomocą
potencjometru można nabyć
już za około 300 zł. Trzeba
jednak pamiętać, że proste
stacje wykorzystujÄ… do regulacji
temperatury najczęściej regulację
dwustanową typu załącz
wyłącz, przez co temperatura
grota może oscylować wokół
ustawionej wartości nawet
o kilkadziesiÄ…t stopni.
Rekomendacje: Jeżeli zależy nam na precyzyj- tomatycznego doboru nastaw, umoż-
nej stabilizacji temperatury, do ste- liwiajÄ…c tym samym zastosowanie
lutownica to podstawowe
rowania grzałki należy wykorzystać dowolnej lutownicy, która posiada
narzędzie elektronika; wykonanie
algorytm regulacji ciągłej, w którym czujnik temperatury w postaci ter-
stacji według poniższego projektu
w zależności od wartości tempera- mopary typu K. Doboru nastaw sta-
tury, moc grzałki jest regulowana cji dokonujemy tylko raz po pierw-
pozwoli zaoszczędzić trochę
płynnie. Zaprezentowana w artykule szym włączeniu lutownicy lub po
funduszy.
stacja lutownicza, wykorzystuje do jej wymianie. Po wykonaniu samo-
regulacji ciągły algorytm PID (pro- nastrajania parametry regulatora są
porcjonalno całkująco róz
niczkują- zapamiętywane w pamięci EEPROM.
cy), zapewniajÄ…c precyzyjne utrzy-
mywanie temperatury na wybranym Budowa urzÄ…dzenia
poziomie. Czytelny wyświetlacz Schemat elektryczny sterownika
LCD wyświetla temperaturę zada- mikroprocesorowego stacji przed-
ną, temperaturę bieżącą oraz pro- stawiono na rys 1, na rys. 2 na-
centową moc grzałki lutownicy. Do tomiast schemat zasilacza. Ser-
regulacji mocy grzałki zastosowano cem sterownika jest dobrze znany
algorytm grupowej regulacji mocy, wszystkim czytelnikom mikrokontro-
który umożliwia płynną regulację ler ATmega8 (U1) posiadający 8 kB
mocy, zapewniając przy tym mini- pamięci Flash i 1 kB pamięci RAM,
malny poziom zakłóceń radioelek- oraz 10 bitowy przetwornik A/C
trycznych. Stacja może pracować wykorzystywany do pomiaru tempe-
w trzech trybach: w trybie załącze- ratury. Do taktowania mikrokontro-
nia (zadana temperatura jest utrzy- lera wykorzystano klasyczny układ
mywana na ustawionym poziomie), z zewnętrznym rezonatorem kwarco-
w trybie uśpienia (temperatura jest wym o częstotliwości 8 MHz (X1).
PODSTAWOWE PARAMETRY
utrzymywana na połowie tempera- Dość duża częstotliwość pracy mi-
tury zadanej, co umożliwia póz
niej krokontrolera jest podyktowana wy-
" Współpraca z dowolną lutownicą na
napięcie 24 V wykorzystującą jako czujnik powrót do temperatury nominalnej korzystywaniem przez algorytm ste-
temperatury termoparę typu K (na przykład
w ciągu dziesięciu sekund oraz po- rujący liczb zmiennoprzecinkowych.
Pensol SL1)
woduje zmniejszenie utleniania gro- Do komunikacji z użytkownikiem
" Regulacja PID zapewniająca dużą stabil-
ta) oraz w trybie całkowitego wyłą- służy wyświetlacz LCD 2x16 zna-
ność temperatury
czenia (grzałka jest wyłączona). Sta- ków, który ze względu na oszczęd-
" Dokładność pomiaru temperatury: 1oC
" Zakres regulacji temperatury 80...450oC
cja może współpracować z dowolną ność wyprowadzeń pracuje w try-
" Funkcja SLEEP redukujÄ…ca utlenianie grota
lutownicÄ… posiadajÄ…cÄ… termoparÄ™ bie 4 bitowym. Linie danych D0...
" Samostrojenie regulatora dostosowujÄ…ce
typu K i grzałkę na napięcie 24 V. D3 wyświetlacza zostały podłączone
nastawy regulatora PID do lutownicy
Została wyposażona w algorytm au- do linii PD4...PD7, natomiast linie
Elektronika Praktyczna 7/2007
17
Cyfrowa stacja lutownicza RL1
WYKAZ ELEMENTÓW
PÅ‚ytka zasilacza
Rezystory
R1, R2: 10 kV (1206)
R3: 1 kV (1206)
R4, R5: 220 V (1206)
R6: 510 V (1206)
Kondensatory
C1, C2: 1000 mF/25 V
C3, C4, C5, C8, C9, C11, C12,
C13: 100 nF (1206)
C6, C7: 100 mF/16 V
C10: 470 mF/16 V
Półprzewodniki
M1: B1000C1500R mostek prostow-
niczy
TY1: BT136 triak
D1, D2, D3, D4: LL4148
U4: LM311N smd
U3: LM7805
U1: LM78L09
U2: LM79L09
Q1: MOC3020
Inne
J3: złącze
J1: złącze ARK3
J2: złącze ARK2
PÅ‚ytka sterownika
Rezystory
ZM1: 0 V
P1: 10 kV potencjometr
R5: 10 kV 1% (1206)
R1: 22 kV (1206)
R2, R3: 510 V (1206)
R4: 990 kV 1% (1206)
Kondensatory
C2, C5, C7, C8, C10, C11, C12:
100 nF (1206)
C1, C6, C13: 10 mF/16 V
C3, C4: 27 pF (1206)
C9: 470 nF (1206)
Półprzewodniki
D2: dioda Zenera 4V7 smd
U1: ATmega8 zaprogramowany
U6: OP07 smd
D1: dioda LED
Inne
L1: 10 mH
X1: kwarc 8 MHz
J1, J2: złącze
DISP1: DTECH162A  wyświetlacz
LCD2x16
SW1, SW2, SW3: mikroprzyciski
J3: złącze ARK2
* Transformator TST100 2x12 V
* Lutownica SL1 (TME)
elementy oznaczone * nie wchodzÄ…
w skład zestawu
Rys. 1. Schemat elektryczny sterownika mikroprocesorowego stacji
sterujące RS, RW, E do linii por- wyświetlacza. Do linii portu PC1... zbudowany w oparciu o wzmacniacz
tu PB0...PB2. Dzięki wykorzystaniu PC3 została podłączona klawiatu- operacyjny OP07 (U6). Układ ten
wszystkich linii sterujących możemy ra z trzema przyciskami służąca charakteryzuje się niewielkim na-
sprawdzać stan zajętości wyświetla- do komunikacji z użytkownikiem. pięciem niezrównoważenia. Napięcie
cza LCD w programie. Potencjometr Napięcie z termopary umieszczonej występujące na termoparze typu K
montażowy P1 podÅ‚Ä…czony do linii w lutownicy podawane jest na kla- dla różnicy temperatur 500ºC wy-
VEE służy do regulacji kontrastu syczny wzmacniacz nieodwracający nosi około 21 mV, więc aby wyko-
Elektronika Praktyczna 7/2007
18
Cyfrowa stacja lutownicza RL1
starcza napięć 2x12 V i za-
pewnia odpowiedni zapas
mocy dla grzałki lutownicy.
Do zasilania grzałki lutow-
nicy wykorzystywane jest
bezpośrednio napięcie prze-
mienne 24 V, załączane za
pomocą układu sterującego
z triakiem BT136 (TY1) oraz
optotriakiem MOC2030 (Q1).
Załączenie grzałki następuje
w momencie wystawienia
przez mikrokontroler stanu
wysokiego na linii PD3. Do
układu specjalnie został wy-
brany optotriak nie posiada-
jący detekcji przejścia na-
pięcia przez zero, ponieważ
nad włączeniem sterowania
w odpowiednim momencie
czuwa mikrokontroler. Blok
zasilania sterownika lutow-
nicy dostarcza trzech na-
pięć zasilających ą9 V do
wzmacniacza termopary i de-
tektora napięcia zasilającego
oraz +5 V dla mikrokontro-
lera oraz pozostałej części
układu. Został on zrealizo-
wany w tradycyjny sposób
z wykorzystaniem stabilizato-
rów liniowych. Dla napięć
ą9 V zastosowano małe,
100 mA stabilizatory 78L09
(U1) i 79L09 (U2) w obudo-
wie TO 92, natomiast dla
napięcia 5 V wykorzysta-
no 1 A układ 7805 (U3).
Detektor przejścia napięcia
zasilajÄ…cego przez zero zre-
alizowano z wykorzystaniem
układu komparatora LM311
(U4), na wyjściu którego wy-
stępuje przebieg prostokątny
Rys. 2. Schemat ideowy zasilacza o częstotliwości 50 Hz. Każ-
de zbocze sygnału oznacza
rzystać jak największy zakres prze- który jest wykorzystywany do ste- przejście napięcia sieci przez zero,
twornika A/C, wzmocnienie wzmac- rowania grzałki według algorytmu tak więc system przerwań zewnętrz-
niacza zostało ustalone na 100. Dla grupowej regulacji mocy. Linia PD3 nych mikrokontrolera musi być usta-
wyżej wspomnianej temperatury na- jest wykorzystywana do sterowania wiony w taki sposób, aby reagował
pięcie wyjściowe będzie miało war- załączeniem grzałki, której układ na oba zbocza sygnału.
tość ok. 2,1 V. W pętli ujemnego sterujący znajduje się w bloku zasi-
sprzężenia zwrotnego, równolegle lacza. Do linii PD3 podłączona jest Oprogramowanie
do rezystora podłączono kondensa- także dioda LED (D1), sygnalizują- Oprogramowanie sterujące pracą
tor o wartości 10 nF, który powo- ca stan załączenia grzałki. Zasilanie regulatora zostało napisane z wy-
duje ograniczenie pasma przenosze- części analogowej mikrokontrolera korzystaniem kompilatora GCC dla
nia wzmacniacza do około 10 Hz. podłączono za pomocą filtru L1, mikrokontrolerów AVR. Algorytm
Wyjście wzmacniacza, za pośrednic- C8, zapobiegającego przedostawaniu działania programu sterownika
twem ogranicznika z diodą Zenera się zakłóceń z części cyfrowej mi- przedstawiono na rys. 3.
D2 i rezystora R3, podłączone jest krokontrolera. Blok zasilania i część Program rozpoczyna działanie
do wejścia ADC0 przetwornika A/C. sterującą mocy wykonano na od- od inicjalizacji układów peryferyj-
Do wejścia INT0 (PD2) podłączony dzielnej płytce drukowanej. Do zasi- nych mikrokontrolera używanych
jest sygnał informujący o przejściu lania lutownicy wykorzystano trans- w projekcie, takich jak: przetwor-
napięcia zasilającego przez zero, formator TST100 2x12 V, który do- nik A/C, układ czasowy (timer)
Elektronika Praktyczna 7/2007
19
Cyfrowa stacja lutownicza RL1
jako argumenty przyjmuje wartość
List. 1. Funkcja wyznaczajÄ…ca tem-
liczbowÄ… odczytanÄ… z przetwornika
peraturÄ™
//Pobiera wartosc z AC i przeksztalca
oraz wzmocnienie toru wzmacnia-
ja na liczbe
cza wejściowego, wpisane na etapie
float GetTemp(u16 Adc,float ku)
{
konfiguracji do pamięci EEPROM
//Tablica wielomianu dla termopary K
(list. 1).
const static float dw[] PROGMEM =
{
W funkcji tej, na podstawie pa-
2.508355E+01,
7.860106E 02, rametru wzmocnienia oraz wartości
 2.503131E 01,
odczytanej z przetwornika A/C, wy-
8.315270E 02,
 1.228034E 02, znaczane jest napięcie występujące
9.804036E 04,
na zaciskach termopary wyrażone
 4.413030E 05,
1.057734E 06,
w mV. Następnie na podstawie na-
 1.052755E 08
pięcia, z wykorzystaniem aproksy-
};
//Napiecie z przetwornika w mV
macji wielomianowej, wyznaczana
float Vi = (Adc*10.0)/(4.0*ku);
jest różnica temperatur pomiędzy
float di;
float t = 0.0;
zimnym i ciepłym końcem termopa-
for(char i=8;i>=0;i  )
{ ry. Tablica aproksymujÄ…ca zawiera
memcpy_P(&di,&dw[i],sizeof(float));
współczynniki wielomianu dla ter-
t += di;
t *= Vi;
mopary typu K. Jako, że wyliczona
}
wartość temperatury termopary jest
t+= TPOCZ0;
return t;
różnicą temperatur pomiędzy zim-
}
nym, a gorącym końcem, do warto-
ści końcowej jest dodawana średnia
sÅ‚użący do odmierzania odcinków temperatura pokojowa (25ºC), tak
czasu oraz przerwania zewnętrzne- aby otrzymać rzeczywistą wartość
go INT0. Przerwanie jest zgłaszane temperatury grota. Po odczytaniu
w momencie wystąpienia zbocza na- temperatury następuje rozpoczęcie
rastającego lub opadającego. W efek- wykonywania właściwego algorytmu
cie takiej konfiguracji przerwanie regulacyjnego odpowiedzialnego za
zewnętrzne INT0 będzie zgłaszane proces wyznaczenia mocy grzałki.
przy przejściu napięcia zasilającego Moc grzałki jest utrzymywana w za-
przez zero. Po zakończeniu inicja- leżności od trybu pracy (włączenie,
lizacji wewnętrznych układów pery- uśpienie, wyłączenie).
feryjnych mikrokontrolera, program Lutownica może pracować rów-
przechodzi do inicjalizacji wyświe- nież w specyficznym trybie samo-
tlacza LCD, po czym jest wyświe- nastrajania, w którym na podstawie Rys. 3. Algorytm działania programu
tlany ekran powitalny. Na zakoń- zachowania obiektu (lutownicy) wy- sterownika
czenie procedur inicjalizacyjnych
odczytywane są z pamięci EEPROM List. 2. Funkcja odpowiedzialna za proces regulacji temperatury
nastawy konfiguracyjne, czyli współ- void RegThread(void)
{
czynniki regulatora: kp, Ti, Td, Tp,
float e; //Uchyb
float TStab; //Temperatura do stablizacji
współczynnik wzmocnienia wzmac-
u32 timt;
niacza Ku oraz temperatura grota,
/* W zaleznosci od tego czy lutownica dziala
* normalnie czy zostala przelaczona w stan
jaką ma utrzymywać stacja. Jeżeli
* standby to wybieramy albo temp cala, albo polowe temp
pamięć EEPROM jest czysta, wów- */
TStab=(StanZal==ST_STB)?(TZad/2.0):(TZad);
czas przywracane są domyślne na-
switch(StanZal)
{
stawy regulatora oraz parametry
//Samonastrajanie
konfiguracyjne dostosowane do lu-
case ST_TUN:
Err = SelfTunning(&StanTunn);
townicy SL1. Przywrócenie para-
if(Err != 2) StanZal= ST_WYL;
metrów domyślnych następuje rów-
break;
//Wylaczona Regulacja
nież, jeżeli w momencie włączenia
case ST_WYL:
urządzenia równocześnie zostaną
pwm_p = 0;
YOut = 0;
przytrzymane wszystkie klawisze.
break;
Po wykonaniu czynności inicjaliza- //Zalaczony Regulator
case ST_ZAL:
cyjnych program wchodzi do nie-
case ST_STB:
if(!TimPid)
skończonej pętli głównej, w której
{
odbywa siÄ™ proces regulacji tempe-
timt = pid[_TP] * TICKS_PER_SEC;
cli();
ratury oraz ewentualnie samonastra-
TimPid = timt;
janie. Każdy cykl rozpoczyna się
sei();
e = (TStab/450.0)  (ActTemp/450.0);
od odczytania wartości przetwor-
YOut = RegPID(e);
nika A/C, na podstawie której jest pwm_p = YOut * 255;
}
wyliczana temperatura. Za proces
break;
wyznaczania temperatury odpowie- }
}
dzialna jest funkcja GetTemp, która
Elektronika Praktyczna 7/2007
20
Cyfrowa stacja lutownicza RL1
W przypadku, gdy wybrano proces sterownika, w którym mamy możli-
List. 3. Procedura obsługi przerwania
samonastrajania, wywoływana jest wość ręcznego wpisania wzmocnie-
INT0 realizujÄ…ca regulacjÄ™ mocy
funkcja odpowiedzialna za reali- nia wzmacniacza oraz parametrów
grzałki
SIGNAL(SIG_INTERRUPT0) zacjÄ™ tego procesu, natomiast gdy Kp, Ti, Td, oraz Tp regulatora.
{
zmienna przyjmie wartość ST_ Będąc w tym podmenu, klawiszem
static u08 st_pos;
static u08 pwm=0;
WYL, wówczas do zmiennej pwm_ MNU możemy przechodzić pomię-
if(pwm_p==0) {TY0(); return;}
p, której zawartość wyznacza moc dzy poszczególnymi ustawieniami,
else if(pwm_p==0xff) {TY1(); return;}
if(pwm)
grzałki wpisywana jest wartość 0, natomiast klawiszami + i  może-
{
co spowoduje jej wyłączenie. Jeżeli my zmieniać wartość poszczegól-
if(!st_pos  )
{
zmienna StanZal przyjmuje wartość nych ustawień. Wyjście do menu
pwm = !pwm;
TY0(); ST_ZAL (załączenie) lub ST_STB głównego następuje w momencie
st_pos = 255u  pwm_p;
(stan uśpienia), wówczas wykony- równoczesnego wciśnięcia klawiszy
}
}
wany jest proces stabilizacji tem- +  lub po 2 minutach od braku
else
peratury zgodnie z algorytmem PID. reakcji na wciśnięcie określonego
{
if(!st_pos  )
W tym stanie najpierw jest wyzna- klawisza. Równoczesne wciśnięcie
{
czana zmienna e, która jest bezwy- klawiszy MNU i  powoduje roz-
pwm = !pwm;
TY1();
miarową wartością uchybu pomię- poczęcie procesu samonastrajania,
st_pos = pwm_p;
dzy wartością zadaną i zmierzoną, czyli automatycznego doboru na-
}
}
a następnie jest wywoływana funk- staw parametrów regulatora Kp,
}
cja regPID wyznaczającą wartość Ti, Td, i Tp, tak aby zapewnić
mocy grzałki. Funkcja ta zwraca najbardziej optymalny sposób re-
znaczane są nastawy regulatora PID wartość od 0 do 1 określającą moc gulacji temperatury grzałki. Proces
kp, Ti, Td, zapewniające optymal- grzałki. Wartość ta po przemnoże- doboru nastaw trwa kilkanaście
ny sposób regulacji mocą grzałki, niu przez wartość określającą moc minut i kończy się wyświetleniem
tak aby utrzymać temperaturę na maksymalną grzałki przepisywana informacji o przebiegu całej opera-
zadanym poziomie. Dobór nastaw jest do zmiennej pwm_p. Funkcja cji. Proces może zostać w każdej
opiera się na identyfikacji parame- regulacji PID musi być wywoły- chwili przerwany poprzez wciśnię-
trów obiektu cieplnego (lutownicy), wana cyklicznie w ściśle określo- cie dowolnego klawisza. Za regu-
a następnie na wyznaczeniu odpo- nych odstępach czasu, gdzie czas lację mocy grzałki odpowiedzialny
wiednich parametrów regulatora. pojedynczego cyklu regulatora jest jest algorytm grupowej regulacji
Proces regulacji trwa kilkanaście wyznaczany w procesie samonastra- mocy, który jest realizowany przez
minut i jest wykonywany tylko jed- jania. Ostatnią czynnością wykony- procedurę obsługi przerwania INT0
norazowo w momencie pierwszego waną w pętli głównej programu jest przedstawioną na list. 3.
podłączenia lub zmiany lutownicy. obsługa klawiatury oraz aktualiza- P
rzerwanie to jest wywoływa-
Funkcję odpowiedzialną za proces cja stanu wyświetlacza. Sterownik nie w momencie przejścia napię-
regulacji temperatury przedstawiono lutownicy wyświetla trzy podmenu: cia zasilającego przez zero. Prze-
na list. 2. Menu główne w którym jest wy- bieg sieciowy został podzielony na
W zależności od stanu zmiennej świetlana temperatura zadana oraz 255 półokresów, w których stosu-
StanZal, która jest modyfikowana bieżąca tryb pracy lutownicy (On/ nek czasu załączenia do wyłącze-
przez funkcję obsługi klawiatury, Off/Sleep) oraz aktualna moc grzał- nia wyznacza bieżącą moc grzałki.
wybierany jest odpowiedni algo- ki lutownicy. Będąc w tym trybie W tym przypadku cały okres stero-
rytm sterowania grzałką lutownicy. wciśnięcie klawisza ą powoduje wania wynosi 2,55 sekundy, jednak
zwiększanie oraz obiekty cieplne takie jak lutownica
zmniejszanie żą- mają stosunkowo dużą bezwład-
danej temperatury ność cieplną, tak więc z punktu
lutownicy, dłuższe widzenia lutownicy moc grzałki
przytrzymanie kla- jest regulowana w sposób ciągły.
wisza powoduje Procentową moc grzałki możemy
cykliczne zwięk- wyznaczyć według wzoru: P[%]
szanie i zmniejsza- = (pwm_p/255)*100%. Procedura
nie temperatury obsługi przerwania zlicza liczbę
o 10 stopni. Wci- przejść napięcia zasilającego przez
śnięcie klawisza zero i na tej podstawie w zależno-
M N U p o w o d u j e ści od zawartości zmiennej pwm_p
przechodzenie po- włącza lub wyłącza triak (TY1) za
m i Ä™ d z y t r y b e m pomocÄ… optotriaka (Q1). Moment
O n / O f f / S t a n d b y, włączenia triaka jest zsynchronizo-
umożliwiając szyb- wany z przejściem napięcia zasila-
kie przełączenie jącego przez 0, nie są więc gene-
lutownicy. Równo- rowane zakłócenia radioelektryczne,
czesne wciśnięcie jak ma to miejsce w przypadku re-
klawiszy + i  gulacji fazowej.
spowoduje wejście Lucjan Bryndza, EP
w tryb ustawień [e-mail]
Elektronika Praktyczna 7/2007
21