DIY паяльная станция T12 + блок питания

Всем доброго дня!
В этой статье я хочу разсказать, как я делал портативный блок питания и паяльную станцию в одном корпусе и что из этого получилось. Будет радиолюбительство, программирование ардуино, много интересного для начинающих и еще больше букв.


Так уж получается, что большую часть жизни я провожу на работе. Здесь у меня есть хороший инструмент и немного времени, чтобы помогать людям с ремонтом различного електрооборудования. Но баранокороновирус заставил побыть немного дома. И когда кум припер детскую игрушку, в которой отвалился проводок, у меня просто не оказалось, чем его припаять и запитать для проверки.
В общем, решил я, что не мешало бы обзавестись домашним паяльником и источником питания. И так, ТЗ:
1. Удобный паяльник с контролем температуры.
2. Блок питания на 3..12В и пару ампер. В идеале до 5А, хотя бы кратковременно.
3. Малые габариты и вес, что бы взять с собой к клиенту.
4. Возможность питания в полевых условиях, например, от автомобильного аккумулятора.
Хочу еще сказать, что я знаю о существовании TS100 и что от повер-банка с PD и соответствующим тригером — будут чудеса. Но это дорого, да и хотелось задействовать накопившееся дома барахло.

Во первых, в украинском магазине был куплен корпус Z4W. У него ширина 150 мм (как в большинстве моих поделок), глубина 130 и высота — всего 50 мм.

Для питания — я выбрал всем известный народный блок на 24в. Здесь, на сайте, Kirich делал обзор на такой блок. Его хватит и на паяльник, и еще на пару ампер нагрузки. А если без паяльника — то и ампер 5 даст, но кратковременно, иначе в таком корпусе — ему станет жарко.
За паяльную часть будет отвечать контроллер Т12, за блок питания — модуль на XL4016, за измерения — Atmega328.
Самым первым, место в корпусе занял народный блок. Пришлось ампутировать ему левый верхний угол, но ему и на 3-х крепления не плохо.


Модуль преобразователя я купил давным-давно, вот здесь. Такие же — есть и на али.
Схема перобразователя:
.
Для начала, я выпаял с него потенциометр с выключателем и клеммники. Для крепления к днищу корпуса, болты были заменены на стойки, высотой 30 мм. Родный електролиты — мешали стойкам, поэтому были заменены на 35 вольтовые. Они и ниже, и ESR у них в два раза меньше.


На месте входных клем — поселился источник 5 вольт для Атмеги, измерительных цепей и мозгов для паяльника.

Даный преобразователь не умеет СС. Но у китайцев есть много на этой микросхеме, и с таким режимом. Например, Kirich уже делал обзор на подобный преобразователь.

Контроллер паяльника — куплен уже давно. Вот как он выглядит.


Так как на передней панели он занял бы слишком много места, было решено разместить его в глубинах корпуса. А энкодер, разьем и дисплей — вынести на переднюю панель. Ну и «родной» стабилизатор на 5 вольт уже не нужен. Вместо него — будет ушко крепления. При выпайке дисплея — очень помог кусочек медной фольги. А на его место — стал кусочек макетки, со штырьковым разьемом. Помимо линий дисплея, к штырькам выведены сигналы для светодиода нагрева, датчика вибрации, питание 5 вольт и общий. На место выходного разъема — впритык стал папа CH 3.96.


Теперь в Corel draw нарисовал макетик передней панели, с реальными размерами органов управления. Потом распечатал его, вырезал и прикрепил к пластиковой стенке корпуса, и разметил отверстия.

Потом в кореле дооформил панель, распечатал, прорезал отверстия и заламинировал.


Полная схема устройства:

Пришлось изготовить две платы, для индикаторов с атмегой, и для цепей ограничения тока.
Этот процес — я немного описал в этой статье.
Вот так выглядит плата с индикаторами:

Передняя панель — в сборе:


Поверх ее — находится плата измерений и ограничения тока.



В преобразователе — был заменен резистор R7, что бы понизить диапазон установки максимального выходного напряжения с 32 до 23 вольт. Анод диода, который стоит на входе для защиты от переплюсовки — теперь подключен выходу плюс.


Комплекты пап и обжатых мам XH — отсюда.

Ну и вот, как все это разместилось в корпусе


Немного о схеме:
Если к выходным клеммам подключить внешний источник питания от 10 до 24 вольт — можно будет пользоваться паяльником, он запитается через диод VD1. Он был добыт на плате преобразователя, стоял параллельно входу, для защиты от переплюсовки.
ОР1 — усиливает сигнал с датчика тока и масштабирует его до 2,5 вольт при токе 5,12 ампер. Это пригодится при вычислениях, в атмеге. Я специально использовал хороший rail-to-rail ОУ, но схема начинала «видеть» ток на выходе, только начиная где то с 160мА, при падении на шунте (0,16 * 0,01) = 1,6мВ. Ниже этого — на выходе ОУ был ноль. В последствии — был добавлен резистор R13, он явно выделяется на фото. В паре с R16 — он образует делитель до, примерно, 1,4мВ, ОУ теперь видит ток от 50мА. Можно было бы еще увеличить R16, но меня и так устроило.
Делитель на R5, R17, R22 — масштабирует выходное напряжение, что бы получить 2,5 вольт при выходном 25,6. Так — удобнее при вычислении.
OP2 — сравнивает выходной ток с заданием от потенциометра R27 (5мВ...2,5В). При превышении — включает светодиод HL2 подает «притормаживающее» напряжение на вход обратной связи преобразователя.
Встроенный в потенциометр регулировки напряжения выключатель S1 — открывает транзистор VT1, шунтирующий блокирующее напряжение для XL4016, и дает сигнал на атмегу.
Схемка на ОР3 — должна управлять вентилятором охлаждения, но я этот фрагмент не реализовал. Пока — и так не жарко.

О программировании Atmega328:
Я писал програму в среде Arduino IDE, поэтому остановлюсь только на моментах, которые не совсем стандартны для «ардуинопользования».
Контроллер Atmega328 — взят новый. С завода — он не будет работать со средой ардуино, так как в нем нет загрузчика. Программирование будет осуществляться через USBasp программатор и SPI интерфейс. В качестве такого программатора, в теории, можно использовать и обычную ардуину, в стандартных примерах даже есть соответствующий скетч, но я не пробовал. Еще момент: в моем USBasp есть перемычка, которая замедляет скорость интерфейса при прошивке. Мне приходится ее использовать при прошивке новеньких Атмег, видимо с завода они «тикают» на низкой частоте.
На моей плате — не нашлось места для кварцевого резонатора. Но атмега может работать и от встроенного резонатора. Чтобы объяснить Arduino IDE, что так тоже можно, необходимо добавить в нее соответствующее ядро. Я предпочел MiniCore. Делал все по инструкции от Alex Gyver. Теперь в меню инструменты — плата появится вкладочка MiniCore, выбираем там ATmega328. Теперь в меню инструменты — Clock обязательно выбираем Internal 8 MHz. Еще в меню инструменты — программатор нужно выбрать USBasp.
Теперь подключаем программатор к Атмеге, я для этого предусмотрел соответствующие пины на плате, и к USB (само собой, драйвера на программатор должны быть). Включаем питание, выбираем инструменты — записать загрузчик. К слову, у меня не получалось, пока я не переключил программатор на пониженую скорость.
После прошивки загрузчика — можно заливать скетчи на нормальной скорости, через пункт Скетч — загрузить через программатор. Кнопка Загрузка на паннели инструментов — работать не будет.

О программе:
Все сегменты индикатора — подключены к одному порту. Это позволяет выводит информацию очень быстро. У меня — самым не занятым оказался порт D. Под такой вариант и разводилась плата. Как организованы выводы портов — видно на этом рисунке:

Выходы разрядов идут к ардуино пинам 11, 12, 13, 8, 9, 10. Сигнал включения — к 16, Аналоговые значения напряжения и тока, соответственно к А4 и А5. Все это — исключительно в угоду удобству разводки платы.
Ардуино пины 11, 12, 13, как и вывод Reset и GND — подведены к разьему программирования.


Соответственно разводке платы, сигнальные линии порта D, в виде 0bxxxxxxxx соответствуют сегментам bfagcpde, где p — десятичная точка. Значения, которые нужно отправить в регистр для отображения соответствующего символа, лежат в масиве symbols[].

Ардуино меряет аналоговые сигналы относительно напряжения питания. Функция analogRead(PIN) вернет 0, если на соответствующем пине 0, и максимум 1023, если уровень на входе равен напряжению питания. Питание может быть не стабильно, поэтому желательно использовать отдельный источник опорного напряжения. Недорогой и простой способ — это получить 2,5вольт от TL431 (VD6 на схеме) и подать их на Aref микроконтроллера. Функция analogReference(EXTERNAL); переводит АЦП атмеги на работу от внешнего источника опорного напряжения.

Для вывода информации на дисплей используется порт D. Необходимо записать 1 во все биты регистра направления работы и 0 — в биты регистра вывода DDRD = 0xFF; PORTD = 0x00;.

В атмеге есть три аппаратных таймера. Здесь не плохо о них написано. В ардуино они используются для генерации ШИМ, а таймер 0 — для функций delay и millis. Таймеры работают независимо от основного ядра. Они могут генерировать прерывания, это когда процесор прерывает основной цикл, выполняет то, что описано в обработчике прерывания, а потом — возвращается к основному цыклу.

Таймером 1 управляют регистры TCCR1A, TCCR1B. Я включил его на нормальный счет, с тактированием от основного генератора и предделителем 64. Процесор работает на 8 МГц, следовательно таймер будет увеличиваться на 1 каждые 1/(8000000/64=250kHz) = 8 микросекунд.
Теперь нужно разрешить прерывание по сравнению от таймера, в регистре TIMSK1 и записать в регистр OCR1A величину для сравнения. До значения 1250 таймер досчитает за (1250 * 8 мкС) = 10000мкС, или 10 миллисекунд.

Таймером 2 управляют регистры TCCR2A, TCCR2B. Я включил его на нормальный счет, с тактированием от основного генератора и предделителем 32. Это 8 — розрядный таймер. Он считает до переполнения, равного 255, потом сбрасывается на 0, и далее — по кругу, все время.
Теперь нужно разрешить прерывание по переполнению от таймера, в регистре TIMSK2. Переполнятся таймер будет каждые 1 / (8000000/256/32=976.56Hz) = 1024 мкС.

Именем ISR(TIMER1_COMPA_vect) обзывается обработчик прерывания по сравнению таймера 1. Вызывается он каждые 10 мС.
В первую очередь, нужно обнулить счетный регистр TCNT1.
Потом — в отдельные переменные суммируются данные с АЦП напряжения и тока. Через каждые 16 замеров — эти суммы делятся на 16 (сдвиг числа на 4 разряда вправо). Это происходит через 160 мС. Достаточно быстро, и не сильно цифры мельтешат.

Именем ISR(TIMER2_OVF_vect) обзывается обработчик прерывания по переполнению таймера 2. Здесь считаются разряды дисплея, от 0 до 5. И в зависимости от значения, вытягиваем с массива image соответствующее значение в порт D и зажигаем соответствующий разряд.

У уже писал про приведение аналоговых сигналов напряжения 25,5 вольт и тока 5,12 ампер к 2,5 вольтам. Это не спроста. При 25,5 вольт АЦП выдаст 1023. Делим его на 4 и выводим на индикацию число 255. По току — делим на 2 и выводим 512,

Но если по максимальных значениях все удалось подстроить потенциометрами R5 и R19, то на минимальных — наблюдалось занижение результата. Так что по потенциометрах будем выстраивать среднее значение.
Возьмем среднее значение 12 вольт, и крайние 2 вольта и 22 вольта. Собираем математическую пропорцию, получаем, что в АЦП должно быть, соответственно 480, 80 и 883. Заставляем программу выводить значение АЦП напряжения (условие if (TRIMM == 1)) и выставляем на выходе 12 вольт. Резистором R5 — добиваемся показания 480. Ставим 2 вольта, видим 77, вместо желаемых 80, а при 22В — 889 вместо 883.
Функция вывода напряжения принимает вид voltage_display = ((float)voltage_ADC + voltage_corrector) / 4;, где значение коррекции меняется от 3 до -6. Это делается в функции voltage_corrector = map(voltage_ADC,0,1023,3,-6);.
Аналогично — с током. Среднее значение было взято 2А. Крайние 0,5А и 4А. Ожидаемые значения АЦП — соответственно 400, 100 и 800. По условию if (TRIMM == 2) выводим значение АЦП и выставляем резистором R19 показание 400 при реальном токе 2А. При 0,5А получили 90 вместо желаемых 100, а при 4А — 810 вместо 800. следовательно, коррекция меняется от 10 до -10. current_corrector = map(current_ADC,0,1023,10,-10); Вот только когда на АЦП реально 0, коррекция +10 нам не нужна if (current_ADC == 0) current_corrector = 0;. Ну и выводим ток на дисплей current_display = ((float)current_ADC + current_corrector) / 2;. Как результат — получена точность 0,1 вольт и 0,01 ампер.

Когда поворачиваем регулятор напряжения на минимум, до щелчка, размыкается выключатель S1. Закрывается транзистор VT1 и 12 вольт через VD2 поступают на вход обратной связи XL4016. Последняя выключается и на выходе устанавливается 0.
Переменная current_count_timer перестает постоянно сбрасываться и увеличивается до значения 65000.
Но пока она меньше значения 1000 (а длится это 1000 * 10 мс = 10 сек), на индикаторе напряжения высвечивается «A/h», а тока — значение счетчика ампер-часов. Потом, если включений на протяжении этого периода не будет, счетчик сбросится, а на дисплей — выведется «OFF».

В обработчике прерываний таймера 1 постоянно увеличивается переменная ms_3600_ticks. Когда она достигает значения 360, через (360 * 10 = 3600 мС) = 3,6 секунды, в переменную current_count_mA суммируется значение индикатора тока. За час — таких замеров будет ровно 1000. Следовательно, что бы получить значение Ампер/час, нужно эту сумму разделить на 1000.