Розумна «СВЕРДЛИЛКА» - спрощуємо життя електронщика

2024-08-16

ЧАСТИНА 1. Що це повинно бути

Вступ. Сьогодні кожен поважаючий себе радіоаматор має у своїй домашній (а часто і робочій) лабораторії цілий арсенал інструментів, які допомагають робити маленькі (та не дуже) отвори у різних матеріалах. Це можуть бути крихітні "свердлильця" із цанговим патроном для друкованих плат, зроблені з моторчика від іграшки. Більш "просунуті" майстри вже придбали собі дремель із набором різних фрез, відрізних та шліфувальних кругів і інших обертових пристосувань.

Для свердління великих деталей та твердих матеріалів у магазинах представлений широкий асортимент різних малошвидкісних (та не дуже) шурупокрутів, дрилів, перфораторів і навіть настільних свердлильних верстатів та різних пристосувань-стійок, які допоможуть вам перетворити звичайну дриль у настільний свердлильний верстат. Однак ніщо для «повернутих» на своєму хобі ентузіастів не замінить круту, потужну, швидкісну, але водночас компактну та зручну в руці "свердлилочку". На щастя, наші друзі з Піднебесної тішать нас останнім часом доступними та надійними комплектуючими для створення не лише механічної частини, але й електроніки, які зроблять ваш рукотворний девайс розумним та справжнім помічником.

«Серцем» нашого пристрою буде електромотор, такого розміру, щоб зручно сидів у руці під час роботи, але водночас був потужним і не зупинявся під час свердління алюмінієвої стійки, куточка або радіатора товщиною 2 мм. Після багатомісячного вивчення відгуків і питань покупців, а також «дістаючи» продавців відомого китайського магазину своїми питаннями, я зупинив свій вибір на популярному у всьому світі моторчику RS-775. 15 тис. обертів, 24 В. Звісно, ціна на нього дещо «кусається» - ну а чого ви чекали, ми ж обираємо для себе, любимого, а отже - найкраще.

Отримавши посилку з мотором, я підключив його для перевірки до 12-вольтового джерела живлення. І був вражений іскрами на контактах під час підключення, а також показанням амперметра: у момент запуску стрілка завертала за 5 ампер, а мотор намагався вискочити з рук. Однак мотор працював. Безшумно, і споживав на холостому ходу всього 180 міліампер. Спроба зупинити вал пальцями не вдалася, зупинив м'якими плоскогубцями, амперметр лабораторника показав струм більше 5 ампер при заблокованому (зупиненому) валу.

Стало зрозуміло, що без електронного запуску мікрокнопка не підійде. А встановлювати величезну потужну кнопку, яку при цьому ще й буде зручно натискати - завдання буде ще те... Так у проекті з'явився MOSFET-ключ і плавний запуск мотора, зібраний на розсипусі. За даних номіналів мотор розганяється до максимальних обертів приблизно за 1 - 1.2 секунди. На макетній платі це виглядає ось так, з радіатором, деталі знизу, зверху місце для підпаяння мікрокнопки.

На цьому передісторія закінчується, а апетити, навпаки, зростають... Ми ж хочемо «розумну» свердлилочку. У мережі є багато схем, які можна сказати, є зародками «смарт-свердлилки», проте це, як правило, аналогові схеми, досить громіздкі і в нашому варіанті мало цікаві. І в пам’яті спливла відома схема «автоматики для дриля» болгарського Олександра Савова, яку багато років тому я вже збирав для своєї «свердлилки» (якщо є бажання - пошукайте схему в Інтернеті за іменем автора схеми). Суть цієї «автоматики» в наступному: поки на холостому ходу немає навантаження на вал мотора (а отже, споживаний струм малий), схема видає знижене, заздалегідь встановлене напруження, при упиранні свердла в необхідну для свердління поверхню відбувається збільшення напруги на мотор до максимуму, а отже, і швидкості - для свердління друкованих плат дуже зручно, зменшується ризик зламати свердло. Це не тільки збільшує строк служби мотора, але й знижує рівень шуму.

Невелике відступлення щодо вказаної вище схеми. Вона зібрана на LM317, яка сильно гріється і потребує великого радіатора, компараторі, організованому на мікросхемі LM358, купі електролітів, у тому числі й великої ємності, десятку іншої розсипухи та двох регульованих резисторах - в одному корпусі з мотором при всьому бажанні не вмістиш. Якщо ж ви хочете зупинитися на цьому і зробити все в окремому корпусі - далі можете не читати. Але ж ми ардуінщики, і все це, і навіть більше, Ардуїно здатна для нас зробити, лишилося тільки її попросити. Тим більше що розумні китайці давно про нас подумали. У нашому проєкті ми будемо використовувати (номери відповідають фото) наступні компоненти (проєкт цілком робочий і постійно вдосконалюється через виникнення у мене нових «хотілок» (слідкуйте за виходом наступних частин статті), і поки що так:

1. Модуль INO226 - популярний, але мало відомий Ардуїно-модуль на спеціалізованому АЦП INO226, який має шину i2c і видає інформацію про напругу (до 36 В) та силу струму (до 3 А - з «рідним» вбудованим шунтом). Саме ці характеристики й зупинили мій вибір на ньому. Крім того, більшість моторів, що використовуються для свердлилок, дозволяють використовувати цей модуль як є (без доопрацювань). Ми ж трохи доопрацюємо, наш мотор для дорослих хлопчиків ) але про це пізніше.

2. Міні-контролер AtTiny85, зокрема, його реалізація від DigiSpark - як прикріпити цю свистульку до Arduino IDE і прошивати, в мережі є безліч інформації як у текстовому вигляді, так і у вигляді навчальних відео на різних мовах. Я ж умудрився «голий» контролер в DIP-корпусі прошити в програматорі і розмістити на показаній вище макетній платі для екстра-мінімізації проекту. Далі побачимо - але це вже завдання «із зірочкою», спростимо задачу. Ось так (зверху) виглядає рекомендована «свистулька» DigiSpark, з неї в мене все і починалось, зараз я ж використав більш складний варіант. До слова, AtTiny85 - єдиний з «малолапої» лінійки Ардуїно, який також має необхідний нам ШІМ-пін. Поки що, здається, ми маємо все, що нам потрібно для організації «розумної» свердлилки. Хоча - далі побачимо - мої «хотілки» зростають кожен день та бігуть поперед мене. На малюнку нижче - детальна розпіновка нашого «свистка». На це будемо надалі орієнтуватися.

3. OLED-дисплей 128x32 px. Оскільки ми використовуємо контролер, що має шину i2c (більш, він єдиний у цьому сімейству з цією шиною), чому б не використовувати маленький акуратний i2c-дисплей? Ну, це так, був би дисплей, відобразимо що-небудь ). Наприклад, інформація про оберти або аварійні повідомлення. Згодом апетити зростуть, ви побачите, ви самі придумаєте ще купу застосувань для нього.

4. MINI-360 - крихітний понижувальний перетворювач напруги, який чудово зарекомендував себе в середовищі радіоаматорів по всьому світу. Він буде живити наш «мозок» стабільним +5 В. Оскільки в кількох міліметрах буквально іскрять щітки мотора і створюють перешкоди в живленні, ми пропустимо живлення на нашу «цифрову» частину додатково через LC-фільтр.

5. Наш MOFET IRF540 - транзистор, який подає живлення нашому мотору. Використання ШІМ для управління швидкістю мотора дозволяє зменшити розміри необхідного радіатора.

6. Каналізаційна труба 50 мм з горловиною і заглушкою (тільки не смійтеся). Відрізок сантехнічної пластикової труби довжиною не більше 160 мм (з горловиною).

7. Горловина труби - саме тут буде приховано все те, що перетворить наш мотор і шматок каналізаційної труби в смарт-свердлилку.

8. Заглушка труби не тільки приховає нашу електроніку, але й стане основою для кріплення нашого дисплея - це найбільш зручне і логічне місце для перегляду інформації в процесі свердління - як друкованих плат, так і будь-якої іншої свердлильної або шліфувальної роботи.

9. Патрон B10 - для свердління інструментом від 0.3 мм до 6 мм. Для розумної свердлилки в домашній лабораторії ні більший, ні менший діаметр інструмента в моїй практиці не використовується. Тому я для себе зупинився на ньому. Для цього є інший інструментарій.

10. Ну, і звичайно, кнопка «Пуск», яка буде управляти «мізками» нашої смарт-свердлилки.

Підведемо підсумки, що ми хочемо отримати. Розглянемо і простеньку схему нашої смарт-свердлилки (можливо, далі розростеться, слідкуйте за продовженням).

1. Завдяки ШІМ ми робимо плавний старт мотора.

Плавний старт мотора за допомогою широтно-імпульсної модуляції (ШІМ) дозволяє уникнути різких ривків при запуску і знизити навантаження на механічні частини. ШІМ регулює середню потужність, подану на двигун, змінюючи співвідношення часу, протягом якого подається напруга, до часу, коли напруга не подається. Це дозволяє контролювати швидкість обертання вала мотора.

2. Після плавного старту мотора виводимо його на «крейсерські» холості оберти і стежимо за споживаним струмом. І як тільки ми упремося свердлом у поверхню - змінюємо скважність ШІМ (а отже, і оберти мотора). І так само в зворотному порядку. При використанні ШІМ для регулювання швидкості мотора важливо враховувати навантаження на вал. Якщо під час свердління виникає опір, споживаний струм збільшується, і це може бути сигналом для автоматичної програмної корекції оборотів мотора. Використовуючи дані про споживання струму, контролер може автоматично регулювати ШІМ для підтримки стабільних оборотів.

3. Відображення поточних обертів, напруги поданого живлення, споживаного пристроєм струму. OLED-дисплей на 128x32 пікселі дозволяє відображати важливу інформацію під час роботи пристрою. Для відображення поточних обертів, напруги і споживаного струму можна використовувати бібліотеку U8g2, яка підтримує велику кількість моделей дисплеїв OLED. Далі (в наступній частині) дам більш поширену інформацію про використанні бібліотеки.

4. Блокування при виникненні аварійних ситуацій. Система повинна мати можливість автоматично блокуватися при виникненні аварійних ситуацій, таких як перевантаження по струму, перегрів, або коротке замикання. Це забезпечує безпеку роботи та захищає електронні та навіть механічні компоненти від пошкоджень. При перевищенні певних значень струму або температури система повинна вимикати живлення мотора та видавати звуковий сигнал:

НОВІ ІДЕЇ, БУДЕМО РЕАЛІЗОВУВАТИ В ПОДАЛЬШОМУ ПРОЦЕСІ:

1. Введемо ще один режим роботи - для тривалої роботи (наприклад, шліфування або робота фрезою-шарошкою).

2. Режим автоматичної калібровки мотора (зараз усі вимірювання доводиться робити вручну і вносити константи в скетч). Автоматична калібровка дозволяє пристрою самостійно визначати оптимальні параметри роботи мотора, такі як мінімальні і максимальні оберти, пороги спрацьовування аварійних сигналів. Це може бути реалізовано шляхом короткочасного запуску мотора на різних обертах і аналізу отриманих даних.

3. У контролера залишився один вільний пін. Тому за допомогою датчиків Dallas ds18b20 (що під руками є) будемо контролювати і відображати поточну температуру мотора і вихідного транзистора. І у випадку перевантаження (по струму або температурі - в аварійних ситуаціях) - будемо подавати сигнал на зумер.

На цьому потрібно зробити невелику паузу, навіть поки писав, в голові з’явилися нові хотілки і приклади їх реалізації…

Усім до скорої зустрічі в другій частині. Розберемо зборку та окремі програмні частини. З побажанням миру и добробуту, Жора Дорфман.