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【 DigiKey DIY原创大赛】开源项目 - 恒温加热平台

本帖子共计约4700字,40张图片,预计阅读时间10~15分钟

一、作品简介

作品名称:恒温加热平台

功能简介:支持25℃~175℃的温度调节,主要用于手工涂锡膏时给PCB预热、无铅焊接时的PCB预热、手机前后面板的加热拆卸以及湿气敏感元器件的烘烤除湿。

外观尺寸:大小约为手机的一半多,适合桌面使用,也非常便携。

二、外观介绍

外观描述:加热平台设计紧凑,厚度仅1.2厘米,外观简洁。正面外圈是一块平整的PCB(可透光),配备有带背光的触摸按键和TFT-LCD显示屏,用于显示当前温度和工作状态。中间是金属发热板(铝基板)。

侧面设有USB Type-C接口和DC接口,方便连接电源。

背面是一整块铝板,在轻薄的同时也保证了结构强度。

三、功能详细介绍

功能1:PCB预热以方便手工涂锡膏

背景介绍:在DIY时,经常需要焊接PCB,如果每次都制作钢网,花费会比较大。手工涂锡膏是一个省钱的方法。当PCB温度过低时,锡膏不易附着在焊盘上,参考下图:

适当的预热,可以提高锡膏的流动性和附着力,参考下图:

功能介绍:使用加热平台可以提升PCB的温度,让锡膏更容易涂在焊盘上,提高焊接质量和效率。通过精确恒温,可以避免锡膏因温度过高流动性太强,而流到相邻焊盘。

推荐温度:建议预热温度为50°C至85°C之间,具体取决于PCB的厚度和所用的锡膏。

对比照片:

功能2:无铅焊接时的PCB预热

背景介绍:随着环保意识的增强,无铅焊接已成为主流。无铅焊锡有低温和高温两种,低温138°C的无铅锡膏焊接质量较差,高温锡的熔点较高,一般为217°C。使用热风枪直接进行高温焊接可能导致PCB变形,PCB被高温的风枪吹久了还会发黄。适当的预热可以更容易地焊接。

功能介绍:恒温加热平台可以在焊接前对PCB进行预热,使得PCB整体温度更高,让焊接过程更加顺利。

推荐温度:对于无铅高温锡膏,建议将PCB预热至150°C(预热至少5分钟),然后用320°C的热风枪从正面加热,直至锡膏融化。

使用照片:

功能3:给手机前后面板加热,方便拆卸后盖和屏幕

背景介绍:手机维修是一项常见的需求,无论是更换电池还是修复屏幕,都需要先拆除手机外壳。手机前后盖和屏幕通常使用强力粘合剂固定,直接强行拆卸可能会造成部件损坏。适当加热可以软化粘合剂,使其更容易分离而不损伤手机部件。

功能介绍:利用恒温加热平台对手机前后盖或屏幕进行温和加热,可以使粘合剂变得柔软,从而降低拆卸难度。这种方法不仅适用于手机维修,也适用于其他采用类似电子设备(比如移动硬盘)的维修工作。

推荐温度:对手机面板进行加热时,建议温度为85°C左右,以防止过热导致显示屏受损。一般加热几分钟后即可使用拆机片进行拆解。

使用照片:

功能4:湿气敏感(MSL)元器件烘烤除湿

背景介绍:一些元器件(例如部分BGA封装的芯片、大封装钽电容等)对存储环境的湿度有要求,一旦元器件吸收了湿气,在焊接时内部水分可能会使元器件爆裂,导致元器件失效。厂商规定了此类元器件拆封一段时间后,在焊接前就必须烘烤。

功能介绍:加热平台可以对此类元器件进行长时间恒温烘烤,减小元器件在焊接时爆裂的风险。

推荐温度:建议烘烤温度为125°C左右,烘烤时间24小时,或使用元器件厂商推荐的温度和时间。

使用照片:MPM3695芯片数据手册中写了MSL等级为3级,在空气中放置超过7天就需要烘烤,以下是对MPM3695芯片烘烤的照片:

功能5:给包装或者物品上的不干胶贴纸加热,方便撕下贴纸而不留残胶

背景介绍:不干胶贴纸广泛应用于各种包装和物品上,但在去除这些贴纸时,常常会遇到残留胶水的问题。残留的胶水不仅影响美观,还可能损坏表面材质。传统的去除方法如使用溶剂或物理刮除,既费时又可能损伤物品表面。适当的加热可以有效软化胶水,使其更容易清除。

 功能介绍:利用恒温加热平台对贴纸进行加热,可以使贴纸背面的胶水软化,减少撕除时的阻力,从而更容易地将贴纸完整地撕下,不留残胶。这种方法特别适用于贵重或易损物品的表面清洁。

 推荐温度:建议将加热平台设置在75°C左右,加热10秒钟之后可以轻松将贴纸撕下。

 使用照片:左右两侧分别是加热和不加热的对比图,效果非常明显。

功能6:组建自动测试系统,测试元器件的温漂

背景介绍:电阻、电压基准等元器件都有一定的温漂。测试元器件的温漂需要给元器件施加不同的温度,同时手动测量元器件的阻值或电压变化,再计算出温漂,比较费时间。

功能介绍:恒温加热平台支持串口命令,可以组建自动测试系统,节省了大量手动测试的时间。以电阻温漂测试为例,利用恒温加热平台对待测电阻进行加热。使用上位机控制加热温度,每次调高1度;温度稳定之后,上位机控制万用表测量阻值。测完25°C~125°C的100个数据点之后,上位机即可自动绘制出电阻温漂-温度曲线。

使用照片:恒温加热平台能够识别串口命令,并设置加热温度。自动测试系统上位机正在开发中。

四、电路框图

以下是使用得捷电子Scheme- it在线设计工具,绘制的功能框图。

Scheme- it在线设计工具的链接为:https://www.digikey.cn/zh/schemeit/home

 

五、内部电路板照片欣赏

拆开顶板和3D打印的外壳之后,可以看到内部结构。

发热板(铝基板)通过两块PCB支撑,PCB同时提供电气连接。

换个角度看看,可以看到侧面的双电源二选一电路:

发热板的PCB截图,包含PCB走线发热丝、TMP126温度传感器和220°C的温度保险:

TMP126温度传感器特写,采用SPI总线进行通信,最大工作温度可达175°C:

HCRTP-mini-B温度保险特写,如果由于异常情况导致温度高于220°C,温度保险会立即断开,切断发热丝电路:

铝基板侧面图,左侧是0.2mm厚度的线路和FR-4绝缘层,右侧是1.4mm厚度的铝板:

USB Type-C小板,带有TVS管,它和电源板之间通过FPC软排线连接:

FPC软排线另一端的连接器,支持5A电流,中间较细的针脚连接了D+/D-/CC1/CC2等信号线:

USB Type-C小板连接到电源板的样子:

电源板正面:

下面将结合高清微距图,介绍电源板上面的各个功能模块。

USB Type-C电源输入连接器:

USB Type-C和DC-IN圆口,双电源二选一电路,由LM74700理想二极管控制器来控制:

软启动逻辑和输入电流检测电路:

MP4459 Buck降压电路,输出3.3V给主要芯片工作:

电源板和主控板的连接器:

电源板上的所有芯片型号:

U1 LM74700-Q1   Top

U2 LM74700-Q1   Top

U3 INA214      Top

U4 SN74LVC2G17DC(LX)  Top

U5 MPQ4232GVE-0000-AEC1     Top

U6 MP4459DQT   Top

主控板正面:

显示屏连接器:

USB模拟开关,用于切换D+/D-连接到USB-UART芯片或者QC2.0握手电路:

REF3033电压基准,周围开槽以尽量阻挡热量传递到芯片附近,减小温漂:

主控板背面:

STC8H8K64U单片机和外围电路:

LMV393比较器组成的发热器NTC监控电路,NTC开路、短路、过热都可以检测到,并会强制关闭DC-DC输出:

USB-2UART转换芯片,用于单片机程序下载和串口调试:

EEPROM存储芯片:

控制板和电源板的连接器,下方是HUSB238 PD协议芯片:

最后再看一下控制板和电源板的合照:

控制板上的所有芯片型号:

U1 FSW7227YUWQ10G/TR    Top

U2 SC09B  Top

U3 REF3033AIDBZR   Top

U4 HUSB238_002DD  Bottom

U5 OPEN/MPF52002-0012    Bottom

U6 OPEN   Bottom

U7 AT24C128-HXY     Bottom

U8 NIV1161MTWTAG     Bottom

U9 STC8H2K12U 2CDC+HID-TSSOP20      Bottom

U10     LMV393G-SM1-R  Bottom

U11     SN74LVC2G17DC(LX)  Bottom

U12     MP3202    Bottom

U13     STC8H8K64U-QFN64       Bottom

六、电路设计原理介绍

温度检测:采用具有175°C工作温度的温度传感器TMP126,实时监测加热板的温度。TMP126温度传感器通过SPI接口与主控芯片通信。

主控芯片:使用STC8H单片机作为系统的主控芯片,负责接收温度传感器的数据并控制DC-DC和加热元件的工作。

电源管理:采用USB-PD诱骗芯片HUSB238来申请PD高压输出,支持20V/5A的最大输入,确保足够的功率供应。

用户界面:作品正面配备带背光的触摸按键和TFT-LCD屏幕(也可以焊接LED数码管),提供直观的操作和温度显示。

PID控制算法:软件中实现了PID控制算法,确保温度控制的稳定性和准确性。

 

七、程序和算法介绍

完整源代码请下载附件查看,以下是代码介绍:

程序架构:该恒温加热平台的程序分为以下几个主要模块:

初始化模块:初始化温度传感器、屏幕和其他外设。

温度采集模块:定期读取温度传感器和电压、电流采样数据,并进行计算和滤波处理。

PID控制模块:根据当前温度和目标温度,计算PID控制量,调整加热元件的PWM占空比。

用户界面模块:处理触摸按键的输入,更新LCD屏幕的显示。

电源管理模块:控制PD协议芯片并请求合适的PD电压输出,确保系统正常运行。

PID控制算法:PID控制算法是一种常用的反馈控制算法,通过比例(P)、积分(I)和微分(D)三个参数的组合,实现对温度的精确控制。具体公式如下:

其中:

Kp 是比例系数,用于快速响应误差。

Ki 是积分系数,用于消除稳态误差。

Kd 是微分系数,用于减少超调和振荡。

八、智能与创意

智能:本作品的智能化特点体现在以下几个方面:

支持丰富的串口命令:方便调试时读取或修改变量的值,更可以组建自动测试系统,节省了大量手动测试的时间。可以测试电阻、电压基准等元器件的温漂。

串口发送“帮助”之后,本作品的回复如下:

串口发送“设置变量 control.set_temperature = 36.5”之后,本作品的回复如下:

如果命令格式不正确,还可以提示纠正方法:

多参数实时监测:使用多组ADC和传感器,可以实时监测多种参数(包括电压、电流和温度),确保系统的稳定性和安全性。

智能控制算法:根据检测到的参数,采用最适合的控制算法和参数,确保温度的精确控制。

异常保护措施:内置的异常检测和保护机制,能够在出现异常情况时及时采取措施,保护设备和用户的安全。特别是内置了3级过热保护(第一级为软件过热检测,第二级为LMV393比较器组成的NTC开路、短路、过热检测,第三级为HCRTP-mini-B温度断路器),使得过热保护的可靠性极高。

智能电源管理:采用USB Type-C和DC-IN双输入端口,支持同时连接两个适配器,并能自动选择电压最高的适配器供电,同时切断另一个适配器的输入连接。通过内置的PD协议芯片,可以请求最合适的输入电压,提高DC-DC转换器的工作效率。

串口log说明:

创意: 虽然现有的开源网站上有许多类似的加热平台设计,但本作品的创意在于其紧凑的设计和便携性:

紧凑设计:传统的加热平台通常采用发热板和控制板堆叠的设计,使用铜柱来支撑发热板和导电。为了减少热量传递到控制板,需要使用较长的铜柱,这增加了作品的厚度。本作品创新地使用竖放的PCB来支撑发热板,同时提供电气连接。这一设计不仅减少了厚度,还提高了整体的结构强度。

热量管理:通过精确计算,确定了最合适的PCB线宽,实现了在减少热量传递和降低走线电阻之间的最佳平衡。测试结果显示,当发热板温度为150℃时,传递到下部电源板的温度仅为60℃。

极致薄型:经过这些创新设计,该作品实现了仅1.2厘米的厚度。这种薄型设计使得在给PCB预热并手工涂锡膏时,用户可以自然地将手掌放在桌面上,无需长时间举手操作,大大提升了用户体验。

总结:该作品通过创新的设计和智能的控制系统,实现了高效的温度控制,具备出色的便携性和用户体验。希望这些改进能够抛砖引玉,为电子DIY和维修带来更多的便利和创新。

九、演示视频

https://www.bilibili.com/video/BV16vmzYuETT/

十、资料

本次制作的资料完全开源,请下载附件以获取全部资料,附件内容预览如下:

3D模型:外壳的3D模型,导出之后可以直接打印外壳

BOM表:电源板和主控板所有元器件的取值,推荐使用Sprint-Layout软件打开PCB,双击任意元器件可查看型号或数值

Gerber文件:本作品所有PCB的制板文件,可直接提交板厂做板

PCB (Sprint-Layout):本作品所有PCB的源文件,可修改,也可以双击任意元器件查看型号或数值

源代码:完整的C语言源代码,可以使用Keil或者VScode打开工程

CTHP - IO Configuration.xlsx:64脚单片机的GPIO连接配置

板对板连接器.xlsx:电源板和主控板之间连接器的引脚定义

恒温加热平台 附件.zip

视频演示:

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