STM32 "Умный" паяльник.

Геннадий П

★✩✩✩✩✩✩
14 Апр 2021
90
24
41
Решил поделиться своей разработкой паяльника-ручки в формфакторе TS100.
Проект не спешный, разрабатывается по настроению вечерам.
Часть схемы была позаимствована от TS100, что то доработано, что то изменено, добавлено.

Паяльник на жалах SH72. Основные фишки:
  • Гироскоп.
  • Датчик тока.
  • Работает на шим, без пауз на измерение температуры жала и тока.
  • Процессор STM32F103C8T6, такой же как и на распространенной "синей таблетке".
  • Расчетное напряжение питания 12-24В.
  • Защита от переполюсовки.

Теоретически может питаться до 30В без изменений, выше - придется придется менять управляющий мосфет на более высоковольтный. Выше 35В придется менять схему DC-DC преобразователя, но т.к. по току он очень мало потребляет, то достаточно будет резистора со стабилитроном.

Процессор - самый распространенный от "синей таблетки". Был вариант поставить F401 от "черной таблетки", но т.к. у него корпус QFN48 с пятаком под процессором, то будут сложности с разводкой, т.к. места мало.

Гироскоп - MPU6050, очень распространенный, легко подключается, читается, практически не нужна обвязка.

Дисплей на текущей версии SSD1306 96x16. Тоже очень распространенный, с ним легко работать. Если места будет достаточно, то в следующей версии можно будет попробовать поставить 128x32.

Датчик тока ACS711. Сначала хотел делать через шунт, но решив не стал заморачиваться и сделал через датчик тока. Перебирал разные, но остановился на ACS711. Работает как от 3.3, так и от 5 В. В QFN корпусе очень компактный, скоростной, поэтому можно прямо в сигнале ШИМ замерять ток, а далее в зависимости от заполненности ШИМ вычислять средний ток. Также с датчиком тока можно будет замерять сопротивление жала, а т.к. у всех жал сопротивление обычно разное, то можно будет автоматически менять профиль калибровки при смене жала. Также можно ограничивать подаваемую мощность на жало.

Управление скорее всего будет кнопка+энкодер, но окончательно пока не решил, будет видно после окончательной разводки платы.

ШИМ скорее всего будет работать на частоте 50-100 Гц, этого более чем достаточно. Если делать 200-300 Гц и выше, то на низких/высоких значениях заполненности ШИМ не будет успевать срабатывать мосфет, т.к. используется однотактная схема. Чтобы избежать этого нужно ставить мосфет с более низкой емкостью затвора и уменьшать сопротивление R2 и R6, а это черевато их более сильным нагревом. Другой вариант - использовать двухтактную схему управления мосфетом, но это усложняет схему, а места мало.
Все значения (ток, температура) будут измеряться в середине тактов ШИМ, процессор позволяет выдавать такие прерывания. Чтобы этот способ хорошо работал нужно делать ограничение на минимальную и максимальную заполненность ШИМ сигнала, 3-5% думаю будет вполне достаточно.

Защита от переполюсовки собрана по стандартной схеме.

Бузер - просто чтобы было какое то извещение.

Все хозяйство планируется писать под FreeRTOS+HAL.

На схеме стоят некоторые элементы, сделаны как запасной вариант, если по первоначальной задумке не заработает.
R1, C3 у датчика тока если вариант с измерением тока с циклах ШИМ сигнала не сработает, с ними выходящий сигнал усредняется и подается на АЦП процессора.
C9 и C8 позволяют отказаться от управления нагревом через ШИМ, в этом случае мосфет будет работать только в ключевом режиме, а управление им будет осуществляться только наличием ШИМ сигнала. По такому принципу и работает TS100.

Некоторые номиналы придется подбирать уже на готовой плате. Например R19 - степень усиления с датчика температуры. R2, R6 можно будет поставить более низкого номинала для ускорения срабатывания мосфета. C28 скорее всего придется ставить значительно меньшей емкости, нужно в протеусе погонять.

На данный момент схема готова и разведена дополнительная плата на которой находится DC-DC преобразователь, гироскоп, бузер и дисплей. Размеры примерно 59x11 мм. Можно попробовать сделать покороче миллиметров на 8 если перенести гироскоп на другую сторону.

Основная часть платы пока в разводке. Основная очевидная проблема - мало места. На дополнительной плате все уместилось на двух слоях, но основную скорее всего придется делать четырехслойку.

Примерный будущий вид дополнительной платы:
PCB_1_1.jpg

Схема:
Снимок экрана 2021-06-13 021726.jpg
 
Изменено:

Геннадий П

★✩✩✩✩✩✩
14 Апр 2021
90
24
41
В итоге все пришлось разводить на четырехслойку. Но даже с этим не удалось избежать некоторых проблем.
Жирную землю не удалось провести во внутренних слоях, пришлось сделать дополнительные контакты для дополнительного провода.
Контакты сигнальных проводов пришлось делать прямо под процессором, неудобно будет их паять. Но не страшно, бывало и похуже.
Решил сразу делать под энкодер.

Снимок экрана 2021-07-01 021553.jpg
Снимок экрана 2021-07-01 021600.jpg
 

Эдуард Анисимов

★★★★★★✩
23 Сен 2019
1,483
523
55
Марий-Эл
Используйте контроллер из серии 32L. Он меньше размером.
Детали формактор 0402.
Может удастся уменьшить количество слоёв.
 

Геннадий П

★✩✩✩✩✩✩
14 Апр 2021
90
24
41
@Эдуард Анисимов, Имеется в виду STM32L0 серия в TSSOP20 корпусе? Да, я думал его ставить, но использовал в основном те детали что были в наличии. Это же и относится к формфактору резисторов и конденсаторов. Кол-во слоев не уменьшит, то внутреннюю разводку можно сделать более свободно. И еще я использовал не самые малые допуски.
Но в целом, для первой версии сойдет.
 

bort707

★★★★★✩✩
21 Сен 2020
1,097
314
@Геннадий П, по картинке, конечно, судить сложно, но что-то непонятно, зачем для такой несложной схемы 4 слоя. Реально, почти любую схему средней сложности можно развести "чуть более чем в один" :) слой - то есть с минимумом перемычек по второй стороне. А у вас 4 слоя...
Вы пишете, что использовали крупные детали. Из этого нужно извлечь преимущество - больше пользуйтесь проведением линий под элементами. это позволит избежать лишних пересечений и использования переходных отверстий.
 

Геннадий П

★✩✩✩✩✩✩
14 Апр 2021
90
24
41
@bort707, Размер нижней платы 78х13мм, вот почему такие сложности. Будь она раза в два шире - горааздо легче было бы. :)

Например, вот слои, в некоторых случаях просто нереально на наружных слоях (красный и синий) провести:
1625133022146.png1625133043533.png1625133071414.png1625133109961.png

Ну и допуски не самые маленькие использовал. У меня они были настроены под допуски 2-слойной платы на JLCPCB, но на 4-слойной у них допуски меньше. Например переходное отверстие: 2-слойная 0.3мм отверстие и 0.6мм кольцо, а на 4-слойной уже 0.2мм и 0.4мм соответственно.