Thermostat programmé pour la refusion des CMS

          Lors de la deuxième partie de la publication sur le soudage des CMS , dans la vidéo, j'enclenche et coupe le mini four de cuisine, utilisé en four de refusion, à la main sous la surveillance d'un thermocouple en mesure permanente. Le but étant de respecter une courbe de température de soudage bien précise, je me suis dit qu'il serait intéressant que ça soit un automate qui impose cette courbe ! 

          Donc, je pense que cela pourrait intéresser plus d'un d'entre nous et je me suis lancé dans la création d'un thermostat intelligent,  qui s'insert entre la prise du secteur et le four, pour reproduire les différents paliers de températures et le timing de chacun . Le modèle de four utilisé doit être à résistances de chauffe (surtout pas de micro-onde ) et sans chaleur tournante ou chaleur tournante coupée. Il convient également de mettre le minuteur et le thermostat de l'appareil à fond,  juste pour qu'ils ne prennent pas la main sur l'automate  .

          Un seul bouton ! un appui dessus lancera le départ d'un nouveau cycle . Une led rouge ! Qui veut dire : " attention, c'est chaud". Cette led s'allume lorsque la température est supérieure à 55° et s'éteint en dessous de 60°, surtout pour rappeler qu'il ne faut pas ouvrir le four pour éviter les chocs thermiques sur le circuit qui mijote et pour ne pas se brûler  non plus ...

          Il est temps de rentrer dans la description du schéma, de faire le tour du programme et de la réalisation pratique ... Avec un minimum de baratin pour expliquer ce que j'ai voulu faire ... Je ne parlerai pas du boîtier, car c'est un modèle de récupération ... Mais le montage sera parfaitement adaptable dans les boîtes Sarel des grandes surfaces de bricolage.

Le Schéma:

          En haut à gauche, c'est l'alimentation. Petit transfo, un modèle à découpage qui va fournir du 5 volts sous 2 ampères à tous les circuits ... Un vrai plaisir que travailler avec ce genre d'alim car elles ont un excellent rendement, une souplesse de mise en fonction et en plus très bon marché ... Le "primaire" , si on peut l'appeler ainsi, se raccorde sur l'arrivée du secteur ... Il convient de faire une double isolation de la partie haute tension, en classe III car la terre n'est raccordée que sur la prise du four, et tout ceci ne doit pas être accessible en cas de casse accidentelle du boîtier. 

          Comme d'hab, la gestion est confiée à un Arduino Nano pour sa puissance, sa facilité, et son prix ! On va avoir besoin d'un protocole SPI pour dialoguer avec la sonde et ce dernier s'y prête parfaitement ... Ainsi que pour la gestion du LCD, les bibliothèques toutes faites, facilitent la tâche et réduisent considérablement le câblage. Ce même microcontrôleur se charge de gérer la Led de température haute, le relais statique de puissance et le bouton poussoir de départ de cycle. Ce dernier n'a pas besoin de résistance de pull-up, car la facilité c'est de la déclarer dans le soft et d'utiliser le poussoir comme étant actif à "0" (ou GND). La led D1, d'information de four chaud, est raccordée sur la pin A0 du Nano via une résistance de 570 ohms pour limiter l'intensité. C'est une broche analogique qui peut très bien travailler en entrée/sortie digitale pour des fonctions simples.

          L'afficheur, deux lignes de 16 caractères, se raccorde en mode 4 bits et pins de fonction: La validation E et la différentiation entre caractère/instruction RS. La ligne lecture/écriture (R/W) n'est pas utilisée ici, comme les 4 bits de poids faibles (D0 à D3) et sont à relier à GND. Une résistance R4 de 100 ohms limite le courant des leds de rétroéclairage et un potentiomètre de 10K polarise l'entrée VO pour ajuster le contraste de l'écran .  

          Le circuit MAX31855 K gère les thermocouples en associant un bon amplificateur avec une référence de compensation de jonction froide,  et une interface, avec n'importe quel microcontrôleur, par dialogue de données SPI, sur 3 broches e/s numériques : Une broche CS pour la validation, une horloge CLK pour la synchronisation, et une de Datas, bidirectionnelle, pour les trames de questionnements et de réponses.  Cette carte intègre un régulateur de 3.3Volts et fonctionne avec tout thermocouple de type K pour une plage de température de mesure: -200 °C à 1350 °C. Son interface SPI à grande vitesse offre une résolution de 14 bits,  ce qui donne une précision de température de 0.25 degrés. Le thermocouple se connecte, en respectant la polarité, sur le bornier à vis . J'ai dû utiliser un bi-métal à jonction, car les températures à mesurer dépassent les valeurs admises par les sondes à semi-conducteur.           Le relais qui commande le four doit pouvoir supporter les intensités demandées, ainsi qu'une confortable réserve de sécurité. Idem pour le câblage de la partie puissance. Attention aux sections de câbles, du 2,5mm² ; un incendie est si vite arrivé. J'ai choisi un relais statique de 25 A / 400 V... Ce produit accepte une tension de commande de 3 à 32 volts et procure une très bonne isolation galvanique entre le réseau électrique et le circuit . Pour les intensités passées, il est nécessaire d'enduire sa semelle de pâte thermique et de fixer celui-ci sur une plaque métallique qui servira de dissipateur . Voilà pour ce qui est de l'analyse du schéma ; abordons la réalisation du circuit imprimé . 

Le circuit Imprimé :

          Pour rester réalisable par les amateurs que nous sommes, j'ai choisi un circuit simple face et qui ne comporte qu'un seul strap de liaison. Il est dessiné sous Eagle 4 pour en faciliter l'importation sous d'autres logiciels de dessins ou pour des retouches personnelles . Il suffit d'importer le fichier, d'en créer le typon et de graver selon votre méthode habituelle ou la mienne décrite ici ! 3 composants en CMS et tout le reste en traversants . Et comme sur tout le site, les fichiers sont en libre service gratuit dans le ZIP en bas de page . Le LCD sera monté sur une barrette de connexion à grandes longueurs de pattes et rigidifié par deux entretoises d'espacement .

Le Sketch, le soft, le programme :

          Rien de bien sorcier dans ce sketch : on commence par dire ce qui est raccordé, comment c'est raccordé et à appeler les bibliothèques utilisées 

#include <LiquidCrystal.h>
#include <Wire.h>const int rs = 12, en = 11, d4 = 5, d5 = 4, d6 = 3, d7 = 2;
LiquidCrystal lcd(rs, en, d4, d5, d6, d7);

#include <SPI.h>
#include "Adafruit_MAX31855.h"

Adafruit_MAX31855 thermocouple(MAXCLK, MAXCS, MAXDO);

.../...

Puis la préparation lors de la mise sous tension avec les directions des DDR 

void setup() { //Prerequis du démarrage ...

.../...

La prise en charge du circuit du thermocouple, ad vitam éternam ...

  while (!Serial) delay(1);
  delay(500);
  if (!thermocouple.begin()) {
    while (1) delay(10);
  }

.../...

La boucle principale qui va appeler les autres boucles chaque fois qu'un palier sera atteint, pour réguler la température et le temps de cuisson !

void loop() {

  double Tmp = thermocouple.readCelsius();//lecture du thermocouple 

.../...

On passe aux sous programmes pour monter la température à 120° pendant 1'30"

void prechauf() { // gestion du premier palier 120° pendant 1'30"
.../...

Puis on monte à 190° 

void nxTwo()  {  //montée à 190°
  .../...

Quand la température est atteinte, on la régule pendant 45"

void reflow() { //Le soudage : 190° pendant 45"
  .../...

Puis refroidissement en douceur avec led allumée si > 55°

void finProg() {  // Refroidissement
  .../...

Et blocage sur la fin de cycle pour obliger une action volontaire (Reset ou coupure du courant ) pour relancer le process .

void fini() { // Fin de cycle 
.../...

La version complète du programme est donnée en mode texte pour une lecture plus facile, et en extension ino, pour être exploitable par l'IDE Arduino, dans le ZIP plus bas .

La mise en boîte:

          J'ai utilisé un boîter de récupération (pas avare mais économe ) pour habiller mon thermostat, mais rien n'empêche d'utiliser un boîtier Sarel de 200 x 120 x 80 ou toutes autres adaptations ... Une plaque métallique, qui sert de dissipateur pour le relais statique, est utilisée pour supporter l'ensemble. La hauteur est à ajuster afin que la fenêtre découpée pour le LCD soit affleurante au couvercle... Un morceau  de gaine thermo sert de guide de lumière pour la led et une entretoise a été faite à l'imprimante 3D pour ajuster le bouton en saillance . Comme la découpe pour l'afficheur est loin d'être parfaite, j'ai imprimé également un cache qui sert à corriger les imperfections . 

Et pour terminer :

          Une réalisation aussi simple dans le "hard" que dans le "soft" et qui va bien rendre service; car qu'on le veuille ou non, les CMS il faut s'y mettre ! Les plages de temps et de températures peuvrnt être ajustées dans le programme en fonction de la pâte à braser utilisée ! Les valeurs que j'ai mises, sont pour les produits standards, que l'on trouve facilement dans les stands de nos fournisseurs habituels . Et pour en rire un peu, j'envisage de faire la même chose, mais équipée avec un lecteur de badge RFID pour cuire les différents aliments  ! Ah, bon ? ça existe déjà ?  

Les fichiers de réalisation !

Thermo reflow (732.06 Ko)