4-х канальный термостат

общее фото

Данная работа разрабатывалась с целью обучения студентов работе со сложными системами управления, для предоставления студентам тем курсовых и дипломных работ, а также обеспечения лаборатории «ЭТУ» НГТУ рабочими стендами и технологическими установками для производства печатных плат. Здесь описан только процесс разработки аппаратной части универсального контроллера. Самая вкусная часть — разработка программного обеспечения с учетом всех принципов теории регулирования (а в случае электрической печи сопротивления все намного сложнее, чем, скажем, в электроприводе) оставлена студенту и вам, дорогой читатель.

ИСТОРИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПРОЕКТА.

В течение последних трех лет оттачивая мастерство изготовления печатных плат и достигнув немалых успехов в их изготовлении я решил пойти дальше и заказал себе паяльную маску. Но чтобы с ним работать, очень надо печь для сушки. Я стараюсь не отходить от рекомендаций производителя — это основной залог качества, уж поверьте. Продаваемые во всяких МВИДИА печки чрезвычайно дороги и зачастую не позволяют точно поддерживать относительно низкую температуру порядка 50-60 градусов. Поэтому, было решено привезти из деревни печку «Кедр», в которой бабушки пекут пироги и снабдить ее контроллером. К тому же, такой контроллер уже несколько лет мой научный руководитель пытался получить от студентов. Это весело, заставляьть студента спаять хоть что-то руками. Расчеты сделать/скачать да — но с нуля что-то разработать, уж увольте. В итоге два проекта были объединены. Изначальная цель стала побочной, а проект раздулся до невиданных размеров.

ВВЕДЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ.

Изготовление печатных плат фоторезистивным методом — достаточно сложный технологический процесс, требующий исполнения строгих временных рамок отдельных этапов. При изготовлении печатных плат не только под собственные нужды резко повышаются требования к качеству изготавливаемых печатных плат. Все эти требования описаны в ГОСТ 23752-79.

Технологический процесс при изготовлении печатных плат различается для односторонних и двухсторонних плат, однако в обобщенном варианте выглядит следующим образом:

  • адаптация полученной документации под технологический процесс производства;
  • подготовка фотошаблонов;
  • подготовка материалов для печатных плат — раскрой текстолита;
  • нанесение на заготовку фоторезистивных материалов;
  • экспонирование покрытой фоторезистивным материалом печатной платы через фотошаблон с рисунком дорожек;
  • проявка засвеченной печатной платы;
  • травление печатной платы;
  • снятие фоторезистивного слоя;
  • нанесение на печатную плату фоторезистивного материала паяльной маски;
  • экспонирование печатной платы через фотошаблон с рисунком паяльной маски;
  • проявка засвеченной печатной платы;
  • тест-контроль, выпуск изделия

В данном списке отсутствуют пункты по сверлению и металлизации переходных отверстий, однако он полностью отражает многоэтапность всего процесса.

Рассмотрим каждый из этих этапов по отдельности с точки зрения требований к оборудованию.

1. Адаптация полученной документации под технологический процесс производства.

Данный этап — начальный, и начинается он с получения технической документации на изделие. Как правил. Это уже готовые рисунки печатной платы, подготовленные в одной из САПР печатных плат. В этом случае вся подготовка заключается либо в конвертации в необходимый для печати на принтере/плоттере формат, либо данный этап пропускается. В лабораторных условиях, как правило, печать происходит на обычном лазерном или струйном принтере, поэтому подготовка предполагает возможность работы в имеющейся в лаборатории САПР.

2. Подготовка фотошаблонов.

В зависимости от задания на разработку и количества изготавливаемых слоев печатной платы, на данном этапе происходит вывод фотошаблонов на печать и их последующая сушка, установка в рамку и установку для экспонирования.

3. Подготовка материалов для печатных плат — раскрой текстолита.

На больших заводах, как правило, листы текстолита не раскраиваются, однако в лабораторных условиях это невозможно. В этом случае, текстолит необходимо нарезать на удобные/требуемые заготовки при помощи гильотинных ножниц, ножовочного полотна, фрезы или циркулярной пилы, в зависимости от толщины текстолита и наличия определенного оборудования в лаборатории. Следует отметить, что работать с мелкими заготовками невыгодно. Желательно в данном процессе иметь определенные стандартные размеры, определенные какими-либо узкими местами в технологическом процессе. В случае лаборатории, это, как правило принтер/плоттер с форматами печати А4 и А3. Под них и необходимо рассчитывать все остальное оборудование. Помимо раскроя, требуется зачистка поверхности заготовки от загрязнений и окислов. Для этого хорошо подходит наждачная бумага, либо металлическая щетка.

4. Нанесение на заготовку фоторезистивных материалов. ВНИМАНИЕ: Проводить в желтой комнате!

Данный этап сильно зависит от типа используемых фоторезистивных материалов.

4.1 Нанесение на заготовку сухого пленочного фоторезиста(СПФ):

при работе с СПФ достаточно использование специального одностороннего, либо двухстороннего ламинатора. Для этого, заготовка вставляется в ламинатор, и последний включается. На выходе будет покрытая фоторезистом заготовка. В лабораторных условиях приходится ограничиваться резиновым валиком и обычным хозяйственным утюгом. Однако, ламинатор возможно получить и из лазерного принтера, воспользовавшись его термопечкой.

UPD: По этому поводу есть замечательный видеоурок от автора

4.2 Нанесение на заготовку аэрозольного фоторезиста:

в случае использования аэрозольного фотрезиста необходимо нанести равномерным слоем аэрозоль из баллончика. После этого, необходима сушка покрытой заготовки при определенной температуре в течение определенного времени. Данный метод практически не применяется на производстве, и используется только в радиолюбительстве.

4.3 нанесение на заготовку жидкого фоторезиста:

данный способ применяется на производстве. При этом используется принцип шелкографии без рисунка на трафарете. Данный метод обеспечивает равномерный слой фоторезиста. В документации на жидкую паяльную маску [1] извлекаем следующие требования к процессу нанесения:

  • используется нейлоновая, полиэстерная или стальная (нерж.) сетка с ячейкой сетки 0,17 ~ 0,28 мм;
  • нанесение производится резиновым или полиуретановым ракелем твердостью 60 ~ 70˚. Угол нанесения 60~75˚;
  • толщина покрытия: мокрого 30~40 мкм, сухого 15~25 мкм.

После нанесения фоторезиста, требуется его сушка при определенной температуре в течение определенного времени.

В любом из случаев необходимо избегать перегрева нанесенного фоторезиста выше 75 градусов, иначе он потеряет свои фоточувствительные свойства.

5. Экспонирование покрытой фоторезистивным материалом печатной платы через фотошаблон с рисунком дорожек.

Заготовку печатной платы с нанесенным фоторезистом помещают в установку для экспонирования, накрывают ее фотошаблонами, зажимаю весь пакет и засвечивают определенное время при определенной яркости определенной лампы. Следует учесть, что перед началом экспонирования, лампу требуется прогреть. Время прогрева лампы указано в ее документации. К примеру, используемая в лабораторной установке лампа ДРЛ-400 имеет время прогрева 7 минут. Фоторезист марки СПФ-ВЩ засвечивается в течении 40-50с

6. Проявка засвеченной печатной платы.

На данном этапе, засвеченная печатная плата помещается в раствор проявителя и находится там в течение некоторого времени, которое гарантирует полное проявление фоторезиста. При этом, раствор должен иметь определенную концентрацию, температуру, а также, в кювете должен обеспечиваться барбораж проявителя. Последнее возможно достичь либо механическими мешалками, либо подачей на дню кюветы воздуха с компрессора. Также, для заводов характерен способ «сухого» проявления, когда плата висит в воздухе и с обеих сторон поливается проявителем

7. Травление печатной платы.

Требования к этапу травления такие же, как и для этапа проявки — раствор также должен быть определенной концентрации и температуры, и также должно обеспечиваться перемешивание раствора. Следует учесть агрессивную среду раствора для травления, так как в нем корродируют и разъедаются практически любые конструкционные металлы, в том числе нержавеющие стали.

8. Снятие фоторезистивного слоя.

На этом этапе протравленная печатная плата помещается в раствор для снятия фоторезиста. Требования также соответствуют требованиям в этапах проявления и травления.

9 — 11. нанесение на печатную плату паяльной маски.

Данные этапы повторяют по своему технологическому процессу этапы 4 — 6. При этом. Паяльная маска, как правило жидкая, следовательно при нанесении требуется ее сушка. Также, поскольку, к паяльной маске предъявляются требования по жесткости поверхности, заключительным этапом нанесения маски требуется ее окончательная сушка при повышенной температуре.

UPD: По этому поводу есть замечательный видеоурок от автора

12. тест-контроль и выпуск изделия.

Данный этап требуется для выявления бракованных изделий. Способы выявления зависят от технической оснащенности производства и технологической сложности печатной платы. В лабораторных условиях отлично зарекомендовал себя обычный цветной сканер с разрешением до 1200 точек на дюйм.

ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ.

Перед составлением технического задания на разработку, необходимо составить список задач, которые можно реализовать на разрабатываемом устройстве.

1. Термостат сушильной печи.

Назначение: сушка фоторезиста, сушка готовых изделий после покрытия защитными лаками и красками.

2. термостат паяльной печи.

Назначение: выдержка определенной программы нагрева с соблюдением скоростного режима нагрева для пайки готовой печатной платы с применением паяльных паст. Прогрев изделий для полного демонтажа. Прогрев изделий для восстановления контакта BGA компонентов. И проч.

3. Контроллер установки для экспонирования.

Назначение: выдержка режимов прогрева ламп засветки. Выдержка режимов засветки заготовок печатных плат.

4. контроллер кювет жидкостной обработки

Назначение: выдержка режимов жидкостной обработки. Поддержка определенной температуры в кювете/кюветах, обеспечивание перемешивания раствора. Контроль качества раствора.

5. контроллер ламинатора для приклеивания фоторезиста на базе лазерного принтера.

Назначение: обеспечение режимов работы печки и скорости протяжки печатной платы. Контроль расхода фоторезиста.

Таким образом, устройство должно быть универсальным, иметь множество входов и выходов, в том числе входов АЦП и прецизионных усилителей.

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ НА РАЗРАБОТКУ.

Необходимо разработать модульное устройство контроллера технологических процессов.

В качестве нагрузки возможно использование различных исполнительных механизмов — ТЭН-ов электрических печей и нагревателей растворов, воздушных компрессоров, ламп с дроссельным питанием, створок дверей, приводов механизмов.

На плате должен иметься символьный индикатор и 4 кнопки управления для применения прошивки на базе менюОС. Последняя позволяет за 5 минут сконфигурировать очень сложное древовидное меню с программами и утилитами настройки параметров, в результате чего все усилия надо потратить только на разработку мелких конечных программ. На плате должен присутствовать разъем UART.

Требования к термостату:

  • номинальные параметры нагрузки = 220В 1кВт, 50Гц;
  • количество каналов нагрузки = не менее 2;
  • возможность ручного ввода температуры и времени работы;
  • возможность программирования температуры, скорости нагрева электрической печи и времени работы отдельных участков;
  • количество программ нагрева — не менее 4;
  • количество участков нагрева в программе — не менее 10;
  • пределы температур печи 40-300 градусов;
  • точность установки температуры = не более 2градусов;
  • перерегулирование не более 5%;

Требования к экспонирующей установке:

  • номинальные параметры нагрузки = 220В 400Вт, 50Гц;
  • количество каналов нагрузки = 2;
  • количество створок = 2;
  • количество программ засветки = не менее 3;
  • выбор количества сторон для засветки;
  • выбор времени прогрева и времени засветки;
  • наличие ручного режима управления;
  • наличие ручного отключения ламп, закрытия створок;
  • наличие датчика яркости ламп;

Требования к ламинатору:

  • номинальные параметры нагрузки = 220В 500Вт, 50Гц;
  • количество каналов нагрузки =1;
  • количество приводов подачи = до 2;
  • наличие регулятора температуры;
  • ручной ввод температуры и скорости подачи;
  • управление подачей — кнопочное.

Требования к контроллеру кювет:

  • номинальные параметры нагревателей = 220В,200Вт, 50Гц;
  • количество нагревателей = не менее 3;
  • номинальные параметры компрессоров = 220В, 50Вт, 50Гц;
  • количество компрессоров = не менее 3;
  • количество датчиков температуры = не менее 1;
  • возможность применения аквариумных нагревателей. Для кюветы проявки и кюветы смывания раствора возможно ограничение встроенным в нагреватель регулятором температуры;
  • возможность ручного ввода времени нахождения в кюветах. Звуковой сигнал оповещения.

РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ И ВЫБОР КОМПОНЕНТОВ.

схема

При разработке схемы выбор пал на микроконтроллер Atmega168-20PU. Его возможностей вполне достаточно для данных задач. Он имеет 20 ног ввода/вывода, из них 6 — с АЦП.

Для ЖК индикатора требуется 6 выводов, для кнопок 4 вывода. Остается 10 ног. Из них стандартно для данного контроллера распределение 2 ноги — UART, 2 ноги — АЦП и 6 ног — внешняя нагрузка. Разумеется, что все эти ноги можно переназначить. Одна нога подключена к выходу ОУ с большим коэффициентом усиления для подключения термопары. Она также выведена наружу. А ОУ подключается к МК через джампер, т.е. является отключаемым. Схема устройства следующая:

Развожу Я в программе DipTrace. Всем рекомендую. Стандартная версия позволяет разводить в 4 слоях, иметь до 1000 выводов и стоит всего 5200 рублей. (Есть и бесплатная версия, 2 слоя и 300 выводов). Тем более что разработчики программы — наши соотечественники. Схема весьма кривая, поскольку схемы рисую всегда для разводки, а не показухи 🙂 Хотя дипломы и отчеты мне с такими схемами принимали… 🙂

на ней сразу присутствует 4-х канальный блок управления нагрузкой на симисторах. Применяемые симисторы: BT137-600, номинальный ток 8А. Номинальное напряжение 600В.

Помимо ОУ AD8551 с экстремально низким напряжением смещения (не более 5мкВ) можно использовать LMP2011? LT6014 и MAX4237. Но их напряжение смещения выше на порядок и составляет от 20 до 60мкВ. Термопара используется типа Т. Возможно использование любой другой термопары на нужную температуру. При помощи подстроечного резистора устанавливается нужный коэффициент усиления от 150 до 300. С термопарой типа Т максимальная температура в 300 градусов соответствует значению АЦП в 880 из 1024, при максимальном коэффициенте усиления (в изделии ниже прядка 274) и напряжении питания +5В.

РАЗРАБОТКА ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ.

Печатная плата модульной конструкции. Общие размеры печатной платы 160х65мм.

Маркировка:

макрировка

Слева собственно сам контроллер, справа — модуль расширения. Плата односторонняя с 4 перемычками. Слева — разъемы для термопары и АЦП. Справа у контроллера — разъем для подключения доп модулей. Под индикатором — разъем UART. В установках разъем UART должен запаиваться сзади, поэтому расположение его под дисплеем некритично.

Разводка печатной платы, слой Bottom:

разводка_bottom

СБОРКА УСТРОЙСТВА.

После сборки, контроллер начинает работать сразу. Однако, требуется настроить усиление усилителя термопары и откалибровать ее. Для снятия показаний был «собран» вот такой стенд:

снятие показаний

В кастрюльке с водой одновременно, рядышком находятся две термопары — тестовая типа Т и «Эталонная» типа К. Тестовая подключена к АЦП контроллера и на дисплее выводится значение регистра ADC. Показания сразу же заносились в протокол. Протокол забил в Excel и помещен в архив с разводкой. На фото представлена 1 версия печатной платы, изначально разработанная под более узкое применение. У мультиметра М838 паспортная погрешность +-3градуса. Однако вода в чашке кипит и давление на улице достаточно низкое. ЮСБ-преобразователь функциональной роли не выполняет, а лишь питает устройство.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Разработанный контроллер удовлетворяет всем поставленным требованиям технического задания, и на его основе возможно создание всех перечисленных установок. На базе имеющего симисторного модя возможно изготовить электрические печи и установку для засветки. Для последней необходимо датчик освещенности подключить к выходу АЦП1, а ко входу АЦП0 возможно подключить датчик температуры для защиты засвечиваемой заготовки т перегрева в случае останова вентиляции.

Для ламинатора, в дополнение в контроллеру требуется термопара, один симисторный канал и модуль управления либо шаговым двигателем, либо сервоприводом постоянного вращения.

Для контроллера кювет требуется 6 канальный симисторный модуль и звуковой индикатор.

На момент написания статьи было сформировано 8 тем курсовых и дипломных работ на этот год, которые в ближайшие несколько недель будут распределены среди студентов электрофака НГТУ. Все работы заключаются в расчете замкнутых систем управления электрическими печами и их реализации на данном контроллере на языке AVR-GCC.

ЛИТЕРАТУРА.

1. паяльная маска FSR 8000-8G, Техническая информация (RUS).

Добавить комментарий