做一个热风机焊台
m24h2023/01/13原创 电子技术 IP:上海

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..............................................

我原先有一个936(烙铁)+858(热风枪)的焊台 已经弃用很久 一直用t12小焊台 也不是936功率比不上t12 实际是太笨重了 对于爱好者来说 桌面空间太重要(这也是我没打算继续和T12合2为1的原因)

但我还是需要用热风枪的 干脆自制一个吧 使用原858手柄 拆开看它的结构

fotor_1673568875150.jpg

主要的部件有:

  1. 24V的5015无刷鼓风机

  2. 220V的电热丝(估计500W左右)

  3. K型热电偶

  4. 干簧管开关(识别是否放到底座上)

我的目标是:

  1. 主控使用HK32F030MF4P6(便宜带EEPROM)

  2. 温度控制目标精度约10度

  3. 使用带过零检测的MOC3063来驱动双向可控硅 来控制电热丝的温度

  4. 热电偶信号采用LM321放大(不太舍得上低失调电压的精密运放 想办法软件补偿) NTC热敏电阻获取冷端温度来补偿

  5. OLED显示 EC11旋转编码器控制

  6. 想办法做好散热 尽量塞进上面的塑料盒子里

已经下单一些缺的零件了 尽量在春节前后完成

我大概是将KC当成笔记本了 项目结束可以拷贝网页保存下来做开发日志

。。。。。。。。。

不得不谈谈航顺的这块芯片 真是目前性价比第一的32位单片机了 Cortex-M0内核 类比STM同型号的功能 还是少有带EEPROM的 就是AD性能是号称12bit实际8bit 我觉得大多数情况够用

关键促销价才7毛5 感觉8位的时代即将结束

不过要注意的是引脚并不兼容STM32F030的 据说反倒是兼容STM8S的 大概是上了这船 要换芯就要改PCB了

原本我打算用STC8G1K17的 价格相当 而且封装更大更容易制版焊接 甚至开发这种小程序更简单顺手 就当试水了 

[修改于 1年0个月前 - 2023/02/09 14:07:53]

+22  科创币    虎哥    2023/01/29 恭喜发财。
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~~空空如也
m24h 作者
1年1个月前 修改于 1年1个月前 IP:上海
914677

打算先把热风枪装起来 冷端补偿装进去 接头弄好

发现悲剧了 我只有GX16-7芯的插头插座 2芯给电热丝 2芯给风机 2芯给热电偶 1芯给干簧管 就没热敏电阻的份了 现在也不好网购了

只好更换冷端补偿方案 采用铜线电阻偏压补偿法 具体就是在热电偶冷端串一个铜线绕制的电阻 并给热电偶一个偏置电流

因为铜电阻率会随着冷端的温度线性上升(电阻率变化约0.41%/度) 等于电阻值也随之上升(而热胀对长度的变化仅0.0017% 相对可忽略)偏置电流在上面造成的偏置电压也会上升 等于给热电偶增加上了补偿的电势

铜的电阻率在常温基本上是线性增加的 我查到一份表格并计算了一下 在0-100内因为非线性造成的温度误差不超过1.5度

fotor_1674015531152.jpg

而K热电偶在0-100度间 非线性带来的误差也足够小 折射到温度上也不超过0.7度

fotor_1674017043029.jpg

于是我用0.06mm直径的漆包线越3米 绕成一个电阻(进出双线并绕以抵消电感 防止拾取杂波)骨架用了一个大电阻 等于并联 但是因为阻值差异过大 可以忽略骨架电阻的阻值

fotor_1674017322728.jpg

串入热电偶回路中 并用硅酮导热胶固定

fotor_1674017427081.jpg

测试下来 该电阻在22度时候电阻为14.5欧 查表插值法确定22度时候电阻率为0.01794 那么在不同温度下的电阻应该是:

14.5*某温度下的电阻率/0.01794

在EXCEL中利用单变量求解功能(使0-100度内正负误差绝对值相同) 算出偏置电流应该为0.7354mA 此时0-100度内冷端补偿的误差不超过1.5摄氏度 

fotor_1674019217224.jpg

如果使用3.3V电压 可以通过串一个4.472k的电阻供电 铜线电阻的变化对电流影响不大

测量到的热电偶电势则应该先减去9.80744mV再进行查表 正好lm321的失调电压为7mV 这意味着我不必再为lm321额外补偿正偏置以防止在单电源系统中出现斩波误差

K型热电偶600度时候输出24.91mV 极限情况下输入放大器的电压为7+9.81+24.91=41.72mV 按50mV设计 放大倍数应该选3.3/0.05=66倍左右

这个设计看来很方便 但是比起热敏电阻测温在软件补偿而言 有很大的缺点 主要就是提供这个准确的偏置电流不容易 软件补偿的好处就是可以采用各种矫正和计算的方法 但是硬件串在里面的 就必须提供准确的偏置电流 我模拟了一下 当电流误差有5%的时候 冷端补偿的误差就会接近7度

不过好在这个系统要求也不高 首先A/D只有8位 天生就有3度的误差 再说 世面上的热风枪 基本上就没有冷端补偿吧 按照我使用热风枪的经验来看 内部温度升到50度是正常的 如果按常温25度而言  意味着大多数热风枪精度实际都不会达到25度

。。。。。。。。。

此外还得吐槽一下航空插头插座 包括市面上大多数热风枪 只要不是直连内部的 都是使用GX16-8芯插头插座 类似这样的

fotor_1674020907247.jpg

其实这是相当危险的 因为GX16的座都是公头的 而电热丝是直接市电供电的 如果用手触摸就会轻易触电

如果用WS16系列可以避免这个问题 但是WS16又贵体积又大 连我也不能免俗暂时先将这个问题忽略

一种简单的解决方案是用继电器 当识别插头未插入时(比如识别热电偶开路)将电热丝的触针与市电完全隔离 (我大概还是继续从俗 我估计市面上的热风枪也不会这么做 否则广告中早体现了)

只能提醒大家 热风枪的插座是可能带市电的 这和936或者T12烙铁不同 千万别用手触摸

。。。。。。

差点忘了 还要吐槽一件事 上面的铜的电阻率表格 只是我查到的一个版本

IMG_20230118_140539.jpg

没错 还有不同版本 我也不知道什么版本才是对的

IMG_20230118_140324.jpg

IMG_20230118_140443.jpg

甚至还有这么精细的

IMG_20230118_140419.jpg

这相当令人头疼 只能安慰说 差不多就行了

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m24h作者
1年1个月前 修改于 1年1个月前 IP:上海
914804

今天把焊台的电源解决了

电源应该有个3.3/5V给逻辑电路用 还要有一个24V以上的给风机用 风机是耗能大头 我的虽然是0.12A 但是网上有0.25A的 就6W了 其他大头是OLED 满屏约50mA 总之一个10W的双输出电源是需要的

这样的双输出电源网上也有卖 但不太便宜 我一开始打算自己做 集成放在一个板上 本来15号已经下单了dk125 但是没想到企业店就是放假早 看来要春节后才发了

后来想到用闲置的充电器电源吧 正好有个以前的小米的5V/2A/10W的充电器 型号MDY-08-EF (奇怪的是这个充电器特别小巧 后来的型号MDY-09-EF反而变大块了)

本来是想后面用sx1308升压给风机用的 但是总觉得升压比那么大 电感电流小不了 不太划算 想来想去 还是改电源吧 改变压器 增加新的抽头和整流电路

该充电器用的是iw1699B芯片的方案 属于离线式反激式的

小心地把变压器焊出来 小心加热使磁芯的胶失效 拆开 是这样的 逻辑上共有3个绕组: 主输入 主输出 辅助供电和采样 实际上主绕组分了两次绕制 把输出绕组夹在中间 以提高耦合效率

fotor_1674191921581.jpg

图上变压器引脚 从上到下中间3个就是主输入绕组 最右边那个其实是剪了脚的 只为了提供绕组分成两部分需要的连接点

先拆除最外面的输入绕组 记住绕制方向 保留铜线 然后就是拆5V输出的绕组(其实之前还有个屏蔽层 我丢弃了也没重新绕回) 记住方向和圈数 拆开丢弃 用更细的漆包线按原样绕制 然后接着用更细更细的的漆包线接着绕制25V(考虑有控制损耗)绕组部分 然后重新绕回最外面的输入绕组

绕组间都用玛拉胶带隔离 而高压输入绕组更是绕了两层 层间也隔离 

fotor_1674193142823.jpg

然后利用拆去的USB插座的D+/D-无用焊盘 焊上FR102(此处电压较大 手头也没有耐压合适的肖特基 只好用快恢复二极管 恢复时间比肖特基大个几倍 100多ns 还好iw1699频率不高 没到100kHz 应该可以用) 和滤波电容 背面焊入10k负载电阻(防止空载不受控制绕组电压虚高)

fotor_1674192884469.jpg

fotor_1674193231413.jpg

通电测试 工作正常 就是测量电压 输出的是4.25V和21V 。。。我才知道 记错绕组数据了 应该5V绕组原本是6圈 我记成了5圈 连带25绕组也按比例绕少了

还好相差不大 不想再拆再绕了 于是改采样电阻吧 算了算 把原18k的改成22k的正好

fotor_1674193184939.jpg

再测试 5V输出5.03V 25V输出25.2V 合适用了

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m24h作者
1年1个月前 修改于 1年1个月前 IP:上海
914971

年过了 鸡吃过了 鱼也吃过了 牌也打过了 该继续干活了

先考虑风机控制 这种小功率无刷电机 直接用PWM供电 不需要稳压(原焊台是直接线性稳压控制的 但是我向来不喜欢低效率会发热的设计) 就能调整吧 。。。先搭个临时电路试试可行性

嗯 是可行的 采用20kHz的PWM 电机没有被破坏 也没有杂音 风大风小调节也顺滑

想用示波器看看波形是否有严重的毛刺(怕可能会破坏供电或者无刷电机电路) 结果示波器坏了 。。。嗯 花了点时间又幸运地修好了

fotor_1674450983207.jpg

没有严重的毛刺 可行

不过其实整体波形挺有意思的 将时间轴压缩一下 大概半速转动 是这样的

fotor_1674451089719.jpg

如果PWM将脉宽降下来 转速下降 波形变成这样

fotor_1674451066431.jpg

可以观察到两个现象

  1. 电机切割磁场造成的反电动势:就是拱形的顶部高度 这时候PWM虽然关断 但是不会把电压拉到地(那等于电机刹车了)这时候测量到的电压实际由电机的反电动势提供。。。我原本以为因为是无刷电机 这个反电动势因为内部有电路 不会泄露出来的。。。也有可能换个其他电机就看不到了

  2. 因为转子和定子结构上的周期性 和磁场的非均匀性(见下图) 这个反电动势的幅度 有一定波动(造成拱形)与转速呈整数倍数 我猜大概是2或者4倍

    IMG_20230123_133847.jpg

这样不需要从电机引出霍尔信号 就有3个途径得到实际转速了 

  1. 当PWM关断时测量反电动势电压(这个时机的选择 就象T12焊台的工作方式)然后滤波出最大值 反电动势和转速是线性关系

  2. 滤波出拱形波形 这个频率 按转子磁化方式和定子结构 与实际转速是整数倍关系

  3. 其实还有一个方式 就是PWM打开时候 测量电机的电流 如果线圈电阻(包括串进去的限流电阻)先测量出来 用供电电压减去电流乘上电阻 就是反电动势(与1类似需要滤波出最大值)

最后 我只是兴趣性的研究一下 才不会把这个项目搞得那么复杂 并不需要控制转速到这么精密

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m24h作者
1年1个月前 IP:上海
915024

哎 我想了好久 终于决定放弃使用HK32F030MFP4了 还是用回原来设想的STC8G1K17吧

尽管我很想试试航顺的便宜32位芯片 但是总有种感觉 就是要强扭一颗不甜的瓜 总感觉别扭 不完美 让我迟迟不愿动手开始画图

有几个原因:

1. STC的电源范围宽 可以直接使用5V电源 省去一个LDO

2. HK只有8bit的ADC(STC有10bit)无法连续地显示温度 虽然从实际上说 并不会影响整个系统的总体精度 但是使用体验总觉得别扭 

3. STC8G1K17的比较器可以更方便实现掉电检测(我计划在这时候存储现设温度 风枪转速等)而HK应该是定时ADC 这就浪费了宝贵的有电时间

4. HK的EEPROM非常非常让人失望 还是Flash的寿命 没有短页 而且擦除一个字节需要的时间和STC擦除一页的时间相近(HK擦除一页Flash时间则是STC的10倍 尽管它一页只有STC的1/4大)而且手册明确指出擦除后是随机数(而STC是FF 可以判断出哪些字节未用 可以预擦除) 如果写几个参数 可能需要存储较长时间的电能 再加上HK方案有个LDO造成的电能耗损 我算了一下蓄能电容要上千微法了 而STC配合预擦除 可能时间不到1ms 而且能利用很宽的电压下跌过程 需要的蓄能电容可以不用到100uF

5.风机电压有25V 所以如果用MOS来做PWM驱动 需要使用超过30V耐压的MOS管 这些管子的米勒平台一般较高 与3V相差不大 导致充放电缓慢 只能选用BCX56之类的NPN管 而如果用5V的STC 我还可以选择2SK3065之类的同封装MOS管

总之 用STC的话 硬件上会少饶很多弯路

而且我也得吐槽 原以为HK这个芯片和STM的类似 没想到缩水那么多 比如没有DMA 那么要ADC连续采集和高速UART有何用

等哪天找到它合适的位置再用吧 反正合适的地方用合适的东西才让人觉得舒畅 先用掉这片STC吧

fotor_1674558999333.jpg

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m24h作者
1年1个月前 修改于 1年1个月前 IP:上海
915126

电路和板已经设计  最让我满意的是 这次没有过孔 一个也没有 甚至除了地线 连利用金属化孔走信号的也没有 而且做到了每个不同功能部分的供电走线都独立

而且MCU的每个IO口几乎都用到了 只留下一个没用的MCLKO 也可以考虑如果要改成触摸按键 可以当高频驱动输出 EC11的接口全有ADC功能 就能改成触摸设计(我曾经考虑过 毕竟一个小盒子就突出一个旋转按钮其实不够美观)

板子是异形的 空出来的地方和小电源板保持一定间隙地嵌合 而BTA12背面没有零件 可以卧下来 放一块很大的散热板

接线并不会像3D图那样突出一个针 而会直接焊线到板

sch.png

pcb.png

pcb2.png

3d.png

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m24h作者
1年1个月前 修改于 1年1个月前 IP:上海
915218

已变实物 串口mcu可识别

OLED玻璃碎了一角 观察未伤及线路 大概还能用

BTA12先没焊上去 感觉开发中会经常移动 会易损

fotor_1674827293478.jpg

fotor_1674827393042.jpg

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m24h作者
1年0个月前 修改于 1年0个月前 IP:上海
915301

开始找K型热电偶的分度表 在网上下载了一个 北京中航科仪测控技术有限公司提供 JJG-351-84标准 的 XXXXXXXXXXXXXXX/350296/2012010517073556.pdf

首先检查数据 转到excel 然后每个点和周围点的平均值进行对比 发现许多明显的误差点

1674958970776.png

检查原文档  明显有误

1126.png

我不断挑出误差较大的点 问题是很多的 大概有10来20个 大多数是录入错误吧 比如6和8 3和5混淆 直到误差点校正成这样

1674959009617.png

一般如果直接用这种数据做查表插值  问题是比较大的 有的地方甚至都不能保证数据递增 有没有办法避免呢

我建议需要查表的计算 都不要直接用原始表 首先数据可能有零星错误 其次往往查表插值最准确的地方是有原始值的点 而中间需要插值的点 其实从整体误差来看  这种插值法并非最优方案

比分说这个K型热电偶分度表 我需要按10度分度 不会简单按每10度抽取 则会对每10个数据先用最小二乘法拟合 求出截距和斜率 再重新生成数据点 然后才抽取作为MCU使用的表 这样做的好处有

  1. 避免了单个数据点有误又正好被抽用

  2. 插值后 所有点误差的平方和最小 (别的要求则用别的拟合方式) 比仅仅两端的点误差为0更有意义

我对比了使用拟合后数据抽取做表的插值误差(蓝色点) 和原始数据抽取做表插值(插值算法一样)的误差(橙色点) 显然和我预料的一样 尽管橙色点总会在0误差处出现 但是整体而言 还是蓝色点的误差分布范围最小 err.png

这里有些很有意思的事 我注意到有几段数据是纯线性无误差的  比如从350度到380度 我猜 这段数据是不是就没有测量值 也是靠线性插值蒙出来的 😂 就是不知道这些数据是公司提供的 还是官方的 是不是和其他的一样 我暂时找不到其他分度表数据来源 (关键是其他的下载都要钱)

...................

因为是输入电压求温度 最终根据电压进行分组分度 为了减法乘法除法 使用256uV进行分度 最小二乘法求出每段的参数 然后生成分度点上的温度 并且为了提高精度 以1/32度进行整数表达 

uV-Temp.png

数据得到后  写出代码 表长度没超过256个 相邻温度都也都小于250 可以仅用一次16位乘法 需要的可以拿去参考 可以省去反向查表的麻烦 而且来源数据经过初步校正 且拟合优化

// a table of uV/256 => Temp*32 ,  in Celsius degree
__code u16 K_temp32[]={
0,
207,
412,
616,
819,
1021,
1221,
1421,
1620,
1818,
2016,
2214,
2411,
2608,
2806,
3003,
3201,
3399,
3598,
3797,
3997,
4198,
4400,
4602,
4805,
5009,
5214,
5418,
5623,
5829,
6034,
6239,
6444,
6650,
6853,
7058,
7261,
7464,
7666,
7869,
8070,
8270,
8471,
8670,
8869,
9068,
9266,
9464,
9662,
9860,
10057,
10253,
10450,
10646,
10842,
11038,
11234,
11429,
11624,
11819,
12014,
12209,
12403,
12597,
12791,
12985,
13179,
13373,
13566,
13760,
13953,
14146,
14339,
14532,
14724,
14917,
15110,
15303,
15495,
15687,
15880,
16072,
16264,
16456,
16649,
16840,
17033,
17225,
17417,
17609,
17801,
17993,
18186,
18378,
18570,
18763,
18955,
19148,
19340,
19533,
19726,
19919,
20112,
20305,
20499,
20692,
20886,
21080,
21274,
21468,
21662,
21858,
22052,
22247,
22443,
22638,
22834,
23030,
23226,
23422,
23619,
23816,
24014,
24211,
24409,
24607,
24806,
25004,
25203,
25403,
25602,
25802,
26003,
26204,
26404,
26605,
26807,
27009,
27211,
27413,
27617,
27820,
28023,
28227,
28432,
28636,
28841,
29047,
29252,
29458,
29664,
29871,
30078,
30285,
30493,
30701,
30909,
31118,
31327,
31536,
31746,
31957,
32167,
32378,
32589,
32801,
33013,
33226,
33439,
33652,
33865,
34079,
34294,
34508,
34724,
34940,
35155,
35372,
35590,
35807,
36025,
36244,
36463,
36682,
36903,
37123,
37344,
37567,
37789,
38012,
38235,
38459,
38684,
38910,
39137,
39364,
39591,
39820,
40049,
40279,
40510,
40741,
40973,
41207,
41440,
41675,
41910,
42146,
42383,
42621,
42859,
43098,
43337,
43578,
43818,
44059 };

// get temperature in Celsius degree of K-thermocouple with input in uV 
u16 K_temp(u16 uv) 
{
	u8 t;
	if (uv>55000) return 0xffff;
	t=uv>>8;
	return ((((K_temp32[t+1]-K_temp32[t])*(u16)(u8)uv)>>8)+K_temp32[t])>>5;
}

下面这图是表的温度间隔 可以看到非线性现象 (如果线性的 每段的间隔应该是相同的)

y.png

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m24h作者
1年0个月前 IP:上海
915674

已经将程序框架搭好 控制界面也做好 在控温算法上有点犹豫 想再研究一下

不过还是先装壳 防止开发中跌跌撞撞的 原先的崩角OLED确认是坏了的 只好换个新的

因为毕竟是个功率电器 我打算检查一下开关的耐流能力和功率损耗 于是用个电吹风做负载 只是纯粹串个开关 然后观察温升

IMG_20230203_223647.jpg

开关(右下角低热)的情况只能说勉强 没想到我的电吹风这么省料 电线和插头发热都明显 作为对比的是我打算使用的电源线(在前面电源部分的照片有露脸)观测不到温升 那也是从一个已经不用的小家电上拆下了的 仅仅是一个松下剃须刀 真是太厚道了

界面是这样的

IMG_20230203_223603.jpg

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m24h作者
1年0个月前 IP:上海
915728

今天把最后一个杂项 温度和风力保存到EEPROM的代码做掉了 只有3byte需要保存 采用磨损均衡方式分散到3个512byte页中 预期一共可写入5千万次 而且是掉电才写 基本算永久了 如果不考虑文档上的那句“...次或者10年”

剩下只有温度采集和控温过程需要做了

再次核算了一下冷端补偿的误差 其中温度变化项的误差 基本上由器件误差决定 引起误差主要由冷端电阻偏置电流造成 如果有5%误差 那么冷端离正常室温正负30度内 误差大概率在正负30*0.05=1.5度内

另一个误差项是在冷端补偿电阻和导线电阻上的非温度变化的偏置电压项 主要受供电电压影响 每伏供电电压变化 会造成约2.3mV拾取电压的波动 不过由于我会通过ADC14采集供电电压进行补偿 可以把误差缩小到 0.08mV(按ADC 9位有效分辨率)折算到温度上的误差是2度

lm321的输出幅度比我预想的差 毕竟不是轨到轨输出 加上MCU本身弱上拉 在供电5V时候只能上拉到4V 下拉倒是在100mV内 早知道我就不贪心地放大100倍了 不过目前来看 在500度内 应该堪堪够用

为了减少开发量 尽快完成 不打算写用户自校正功能了 实际上我也不可能去时常校正它 将会进行唯一一次测量 得到偏置/增益/电源补偿因子 直接写入最后一页EEPROM 作为“出厂校正参数” 

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m24h作者
1年0个月前 IP:上海
915850

装盒了

fotor_1675688335573.jpg

试用才发现上错管了 本来该上的是2sk3065(丝印KE)上错bcx52了(丝印AE)幸好没损坏电路 就是风扇控制失效 换了就正常了

可控硅用长条散热片 (实际上是不知道哪收集来的铝片建材)然后热缩管套着 暂时感觉不到太大度热量

目前采用的算法就是温度不到就加热 到了就停止 从数据看效果很差 过冲感人(有50度) 考虑系统比较复杂 低惯性大滞后 (实际上是加热电热丝 电热丝与探头耦合又弱)而且是二值化控制而非移相控制 就算采用PID 估计也是要么缓慢 要么过冲振荡 我还在想怎么改进

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肖特基的救赎
1年0个月前 IP:内蒙古
915868

大佬的基础真的强啊👍

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m24h作者
1年0个月前 IP:上海
915897

先收尾了吧

最后用的PID算法控温 对升温和降温不平衡处理 温度仍然有上下20度的波动 试过很多手段感觉已经技穷 毕竟是开关控制而非移相控制 我又不想把控制过程拉得太慢太长 就接受了

测了一下风扇PWM波形 上升和下降比预期完美 看来即使用nce6003之类的小mos管 功率耗散也可以承受

fotor_1675774374168.jpg

其次是可控硅的温升 目前控温下最大输出(仍然是断续输出的)温升也20多度 应该没有问题 我甚至还考虑过导热胶填充固定 看来暂时不需要了

fotor_1675779089767.jpg

OLED的窗口暂时也没有办法更好密封 只能这样了

fotor_1675779034466.jpg

总结一下

其实我这个方案中 最特别其实也是最失败的 就是手柄端用铜线电阻进行冷端温度补偿 并不算个好做法 尤其是绝不能商业应用 只能算是个DIY上的无聊尝试 原因有下面

  1. 实际手柄冷端温度并不会太高 无论直接假设30度 或者在控制盒端测室温加个几度 都够用了

  2. 即便航空插头很可靠 但偶尔也会因为接触电阻 出现温度的跳动

  3. 虽然通过测量电源电源补偿电阻上的偏置电压也很精确 但是还是有点麻烦的

反正关键是我用上了一个小巧的热风枪 而且其实去掉补偿功能比加上更简单 等我整理后再开源吧

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m24h作者
1年0个月前 IP:上海
916093

最后的检查和整理 忍不住还是加了校正功能 当然只是校正温度截距 对于斜率那是没有办法的

再次优化细调PID 终于得到不错的效果

pid.png

尽量今天上传公开

我用的是SDCC 之后大概不会再用Keil了 SDCC的内嵌ASM很方便 但是代码生成的效率。。。简直让人恨不得全自写ASM

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