Forno a riflusso Bluetooth ESP32: 6 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:04

In questo tutorial ti mostrerò come costruire il tuo forno a rifusione wireless in modo da poter assemblare PCB di qualità nella tua cucina senza doversi preoccupare di girare manualmente le manopole e preoccuparsi se le tue schede si surriscaldano! Non solo, ma utilizzeremo la funzionalità Bluetooth Low Energy (BLE) integrata di ESP32 (perché cos'altro useresti nel 2018) e un modulo aggiuntivo che ho creato come parte di un open -ecosistema di controllo del reflow di origine chiamato "Reflowduino". Inoltre, programmeremo tutto nell'ambiente IDE di Arduino e utilizzeremo ciò che abbiamo appreso in un precedente tutorial per controllare l'impostazione del reflow con un'app Android personalizzata. Ho fornito tutti i file di progettazione, esempi di schizzi Arduino, app demo e wiki del progetto (un sacco di informazioni!) Sulla mia pagina Reflowduino Github.

Se non lo hai già fatto, consulta questo tutorial sull'utilizzo della funzione Bluetooth Low Energy di ESP32 con Arduino IDE e sulla creazione di una comunicazione bidirezionale con un'app Android personalizzata perché contiene molte informazioni pertinenti relative a ciò che tratteremo qui. Tuttavia, se non ti interessa davvero il funzionamento interno del Bluetooth e dell'app, continua a leggere e ti mostrerò come far funzionare senza problemi la configurazione del tuo forno a rifusione! Il mio obiettivo per questo tutorial è renderlo breve e dolce pur continuando a trasmettere i messaggi chiave!

Dichiarazione di non responsabilità sulla sicurezza

Se sei un principiante in elettronica o non hai l'esperienza adeguata per lavorare con la tensione di rete, ti suggerirei di non scherzare, consultare un professionista o continuare ad imparare finché non sarai abbastanza esperto! Non sono responsabile per eventuali incidenti che potrebbero verificarsi a causa di un uso improprio del Reflowduino o dei suoi componenti associati o del sistema elettrico (compresa l'alimentazione di rete). Prendi tutte le precauzioni di sicurezza necessarie, come guanti e occhiali di sicurezza certificati. Inoltre, non è consigliabile utilizzare lo stesso apparecchio per ridistribuire i PCB e anche per cucinare alimenti per il consumo, che possono provocare intossicazioni alimentari, in particolare con la saldatura al piombo. Sei pienamente responsabile delle tue azioni e le esegui a tuo rischio e pericolo!

Con questo, cominciamo!

Passaggio 1: raccogliere le parti

Per questo tutorial avrai bisogno dei seguenti componenti:

• Scheda di sviluppo DOIT ESP32
• Cavo micro USB (per caricare il codice e alimentare la scheda di sviluppo ESP32)
• Modulo "zaino" Reflowduino32 per la scheda di sviluppo ESP32
• Forno tostapane (leggi i commenti sotto per maggiori dettagli)
• Termocoppia tipo K (inclusa con Reflowduino32)
• Modulo relè Sidekick (viene fornito con un cavo di alimentazione C13 per impieghi gravosi)
• 2x cavi jumper Dupont maschio-maschio (per collegare il Reflowduino32 al modulo relè)
• Cacciavite a testa piatta piccolo (per serrare i terminali a vite)

Gli ingredienti principali qui sono la scheda di sviluppo ESP32, Reflowduino32 e il modulo relè Sidekick e, naturalmente, il tostapane stesso. Spiegherò brevemente ogni elemento di seguito:

Scheda di sviluppo ESP32 + Reflowduino32

Attualmente il Reflowduino32 è progettato per collegarsi alla scheda di sviluppo ESP32, quindi la scheda di sviluppo deve avere la spaziatura e i pinout delle intestazioni corretti affinché funzioni. Ho progettato lo zaino Reflowduino32 appositamente per la scheda di sviluppo ESP32 "DOIT" poiché ho notato che era prontamente disponibile online e sembra essere ampiamente utilizzato. Tuttavia, se trovi un'altra scheda di sviluppo ESP32 con gli stessi pinout e spaziatura dei pin, fammelo sapere perché dovrebbe funzionare anche questo!

Tostapane

Dovrebbe essere piuttosto ovvio cosa fa questo nel grande schema delle cose, ma potrebbe non essere così ovvio su quale tipo e modello scegliere. Personalmente ho testato questo tostapane economico Walmart che ha una potenza nominale di 1100 W ed è piuttosto generico. Penso che qualsiasi cosa superiore a 1000 W dovrebbe essere adeguata per l'uso da parte degli hobbisti, ma ci sono alcune considerazioni. Le cose fondamentali da cercare in un tostapane sono la potenza (>1000 W preferibilmente), le dimensioni (quante schede vuoi metterci dentro?), la configurazione del vassoio (ha un bel vassoio piatto che puoi usare per mettere il PCB è acceso?) e se si tratta o meno di un forno a convezione (forse cucinerai lotti più grandi di schede e desideri una distribuzione più uniforme della temperatura in tutto il forno?). Tutti questi fattori dipendono davvero dalla tua applicazione personale, ma per me il tostapane Walmart economico e generico ha funzionato bene.:)

Potresti chiedere, che dire dei piatti caldi? Secondo me eviterei le piastre calde perché tendono ad avere un'elevata massa termica. Ciò significa che si surriscaldano e continuano a riscaldarsi anche dopo averlo spento. Ciò lo rende davvero imprevedibile per un controllo preciso della temperatura perché la temperatura può superare di grandi quantità e potenzialmente danneggiare qualsiasi componente vulnerabile delle schede. Fondamentalmente l'utilizzo di una piastra riscaldante annullerebbe lo scopo di utilizzare un controller di riflusso in primo luogo.

Modulo relè

Per controllare la temperatura dobbiamo controllare l'accensione e lo spegnimento del tostapane in base alla temperatura che leggiamo dalla termocoppia. Tuttavia, il tostapane è un apparecchio CA ed è relativamente ad alta potenza (con i tostapane da 120 V CA in genere consumano circa 8-10 A), quindi dobbiamo assicurarci di poterlo guidare correttamente senza sovraccaricare il relè. Un'altra considerazione è la tensione di controllo del relè. La maggior parte dei relè per hobbisti (compatibili con Arduino) in grado di commutare correnti elevate sono classificati per ingressi a 5 V, ma in questo tutorial abbiamo a che fare con un ESP32 che funziona a 3,3 V. Ciò significa che il modulo relè Joe medio potrebbe non funzionare per noi. Tuttavia, nel caso in cui si desideri utilizzare un modulo relè diverso, ho progettato una funzione in cui è possibile modificare la tensione di controllo del relè dal valore predefinito di 3,3 V alla tensione "VIN" della scheda di sviluppo ESP32, che per impostazione predefinita è ~ 5 V quando alimentato tramite USB. Tuttavia, potresti teoricamente alimentarlo esternamente con qualcosa di superiore a 5 V, ad esempio 9 V, e quindi la tensione di controllo del relè sarà di 9 V. Detto questo, normalmente non avrai bisogno di nulla sopra i 5V.

Questo è in parte il motivo per cui ho creato il modulo relè Sidekick, un relè a stato solido ad alta potenza in grado di commutare qualsiasi apparecchio legale da 120 V CA e senza alcun rumore di clic (stato solido) come i relè tradizionali! Ha anche connettori molto sicuri e convenienti e per collegare facilmente l'apparecchio, il microcontrollore e l'alimentazione di rete (la presa a muro CA), quindi questo è quello che userò qui. La parte bella è che non devi nemmeno aprire il tostapane per controllarlo!

Passaggio 2: configurazione hardware

Concetti di controllo

In realtà, il concetto è piuttosto semplice: in definitiva il nostro obiettivo è controllare la temperatura all'interno del tostapane. Per fare ciò dobbiamo controllare l'accensione e lo spegnimento periodico del forno tostapane con il modulo relè, analogo a PWM ma una versione molto lenta di esso (ogni finestra temporale è di 2 secondi, quindi potrebbe essere acceso per 1,5 secondi e spento per 0,5 secondi). Per pilotare il relè dobbiamo dargli una tensione adeguata sui pin di controllo del relè (logica HIGH = ON, LOW = OFF). Nel nostro caso colleghiamo semplicemente i due ingressi di controllo del relè al terminale a vite del relè del Reflowduino32. Il motivo per cui non colleghiamo direttamente i pin digitali ESP32 al relè è perché il relè assorbe una buona quantità di corrente (rispetto a quella che i pin IO possono gestire) e non vogliamo sovraccaricare ESP32. Il Reflowduino32 include la commutazione MOSFET low-side e può gestire oltre 200 mA di corrente, risparmiando così i pin di ESP32 da qualsiasi potenziale danno.

Fondamentalmente basta seguire lo schema elettrico "Reflowduino32 + Sidekick Control" sopra e dovresti essere a posto!

Manopole Forno Tostapane

Che ci crediate o no, questa è una sezione cruciale di questo tutorial! Se non presti attenzione qui ti starai chiedendo perché il tuo tostapane non si accende anche se hai seguito perfettamente tutto il resto. Come mai? Bene, per poter controllare il tostapane dall'esterno (tramite il suo cavo di alimentazione) senza aprirlo, dobbiamo fare in modo che il tostapane fosse sempre acceso se dovessimo collegarlo direttamente alla parete. Poiché il tostapane è attivato dal relè, possiamo controllare quando il tostapane è spento, ma se a volte il tostapane è acceso oa volte spento quando il relè è attivo, allora ci stiamo preparando per il fallimento. Ecco perché la prima cosa che dobbiamo fare è regolare le manopole del tostapane. La maggior parte dei forni tostapane avrà tre manopole: una per la temperatura, una per l'impostazione di cottura e un'altra per il timer. Quello che devi fare è quanto segue:

• Al massimo la temperatura (non vogliamo che il nostro processo di rifusione si fermi a metà strada!)
• Imposta l'opzione di cottura su "Cottura" o qualsiasi altra cosa faccia accendere tutti i filamenti di riscaldamento all'interno!
• Al massimo il timer o, nel caso del mio tostapane, ruota la manopola del timer su "Stay on" in modo che non si spenga mai!

Dopo averlo fatto, collega il cavo di alimentazione del tostapane a una presa e dovresti sentirlo e vederlo accendersi. Bingo! Se nel caso temi di smarrire accidentalmente le manopole, sentiti libero di incollarle a caldo in posizione in modo che non si muovano mai!

Ora che il nostro tostapane è sempre acceso quando alimentato, possiamo accenderlo o spegnerlo con il relè con la tranquillità che si accenderà davvero quando il relè è attivo.

Note sul cablaggio

Ecco solo alcune note che potrebbero aiutarti o meno quando metti tutto insieme:

• La prima cosa che vuoi fare è collegare lo zaino Reflowduino32 ai primi sei pin della scheda di sviluppo DOIT ESP32 (in modo che i terminali a vite siano sullo stesso lato della micro USB sulla scheda di sviluppo). Nel caso ve lo stiate chiedendo, lo zaino è progettato in modo da poter ancora inserire i cavi Dupont nella scheda di sviluppo ESP32 adiacente al Reflowduino32 come mostrato nell'immagine sopra.
• Un'altra cosa da tenere in considerazione è la polarità degli ingressi del relè. Sono entrambi etichettati accanto ai terminali a vite, ma voglio evitarti di scambiarli accidentalmente e di chiederti cosa succede quando il tostapane non si accende!
• È inoltre necessario collegare la termocoppia nel terminale a vite sullo zaino Reflowduino32. All'inizio potrebbe essere difficile vedere quale filo è di quale colore (giallo o rosso), quindi potresti dover usare l'unghia e staccare delicatamente l'isolamento leggermente. Tuttavia, non farlo con forza per ridurre al minimo lo sfilacciamento!
• Ho letto da alcune persone che potresti ottenere risultati più accurati se infili la termocoppia in un PCB di scarto in modo tale che la punta sia a contatto con la superficie del PCB. Una scheda di scarto di dimensioni simili alle schede che stai assemblando darà alla termocoppia una massa termica comparabile e quindi renderà le letture più accurate. Questo ha senso se pensi al raffreddamento; senza il PCB di scarto, la punta della termocoppia si raffredderà molto più velocemente dei PCB che stai assemblando, e lo stesso vale con il riscaldamento molto più veloce.
• C'è un interruttore di alimentazione sul modulo relè Sidekick. Se non si accende, il tostapane non si surriscalda! Tuttavia, per ora lascialo spento prima di caricare il codice sulla scheda ESP32.

Passaggio 3: configurazione dell'IDE Arduino ESP32

Ora che hai tutto l'hardware configurato, diamo un'occhiata al software necessario per far funzionare tutto.

Nota: queste istruzioni di installazione di ESP32 Arduino di seguito provengono direttamente dal passaggio 2 del mio precedente tutorial ESP32 Bluetooth. Questo è uno di quei posti in cui, se non l'hai già fatto, potrebbe essere una buona idea dare un'occhiata a quel tutorial per saperne di più sulle funzionalità Bluetooth di ESP32.

Questo è abbastanza ovvio, ma la prima cosa che devi fare è installare Arduino IDE. È stato detto abbastanza.

Installazione del pacchetto ESP32

La prossima cosa che devi fare è installare il pacchetto ESP32 per Arduino IDE seguendo le istruzioni di Windows o le istruzioni del Mac. Dirò che per Windows quando le istruzioni ti dicono di aprire "Git GUI" devi scaricare e configurare "Git" dal link fornito e se hai difficoltà a trovare un'applicazione chiamata "Git GUI" allora tutto ciò di cui hai bisogno da fare è cercare "Git GUI" nel menu di avvio e vedrai una piccola icona dall'aspetto simile a un prompt dei comandi (vedi lo screenshot allegato sopra). Si trova anche in "C:\Programmi\Git\cmd\git-gui.exe" per impostazione predefinita. Da lì, segui le istruzioni e dovresti essere a posto! Nota: se hai già installato il pacchetto ESP32 nell'IDE Arduino ma non l'hai ricevuto dopo che il supporto BLE è stato aggiunto al pacchetto, ti consiglio di andare su "Documenti/hardware/espressif" e di eliminare la cartella "esp32" e rifacendo le istruzioni di configurazione sopra. Lo dico perché mi sono imbattuto in un problema in cui, anche dopo aver seguito la procedura di aggiornamento in fondo alle istruzioni, gli esempi BLE non venivano visualizzati negli "Esempi" in "Esempi per il modulo di sviluppo ESP32" nell'IDE di Arduino.

Prova ESP32

In Arduino IDE la prima cosa da fare è andare su Strumenti/Scheda e selezionare la scheda appropriata. Di solito non importa quale scegli, ma alcune cose potrebbero essere specifiche della scheda (in genere la numerazione GPIO e cose del genere), quindi fai attenzione! Ho scelto "ESP32 Dev Module" per la mia scheda. Procedi anche e scegli la porta COM corretta dopo aver collegato la scheda al computer tramite il cavo USB.

Per verificare se l'installazione di ESP32 è andata a buon fine, vai su File / Esempi / ESP32 BLE Arduino e dovresti vedere diversi schizzi di esempio, come "BLE_scan", "BLE_notify", ecc. Ciò significa che tutto è impostato correttamente nell'IDE di Arduino!

Ora che l'IDE Arduino è tutto configurato, verifica se funziona davvero aprendo l'esempio Blink in File -> Esempi -> 01. Basics -> Blink e modifica tutte le istanze di "LED_BUILTIN" in "2" (il numero GPIO predefinito che controlla il LED sulla scheda di sviluppo DOIT ESP32). Dopo aver caricato lo schizzo dovresti vedere il LED blu lampeggiare ogni secondo!

Passaggio 4: schizzo dimostrativo Reflowduino32

Configurazione della libreria

Ora che hai installato il pacchetto Arduino ESP32, vai al repository Github di Reflowduino e scarica lo sketch Reflowduino_ESP32_Demo.ino. (Quando provi ad aprirlo Arduino ti chiederà se vuoi creare una cartella contenente lo stesso nome dello sketch, nel qual caso clicca su "Sì" per aprirlo). Questo schizzo è una demo completa del forno a riflusso che legge la temperatura dalla termocoppia, invia periodicamente tali letture a un'app Android personalizzata (menzionata nella sezione successiva), controlla il relè (e infine il tostapane) di conseguenza in base al controllo PID e riceve comandi dall'app. Tutto questo su ESP32! Abbastanza pulito eh?

Ora per compilare questo sketch avrai bisogno delle seguenti librerie:

• Libreria Adafruit MAX31855
• Libreria Arduino PID

Installa queste librerie e verifica che lo sketch Reflowduino32 venga compilato, quindi caricalo sulla tua scheda di sviluppo ESP32!

Impostazioni di riscorrimento

Vicino alla parte superiore del codice ci sono un mucchio di righe #define. Queste sono cose che puoi cambiare in base alle tue esigenze. Ad esempio, potresti volere che la temperatura di rifusione sia più bassa se hai pasta saldante a bassa temperatura o più alta se hai pasta saldante al piombo. Noterai che ho incluso alcuni valori tipici per il profilo di rifusione e l'impostazione predefinita dovrebbe funzionare bene con pasta saldante senza piombo a bassa temperatura. Potresti anche voler regolare le costanti PID in seguito lungo la strada a seconda della tua configurazione fisica (anche se probabilmente non è necessario). Per ulteriori informazioni sulla pasta saldante e sui profili di rifusione, vedere questa pagina wiki di Github.

Passaggio 5: configurazione dell'app

Dopo aver caricato lo schizzo demo sul tuo ESP32, dovrai installare l'app Android Reflowduino32 come ultimo passaggio per far funzionare la nostra configurazione! Basta scaricare e installare il file.apk su un dispositivo Android con Bluetooth 4.0 o superiore e aprire l'app!

Se il Bluetooth non è già abilitato, l'app ti chiederà di accenderlo. Assicurati che la tua scheda di sviluppo ESP32 sia accesa e che esegua lo sketch demo. La prima cosa che devi fare è connetterti all'ESP32 tramite Bluetooth sull'app, poi poco dopo il pulsante in alto a sinistra dice "Connesso!" dovresti vedere le letture della temperatura apparire sullo schermo se hai collegato correttamente la termocoppia. In caso contrario, controllare la termocoppia e assicurarsi di disporre di una connessione sicura nel terminale a vite.

Ora è il momento di testare le cose divertenti! Sposta l'interruttore in posizione "on" sul modulo Sidekick e premi il pulsante "START" sull'app. La luce del tostapane dovrebbe accendersi e dovresti sentire i filamenti fare un debole tintinnio e alla fine vederli brillare mentre si scaldano! Dovresti anche vedere il LED blu sulla scheda di sviluppo ESP32 accendersi per indicare che il processo di riflusso è in corso.

Man mano che il processo di riscorrimento continua, dovresti vedere un bel profilo di riflusso che viene rappresentato graficamente sull'app. Quando la temperatura raggiunge la temperatura di riflusso, è buona norma aprire la porta del tostapane per far fuoriuscire il calore in modo che l'asse si raffreddi, altrimenti la temperatura aumenterà ancora per un po'. Sulla classica scheda Reflowduino c'è un cicalino che ti avvisa quando farlo, ma qui dovrai solo giudicare in base alla temperatura visualizzata sull'app che non è difficile.

Dopo che la scheda si è raffreddata fino a una certa soglia (40 *C per impostazione predefinita, ma è possibile modificarla nel codice) il processo di riflusso sarà considerato completo e il LED blu si spegnerà e l'app salverà i dati di riflusso in un file su il telefono in modo da poterlo importare in Excel. Per maggiori informazioni sull'importazione dei dati salvati in Excel, vedere questa pagina wiki di Github.

Questo è praticamente tutto!