基于stm32的溫度控制

..摘要當(dāng)前快速成形〔RP技術(shù)領(lǐng)域,基于噴射技術(shù)的"新一代RP技術(shù)"已經(jīng)取代基于激光技術(shù)的"傳統(tǒng)的RP技術(shù)"成為了主流；快速制造的概念已經(jīng)提出并得到了廣泛地使用。熔融沉積成型〔FDM就是當(dāng)前使用最廣泛的一種基于噴射技術(shù)的RP技術(shù)。本文主要對FDM溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行了深入的分析和研究。溫度測控在食品衛(wèi)生、醫(yī)療化工等工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。隨著傳感器技術(shù)、微電子技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,為智能溫度測控系統(tǒng)測控功能的完善、測控精度的提高和抗干擾能力的增強(qiáng)等提供了條件。本系統(tǒng)采用的STM32F103C8T6單片機(jī)是一高性能的32位機(jī),具有豐富的硬件資源和非常強(qiáng)的抗干擾能力,特別適合構(gòu)成智能測控儀表和工業(yè)測控系統(tǒng)。本系統(tǒng)對STM32F103C8T6單片機(jī)硬件資源進(jìn)行了開發(fā),采用K型熱敏電阻實(shí)現(xiàn)對溫度信號的檢測,充分利用單片機(jī)的硬件資源,以非常小的硬件投入,實(shí)現(xiàn)了對溫度信號的精確檢測與控制。文中首先闡述了溫度控制的必要性,溫度是工業(yè)對象中的主要被控參數(shù)之一,在冶金、化工、機(jī)械、食品等各類工業(yè)中,廣泛使用各種加熱爐、烘箱、恒溫箱等,它們均需對溫度進(jìn)行控制,成型室及噴頭溫度對成型件精度都有很大影響。然后詳細(xì)講解了所設(shè)計的可控硅調(diào)功溫度控制系統(tǒng),系統(tǒng)采用STM32F103C8T6單片機(jī)作微控制器構(gòu)建數(shù)字溫度控制器,調(diào)節(jié)雙向可控硅的導(dǎo)通角,控制電壓波形,實(shí)現(xiàn)負(fù)載兩端有效電壓可變,以控制加熱棒的加熱功率,使溫度保持在設(shè)定值。系統(tǒng)主要包括：數(shù)據(jù)的采集,處理,輸出,系統(tǒng)和上位機(jī)的通訊,人機(jī)交互部分。該系統(tǒng)成本低,精度高,實(shí)現(xiàn)方便。該系統(tǒng)加熱器溫度控制采用模糊PID控制。模糊PID控制的采用能夠在控制過程中根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的控制規(guī)律不停地自動調(diào)整控制量以使被控系統(tǒng)朝著設(shè)定的平衡狀態(tài)過渡。關(guān)鍵詞：熔融沉積成型〔FDM；STM32；溫度控制；TCA785AbstractInthepresentfieldofRapidPrototyping,the"NewRPTechnology"basedonjettingtechnologyisreplacingthe"ConventionalRPTechnology"basedonlasertechnologyasthemainstreamoftheRapidPrototypingTechnology.FusedDepositionModeling<FDM>isthemostpopularRapidPrototypingtechnologybasedonjettingtechnology.ThispapermainlydoesresearchdeeplyonthetemperaturecontrolsystemofFDMsystem.Temperaturecontrollingiswidelytofood,sanitation,medicaltreatment,chemistryandindustry.Alongwiththedevelopmentofsensortechnology,micro-electronicstechnologyandsinglechiptechnolog,brainpowertemperaturecontrollingsystemisperfected,precisionofmeasurementandcontrollingisenhancedandtheabilityofanti-jammingisswelled.SinglechipSTM32F103C8T6inthispaperisahigh-powered32-bitchip.Ithasplentyofhardwareresourceandstrongabilityforanti-jamming.Itisspeciallysuitableformakingbrainpowermeasurementinstrumentandindustrycontrollingsystem.ThehardwareresourceofsinglechipSTM32F103C8T6isfullyexploitedinthispaper.ThetooloftemperaturetestisthermocoupleofKstyle.Thissystemrealizesprecisemeasurementandcontrollingoftemperaturesignalwithalittlehardwareresource.First,theneedoftemperaturecontrolisexpounded.Temperatureisamaincontrolparameterinindustrialobject.Variouscalefactionstoves,ovensandconstanttemperatureboxeswhichallneedcontroltemperaturearewidelyusedinmanyindustrysuchasmetallurgy,chemistry,mechanismandfoodstuff.Mouldingroomandspouttemperatureawfullyaffecttheprecisionofmouldingpieces.Thenthetemperaturecontrolsystemusingcontrollablesiliconisexplainindetail.ThissystemadoptssinglechipSTM32F103C8T6whichactsasmicrocontroller.Itcanregulatetheangleofdouble-directioncontrollablesiliconandcontrolvoltagewaveshape.Sothevirtualvoltageofloadcanbechangedandthecalefactionpowerofcalefactionstickcanbecontrolled.Thereforethetemperaturecanretaintheenactmentvalue.Thissystemmainlyconsistsofcollectionofdata,disposal,output,communicationofsystemandcomputerandcommunicationofhumanandmachine.Thissystemhassomeadvantagessuchaslowcost,highprecisionandconveniencerealization.ThissystemadoptsbluryPIDcontrol.TheadoptionofbluryPIDcontrolcanceaselesslyautoregulatesbasinginitializedcontrolrule,thusthecontrolledsystemwillmovetotheinitializedbalancestate.Keywords:FusedDepositionModeling,STM32,temperaturecontrol,TCA785目錄TOC\o"1-2"\h\u9108摘要I9457Abstract II318241緒論156311.1FDM工藝原理及應(yīng)用1142871.2FDM國內(nèi)外基本研究概況2168201.3課題目的及意義3251432溫度控制系統(tǒng)方案分析5249722.1溫度控制的必要性5119342.2溫度控制系統(tǒng)的理論構(gòu)成5238472.3STM32和ADC7275242.4溫度控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)984333溫度控制電路各部分的實(shí)現(xiàn)1150673.1溫度檢測電路1191653.2加熱部分1751903.3鍵盤顯示部分2148173.4軟件部分21212423.5通訊總線的研究2271834總結(jié)與展望24115994.1全文總結(jié)24226614.2研究展望243251致謝265798參考文獻(xiàn)27..1緒論1.1FDM工藝原理及應(yīng)用1.1.1熔絲沉積技術(shù)原理早在十九世紀(jì)80年代末,美國學(xué)者ScottCrump博士第一次提出一種新的思想,該思想就是熔絲沉積技術(shù)的原型。該思想舍棄了激光器,提出了利用噴頭的技術(shù),其基本工作原理是：在控制系統(tǒng)作用下噴頭進(jìn)行兩軸半運(yùn)動,包括X-Y聯(lián)動以及Z向運(yùn)動,選取特殊材料可以在噴頭中被加熱接近流體狀；處于熔融狀態(tài)下的材料在噴頭掃描過程中被噴出,并急速冷卻形成一層加工面,層與層直接不斷的疊加連接在一起制作成一個空間實(shí)體。圖1-1FDM的工作原理1.1.2熔絲沉積技術(shù)的應(yīng)用FDM采用降維制造原理,將原本很復(fù)雜的三維模型根據(jù)一定的層厚分解為多個二維圖形,然后采用疊層辦法還原制造出三維實(shí)體樣件。由于整個過程不需要模具,所以大量應(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā),功能測試,無模制造,小批量制造方面。主要應(yīng)用在汽車,航空航天,家用電器,電動工具,院校,模具制造,玩具制造,手版設(shè)計等領(lǐng)域[1-2]。FDM技術(shù)可在產(chǎn)品開發(fā)過程中的提供設(shè)計驗證與功能驗證,檢驗產(chǎn)品可制造性、可裝配性,通過各種轉(zhuǎn)換技術(shù),可將RP模型快速轉(zhuǎn)換成各種模具,大幅度地縮短產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期?？焖俪尚蜋C(jī)能為看樣定貨、供貨詢價、市場宣傳等方面及時提供精確的樣品,大大提高企業(yè)的營銷效率?？焖俪尚图夹g(shù)問世不到十年,已實(shí)現(xiàn)了相當(dāng)大的市場,發(fā)展非常迅速,已成為現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計、模型、模具和零件制造強(qiáng)有力手段,在輕工、汽車摩托車領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。鑒于快速成型技術(shù)的特殊性,可以直接生產(chǎn)特殊復(fù)雜零件,CT掃描信息的實(shí)物化,因而快速成型技術(shù)在航空、航天及醫(yī)療領(lǐng)域正逐步體現(xiàn)出巨大的優(yōu)越性。1.1.3熔絲沉積技術(shù)的發(fā)展趨勢1綠色化減小體積,降低加工中的噪音,避免化學(xué)等污染材料的使用,增加工業(yè)設(shè)計,增極愛美觀且友好界面,逐漸改善融入辦公領(lǐng)域和家庭中去。2>簡易化工藝指令逐漸簡化,控制界面簡單易懂,加工工件處理更簡單易行,降低和減少操作員的工作量和操作流程。3>成本低廉化整合和創(chuàng)新整個控制系統(tǒng),降低設(shè)備的成本；設(shè)計高效穩(wěn)定的加工算法,降低運(yùn)行成本。4>高效率高精度完善并優(yōu)化系統(tǒng)加工和掃描算法,提高成型效率；增強(qiáng)系統(tǒng)的控制效率,提高執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制精度,從而制造高精度高強(qiáng)度的制件[3]。1.2FDM國內(nèi)外基本研究概況FDM工藝由美國學(xué)者ScottCrump博士于1988年率先提出,隨后于1991年開發(fā)了第一臺商業(yè)機(jī)型。美國Stratasys公司是世界上最大的FDM生產(chǎn)廠商,其生產(chǎn)的FDM系列設(shè)備目前已成為銷售業(yè)績最好的快速成型系統(tǒng)[4]。研究FDM的主要有Stratasys公司和MedModeler公司。Stratasys公司于1993年開發(fā)出第一臺FDM-1650<臺面為250mmX250mmX250mm>機(jī)型后,先后推出了FDM-2000、FDM-3000和FDM-8000機(jī)型。其中FDM-8000的臺面達(dá)457mmX457mmX610mm。清華大學(xué)推出了MEM機(jī)型。引人注目的是1998年Stratasys公司推出的FDM-Quantum機(jī)型,最大造型體積為600mmX500mmX600mm。由于采用了擠出頭磁浮定位<MagnaDrive>系統(tǒng),可在同一時間獨(dú)立控制2個擠出頭,因此其造型速度為過去的5倍[5]。Stratasys公司1998年與MedModeler公司合作開發(fā)了專用于一些醫(yī)院和醫(yī)學(xué)研究單位的MedModeler機(jī)型,使用材料為ABS。1999年該公司推出可使用熱塑性聚酷的Genisys型改進(jìn)機(jī)型Genisys-Xs,熔扮材料主要是ABS、人造橡膠、鑄蠟和熱塑性聚酯。20XXStratasys公司推出了支持FDM技術(shù)的工程材料PC。用該材料生產(chǎn)的原型可達(dá)到并超過ABS注射成型的強(qiáng)度,耐熱溫度為125~145。20XX又推出了支持FDM技術(shù)的工程材料PPSF,其耐熱溫度為207.2~230,適合高溫的工作環(huán)境。隨后,Stratasys公司開發(fā)了工程材料PC/ABS。PC/ABS結(jié)合了PC的強(qiáng)度以及ABS的韌性,性能明顯強(qiáng)于ABS[6]。1998年澳大利業(yè)的Swinburne工業(yè)大學(xué)推出的一種金屬一塑料復(fù)合材料絲,是將鐵粉混合到尼龍P301中添加增塑劑和表面活性劑制成的。這種材料可用FDM工藝直接快速制模[7]。1998年美國Virginia工學(xué)院研究了用于FDM的熱致液晶聚合物<TLCP>纖維,其拉伸模量和強(qiáng)度大約是ABS的4倍[8]。熔融擠壓成形工藝比較適合于家用電器、辦公用品以及模具行業(yè)新產(chǎn)品開發(fā),以及用于假肢、醫(yī)學(xué)、醫(yī)療、大地測量、考古等基于數(shù)字成像技術(shù)的三維實(shí)體模型制造。該技術(shù)無需激光系統(tǒng),因而價格低廉,運(yùn)行費(fèi)用很低且可靠性高。由于這種工藝具有的這些顯著優(yōu)點(diǎn),其發(fā)展極為迅速,目前FDM系統(tǒng)在全球已安裝快速成形系統(tǒng)中的份額大約為30％。清華大學(xué)從90年代初開始研究FDM快速成型技術(shù),他們先后開發(fā)出了MEM-250-II、MEM-300-I、MEM-600等幾代快速成型系統(tǒng),目前他們開發(fā)的多功能快速成型系統(tǒng)M-RPMS,集LOM和FDM的功能于一體,只改動其材料輸送和某些特殊部件,80%左右的零件和控制硬件以及95%的數(shù)據(jù)處理軟件可以共用[9]。國內(nèi)研究FDM材料的單位比較少。北京航空航天大學(xué)對短切玻璃纖維增強(qiáng)ABS復(fù)合材料進(jìn)行了一系列的改性研究。通過加入短切玻纖,能提高ABS的強(qiáng)度、硬度且顯著降低ABS的收縮率,減小制品的形變;但同時使材料變脆。北京太爾時代公司通過和國內(nèi)外知名的化工產(chǎn)品供應(yīng)商合作,于20XX正式推出高性能FDM成型材料ABS04。該材料具有變形小、韌性好的特點(diǎn),非常適于裝配測試,可直接拉扮。近年來,華中科技大學(xué)研究了改性聚苯乙烯支撐材料。目前,部分國產(chǎn)RP設(shè)備已接近或達(dá)到美國公司同類產(chǎn)品的水平,價格卻便宜得多,材料的價格更加便宜。我國已初步形成了RP設(shè)備和材料的制造體系,中國機(jī)械工程學(xué)會下屬的快速成型技術(shù)委員會的活動也非?；钴S。近年來,在國家科學(xué)技術(shù)部的支持下,我國已經(jīng)在XX、天津、上海、XX、XX、XX、XX等地建立一批向企業(yè)提供快速成形技術(shù)的服務(wù)機(jī)構(gòu),并開始起到了積極的作用,推動了快速成形技術(shù)在我國的廣泛應(yīng)用,使我國RP技術(shù)的發(fā)展走上了專業(yè)化、市場化的軌道,為國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。1.3課題目的及意義1.3.1課題目的隨著計算機(jī)輔助技術(shù)〔CAD/CAE和數(shù)控技術(shù)的快速發(fā)展,國內(nèi)的快速成形設(shè)備也取得了飛速地進(jìn)步。然而由于起步晚、高薪技術(shù)被封鎖的原因,與國外同等產(chǎn)品相比還有很大的差距,因此,要想突破對外國廠商對我國制造業(yè)的壟斷、圍堵,不僅要從技術(shù)創(chuàng)新方面加快步伐,同時也可以從成本層面打破市場占有率。研究開發(fā)以功能先進(jìn)、成本低廉這樣的系統(tǒng),對我們國家制造業(yè)是十分有意義的事情。此實(shí)驗致力于將FDM系統(tǒng)中的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計完善以達(dá)到改善工作環(huán)境提高制造精度的要求。其主要工作有設(shè)計基于ARM芯片STM32芯片的FDM溫度控制平臺包括溫度檢測部分、加熱部分、顯示和調(diào)整部分已經(jīng)軟件部分并完成通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。1.3.2課題的意義快速成型技術(shù)<RP>作為研究和開發(fā)新產(chǎn)品的有力手段已發(fā)展成為一項高新技術(shù)的新興產(chǎn)業(yè)。RP由CAD模型直接驅(qū)動,快速地制造出復(fù)雜地二維實(shí)體。這項技術(shù)集計算機(jī)輔助設(shè)計<CAD>、數(shù)控、激光加工、新材料開發(fā)于一體,體現(xiàn)了多種學(xué)科、多種技術(shù)的綜合應(yīng)用,在技術(shù)上已趨于成熟。RP系統(tǒng)具有很高的柔性制造能力,單臺設(shè)備就能迅速方便地制造出復(fù)雜的零件,這是任何NC設(shè)備無法做到的。RP系統(tǒng)是唯一能將計算機(jī)中的設(shè)計構(gòu)思進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)的有力工具。隨著我國市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,市場競爭日趨激烈,國內(nèi)許多企業(yè)對市場競爭的嚴(yán)峻形勢感受深刻,不少企業(yè)對RP技術(shù)已經(jīng)產(chǎn)生濃厚的興趣,經(jīng)濟(jì)充裕的單位不惜花費(fèi)十幾萬甚至幾十萬美元從國外引進(jìn)昂貴的快速成型設(shè)備及材料,然而對于一般企業(yè)來說畢竟投入太大,仍然只能望洋興嘆。根據(jù)國外的統(tǒng)計結(jié)果,該技術(shù)第一需要考慮的問題就是價格太高。這也是我們在國內(nèi)開展此項研究,發(fā)展國內(nèi)低成本、高性能、符合國內(nèi)市場需要的快速成型技術(shù)的原因之一。我們實(shí)驗室的四大快速成型技術(shù)中的LOM,SLS兩種已經(jīng)比較成熟了,其余兩種中由于FDM快速成型技術(shù)相較于SLA來說成型速度快,不使用激光器而運(yùn)行成本低,環(huán)保性能好而深受用戶的歡迎。因此,研究和開發(fā)國產(chǎn)化的熔絲沉積快速成型設(shè)備具有重要的意義并將為我們單位開發(fā)更大的市場空間。而溫度控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)就是熔絲沉積快速成型設(shè)備中不可或缺的一個環(huán)節(jié),實(shí)現(xiàn)FDM的溫度控制對其精度和質(zhì)量都有關(guān)鍵性的作用。FDM系統(tǒng)對于工業(yè)設(shè)計的優(yōu)勢無可比擬。其簡單易用的特性以及符合辦公室設(shè)計環(huán)境的規(guī)格,完全滿足設(shè)計人員的夢想。同時它體積小、無污染,是辦公室環(huán)境的理想桌面制造系統(tǒng)。因此FDM快速成形系統(tǒng)有著非常廣闊的發(fā)展空間。2溫度控制系統(tǒng)方案分析2.1溫度控制的必要性FDM系統(tǒng)中受溫度影響比較大的有三個區(qū)域：噴頭、工作臺和工作室。前兩者受溫度的影響作用最大,直接影響到整個工藝工件的完成質(zhì)量。噴頭溫度決定了材料的粘結(jié)性能、堆積性能、絲材流量以及擠出絲寬度。噴嘴溫度應(yīng)在一定的范圍內(nèi)選擇,使擠出的絲呈塑性流體狀態(tài),即保持材料粘性系數(shù)在一個適用的范圍內(nèi)。噴頭溫度太低,材料偏向于固態(tài),則材料粘度增大使擠出摩擦阻力加大,擠絲速度變慢,這不僅加重了擠壓系統(tǒng)的負(fù)擔(dān),極端情況下還會造成噴嘴堵塞,縮短噴頭的壽命,而且材料層間粘結(jié)強(qiáng)度降低,還會引起層間剝離；而溫度太高,材料偏向于液態(tài),出現(xiàn)焦黃,材料分子破裂,粘性系數(shù)變小,流動性強(qiáng),擠出過快,無法形成可精確控制的絲,使擠出的絲表面粗糙,制作時會出現(xiàn)前一層材料還未冷卻成形,后一層就加壓于其上,從而使得前一層材料坍塌和破壞。因此,噴頭溫度應(yīng)根據(jù)絲材的性質(zhì)在一定范圍內(nèi)選擇,以保證擠出的絲呈熔融流動狀態(tài)[10]。根據(jù)長期的工藝實(shí)驗驗證得出,噴頭溫度的最佳狀態(tài)應(yīng)該保持在230°C[2]。工作臺的溫度直接影響到噴絲后各層是否能夠粘結(jié)牢固,對成型件的熱應(yīng)力有很大的影響。溫度過高或過低會使得成型零件發(fā)生翹曲變形或者粘結(jié)不牢開裂等缺陷。根據(jù)長期的工藝實(shí)驗驗證得出,工作臺溫度的最佳狀態(tài)應(yīng)該保持在80°C。工作室的溫度影響不大,只需要保持30°C恒溫即可。2.2溫度控制系統(tǒng)的理論構(gòu)成參考許多文獻(xiàn)中的設(shè)計方案,溫控器的設(shè)計大體有以下幾種：〔1以單片機(jī)系統(tǒng)為控制核心,用溫度傳感器及A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行溫度采集的可控硅調(diào)功溫度控制系統(tǒng)?！?利用零電壓開關(guān)〔ZVS溫度控制芯片,例如T2117,控制連接在AC線路上的電阻性負(fù)載,并通過過零模式的雙向晶閘管來實(shí)現(xiàn)溫控,這種電路比較簡單,所用元件很少,成本較低?！?由集成溫度傳感器、電壓放大器、比較器、接口電路、無觸點(diǎn)電子開關(guān)等單元電路構(gòu)成的溫控器,這種由無觸點(diǎn)電子開關(guān)控制單位時間內(nèi)動態(tài)加熱時間的方法來控制恒定溫度可以得到較高的控溫精度和較小的溫度波動區(qū)間?！?以CPLD可編程邏輯器件為核心的溫度控制系統(tǒng),數(shù)據(jù)采樣控制以及功率調(diào)整均由CPLD實(shí)現(xiàn)[4]?？紤]到單片機(jī)價格便宜且性能良好,可很方便地搭建電路,本文中的溫度控制系統(tǒng)采用第一種方案,以STM32F103C8T6單片機(jī)為主處理器,改變可控硅的導(dǎo)通角控制加熱功率進(jìn)而控制溫度。溫控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案：用單片機(jī)構(gòu)建數(shù)字溫度控制器?？刂圃恚和ㄟ^調(diào)節(jié)雙向晶閘管的導(dǎo)通角,控制電壓波形,實(shí)現(xiàn)負(fù)載兩端有效電壓可變。系統(tǒng)主要包括：數(shù)據(jù)的采集,處理,輸出,系統(tǒng)和上位機(jī)的通訊,人機(jī)交互部分。FDM溫度控制系統(tǒng)由雙向晶閘管構(gòu)成加熱電路,如圖2-1所示。通過控制雙向晶閘管的導(dǎo)通角,來改變負(fù)載的有效電壓,控制加熱功率,進(jìn)而達(dá)到控制溫度的目的。當(dāng)雙向晶閘管全導(dǎo)通時,負(fù)載兩端的有效電壓為220V；當(dāng)其全關(guān)斷時,負(fù)載兩端的有效電壓為0V。這樣通過控制電路選擇適當(dāng)?shù)挠|發(fā)角,可使負(fù)載兩端的電壓為220V和0V之間的任意值,從而保證熱力系統(tǒng)輸入熱流量和輸出熱流量相等,溫度保持不變。圖2-1加熱電路為實(shí)現(xiàn)對溫度的精確控制,加熱系統(tǒng)需采用獨(dú)立的閉環(huán)控制系統(tǒng),由溫控器、可控硅、加熱頭及熱電耦組成。閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2-2所示。系統(tǒng)輸出和輸入相比較后產(chǎn)生誤差通過調(diào)節(jié)驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。PID控制是工業(yè)過程控制中應(yīng)用最廣泛的一種控制形式,一般均能收到令人滿意的效果,本系統(tǒng)同樣采用模糊PID控制[11]。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時,輸入和輸出相等,即誤差為零,這樣使系統(tǒng)達(dá)到控制要求。圖2-2閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖在溫控系統(tǒng)中一般是采用可控硅和溫控器相結(jié)合,利用溫控器自帶的PID控制算法來實(shí)現(xiàn)的。這在精度上雖然能保證,但其動態(tài)響應(yīng)速度慢,噴嘴和工作臺的溫度由室溫升到并穩(wěn)定在設(shè)定值的這一過程往往要花費(fèi)很多的時間,嚴(yán)重影響了加工效率。而模糊控制正好彌補(bǔ)了PID控制的這一缺點(diǎn),它能夠得到較好的動態(tài)響應(yīng)特性,上升時間快,魯棒性好[12]。但模糊控制也存在固有的缺點(diǎn),容易受模糊規(guī)則有限等級的限制而引起誤差,而且在偏差較小時過渡時間會過長。為了使溫度控制的穩(wěn)定性和快速性得到較好的兼顧,可采用PID控制和模糊控制相結(jié)合的方法,即當(dāng)e<k>≥δ時,模糊控制；當(dāng)e<k><δ時,PID控制。e<k>為采樣時刻K的偏差值。δ的取值由被控對象的特性來定,可結(jié)合操作經(jīng)驗經(jīng)多次調(diào)節(jié)比較確定[13]。為了提高人機(jī)的交互性,本電路將采用基于單片機(jī)的數(shù)字化溫控系統(tǒng)?？筛鶕?jù)成形材料的物理性質(zhì)設(shè)定控制溫度。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2-3所示。采樣及溫度補(bǔ)償采樣及溫度補(bǔ)償放大電路ADCSTM32DACTCA785溫度顯示鍵盤輸入圖2-3溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)設(shè)計的目標(biāo)準(zhǔn)則有：〔1溫度的測量精度,這在某種程度上說是最重要的一個環(huán)節(jié),它的準(zhǔn)確性直接就關(guān)系到了工作點(diǎn)溫度誤差大小。同時它反饋的信號也是后續(xù)環(huán)節(jié)的步驟指令?！?響應(yīng)速度要快,速度慢了滯后就嚴(yán)重,這樣就算精度高,實(shí)質(zhì)的控制精度也大打折扣了?！?性能穩(wěn)定,它與測量精度,響應(yīng)速度是設(shè)計控制系統(tǒng)的根本追求?！?工作溫度的范圍,它決定了系統(tǒng)可應(yīng)用的廣泛程度?！?放大器的線性度,線性度越好,測溫就越準(zhǔn)確,從而控制精度也越高?！?價格便宜,可大大提高產(chǎn)品競爭力,使產(chǎn)品在競爭中處于有力的地位[4]。2.3STM32和ADCSTM32F103xx增強(qiáng)型系列使用高性能的ARMCortex-M332位的RISC內(nèi)核,ARM的Cortex-M3處理器是最新一代的嵌入式ARM處理器,它為實(shí)現(xiàn)MCU的需要提供了低成本的平臺、縮減的管腳數(shù)目、降低的系統(tǒng)功耗,同時提供卓越的計算性能和先進(jìn)的中斷系統(tǒng)響應(yīng)。ARM的Cortex-M3是32位的RISC處理器,提供額外的代碼效率,在通常8和16位系統(tǒng)的存儲空間上得到了ARM核心的高性能[14]。本課題控制系統(tǒng)所使用的處理器為STM32系列產(chǎn)品中STM32F103C8T6,它屬于"增強(qiáng)型",的一款,工作于-40°C至+85°C的溫度范圍,供電電壓2.0V至3.6V,可以設(shè)置工作在省電模式以保證低功率消耗的應(yīng)用需求,并且具有豐富的外設(shè)資源：該芯片工作時最高頻率可達(dá)72MHz；內(nèi)部帶有128K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的SRAM；有80個的增強(qiáng)I/O端口,充分滿足用戶的外設(shè)需求,IO口聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè),最高達(dá)72MHz；一個高級定時器和三個普通定時器,均是16位寄存器模式,每個定時器還帶有四條輸出輸入通道；系統(tǒng)帶有18MHz的spi總線通訊接口、最高4.5Mbps波特率可選擇的支持全雙工通訊的串行通訊總線接口；十二個獨(dú)立可配置的直接存儲器通道；60個可屏蔽中斷通道和16個可編程優(yōu)先等級中斷,為用戶提供豐富的中斷響應(yīng)資源；逐次逼近型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器具有12位的分辨力,具有16個外部和2個內(nèi)部共18個信號源,可以進(jìn)行自校正,最快轉(zhuǎn)化速時間達(dá)1us；兩個并行總線/I2C總線接口,支持多主機(jī)功能,可做從設(shè)備；完全支持CAN總線協(xié)議；檢測電路的輸出電壓必須通過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,才能夠用計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理,處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后輸出的是數(shù)字信號,然而控制系統(tǒng)中,一般要求的是連續(xù)的控制信號來進(jìn)行系統(tǒng)控制,這樣運(yùn)算輸出的數(shù)字量又必須經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器,將數(shù)字信號還原為模擬信息。通過連續(xù)的模擬信號控制系統(tǒng)的熱量供給,從而達(dá)到工作點(diǎn)溫度保持或增減的要求。信號的A/D轉(zhuǎn)換、運(yùn)算、D/A轉(zhuǎn)換三個步驟,皆可經(jīng)過STM32來完成[15]。溫度測量系統(tǒng)主控電路由STM32F103C8T6及其外圍電路組成,是系統(tǒng)的核心部分,主要完成數(shù)據(jù)的傳輸和處理工作。溫度傳感器采集的模擬信號,經(jīng)過處理器本身內(nèi)嵌的ADC進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后得到實(shí)時溫度數(shù)據(jù),再經(jīng)處理器相關(guān)處理后通過溫度顯示電路進(jìn)行實(shí)時顯示,同時,處理器還可以實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的通信功能。12位ADC是一種逐次逼近型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。它有18個通道,可測量16個外部和2個內(nèi)部信號源[16]。各通道的A/D轉(zhuǎn)換可以單次、連續(xù)、掃描或間斷模式執(zhí)行。ADC的結(jié)果可以左對齊或右對齊方式存儲在16位數(shù)據(jù)寄存器中。模擬看門狗特性允許應(yīng)用程序檢測輸入電壓是否超出用戶定義的高/低閥值值。主要特征為：12-位分辨率轉(zhuǎn)換結(jié)束,注入轉(zhuǎn)換結(jié)束和發(fā)生模擬看門狗事件時產(chǎn)生中斷單次和連續(xù)轉(zhuǎn)換模式從通道0到通道n的自動掃描模式自校準(zhǔn)帶內(nèi)嵌數(shù)據(jù)一致的數(shù)據(jù)對齊通道之間采樣間隔可編程規(guī)則轉(zhuǎn)換和注入轉(zhuǎn)換均有外部觸發(fā)選項間斷模式雙重模式<帶2個ADC的器件>ADC轉(zhuǎn)換速率1MHzADC供電要求：2.4V到3.6VADC輸入范圍：規(guī)則轉(zhuǎn)換期間有DMA請求產(chǎn)生。表2-1ADC管腳名稱信號類型注解VREF+輸入,模擬參考正極ADC使用的高端/正極參考電壓,VSSA≤VREF+≤VDDAVDDA輸入,模擬電源等效于VDD的模擬電源且：2.4V≤VDDA≤VDD<3.6V>VREF-輸入,模擬參考負(fù)極ADC使用的低端/負(fù)極參考電壓,VREF-=VSSAVSSA輸入,模擬電源地等效于VSS的模擬電源地ADC_IN[15:0]模擬輸入信號16個模擬輸入通道EXTSEL[2:0]輸入,數(shù)字開始規(guī)則成組轉(zhuǎn)換的六個外部觸發(fā)信號JEXTSEL[2:0]輸入,數(shù)字開始注入成組轉(zhuǎn)換的六個外部觸發(fā)信號有16個多路通道?？梢园艳D(zhuǎn)換分成兩組：規(guī)則的和注入的。在任意多個通道上以任意順序進(jìn)行的一系列轉(zhuǎn)換構(gòu)成成組轉(zhuǎn)換。例如,可以如下順序完成轉(zhuǎn)換：通道3、通道8、通道2、通道2、通道0、通道2、通道2、通道15。規(guī)則組由多達(dá)16個轉(zhuǎn)換組成。規(guī)則通道和它們的轉(zhuǎn)換順序在ADC_SQRx寄存器中選擇。規(guī)則組中轉(zhuǎn)換的總數(shù)寫入ADC_SQR1寄存器的L[3:0]位中。注入組由多達(dá)4個轉(zhuǎn)換組成。注入通道和它們的轉(zhuǎn)換順序在ADC_JSQR寄存器中選擇。注入組里的轉(zhuǎn)換總數(shù)目寫入ADC_JSQR寄存器的L[1:0]位中。如果ADC_SQRx或ADC_JSQR寄存器在轉(zhuǎn)換期間被更改,當(dāng)前的轉(zhuǎn)換被清除,一個新的啟動脈沖將發(fā)送到ADC以轉(zhuǎn)換新選擇的組。溫度傳感器和通道ADC_IN16相連接,內(nèi)部參考電壓VREFINT和ADC_IN17相連接?？梢园醋⑷牖蛞?guī)則通道對這兩個內(nèi)部通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換。2.4溫度控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)中用到的器件及實(shí)現(xiàn)的功能如下：單片機(jī)STM32F103C8T6做CPU,用熱電阻采集溫度信號,經(jīng)過以ICL7650組成的信號放大及濾波電路處理傳輸給單片機(jī)STM32F103C8T6單片機(jī)自帶的ADC將模擬信號轉(zhuǎn)換為為數(shù)字信號,經(jīng)過單片機(jī)處理后由DAC轉(zhuǎn)換為模擬信號；加熱電路包括雙向可控硅,光電耦合器MOC3021,集成電路移相觸發(fā)器TCA785,變壓器；通訊是由CAN總線配合其他模塊實(shí)現(xiàn)的。下一章會詳細(xì)介紹各個部分的實(shí)現(xiàn)。用Protell畫出其原理圖,如圖所示：圖2-4溫度控制電路原理圖3溫度控制電路各部分的實(shí)現(xiàn)3.1溫度檢測電路3.1.1熱電偶測量溫度的器件很多,包括熱敏電阻、熱電偶、紅外測溫、水銀等等。根據(jù)FDM溫度的特性,溫度范圍較大0-300°C,因此決定選擇熱電偶測溫。表3-1為K型熱電偶的分度表。為了保險起見,我們將溫度范圍擴(kuò)展到500℃,參考端的溫度取值為30℃,其最大的輸出也僅是21919μν。STM32內(nèi)部帶有12位的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)化器,參考電壓時0-3V。因此為了更精確的測量溫度,將熱電偶的信號經(jīng)過放大電路輸入進(jìn)STM32的ADC端口。放大電路的放大倍數(shù)是136.8,為了提高控制精度,放大倍數(shù)取150-200倍。表3-1K型熱電偶的分度表K參考端溫度：0℃整10度μν值0102030405060708090003977981203161120222436285032663681100409545084919532757336137653969397338773720081378537893893419745101511056010969113811179330012207126231303913456138741429214712151321555215974400163951681817241176641808818513189381936319788202145002064021066214932191922346227722319823624240502447660024902253272575126176265992702227445278672828828709700291282954729965303833079931214316293204232455328668003327733686340953450234909353143571836121365243692590037325377243812238519389153931039703400964048840879100041269416574204542432428174320243585439684434944729110045108454864586346238466124698547356477264809548462120048828491924955549916502765063350990513445169752049130052398530935309353439537825412554466548073.1.2信號放大和濾波在本課題中,我們需要將FDM工作溫度很好的控制在℃的范圍,放大倍數(shù)在150-200倍之間?？紤]系統(tǒng)的線性度、失真區(qū)間、動態(tài)響應(yīng)等,選用ICL7650芯片實(shí)現(xiàn)運(yùn)算放大器的功能,它的參數(shù)主要是：輸入失調(diào)電壓UIO=0.05mv,輸入失調(diào)電流IIO=0.05nA,失調(diào)電壓UIO的溫漂0.01uV/℃,失調(diào)電流IIO溫漂幾乎為0,綜合性能很好。其原理圖圖和外圍電路如圖3-1和3-2所示：圖3-1ICL7650原理圖圖3-2ICL7650外圍電路圖同時選用儀器放大器,具有很高的輸入阻抗,同時可以在末端加一個跟隨器提高輸出阻抗。如圖3-3所示,一級放大部分由兩個對稱的同相運(yùn)放放大器組成一個差分放大器,有效的對冷端溫度進(jìn)行了補(bǔ)償,二級放大作為主要放大電路。圖3-3信號放大電路首先對該放大電路進(jìn)行參數(shù)的計算分析：設(shè)R1左端輸入信號電壓為,左端輸入信號電壓為,與之間電壓為,R6與R4連接點(diǎn)電壓為。根據(jù)運(yùn)算放大器原理,穩(wěn)態(tài)時其"+"輸入端,"-"輸入端電壓相等,電流為0。所以: ; 〔3-1><3-2>.<3-3>為了使電路盡可能的對稱以消除共模干擾、偶然誤差,從而取<常用的值>,又有于是：<3-4><3-5>有〔3-1、<3-2>、〔3-3、<3-4>和〔3-5計算出放大倍數(shù)當(dāng)遠(yuǎn)大于時,放大倍數(shù)根據(jù)以前的試驗資料可確定,,,確定了各個元器件的數(shù)值之后就可以用multisim仿真軟件對放大器電路進(jìn)行模擬分析,如圖所示。圖3-4溫度檢測電路仿真抗干擾性能是系統(tǒng)的可靠性的重要指標(biāo)。供電線路是電網(wǎng)中各種浪涌電壓入侵的主要途徑。系統(tǒng)的接地裝置不良或不合理,也是引入干擾的重要途徑。各類傳感器,輸入輸出線路的絕緣不良,也有可能引入干擾。在高壓、大電流、高頻電磁場附近干擾以場的形式入侵微機(jī)系統(tǒng)。干擾大致可分為常模干擾、共模干擾、數(shù)字通道的外源干擾和數(shù)字量通道的內(nèi)源干擾。干擾的信號往往是幅值小,頻率高,但是小幅值的雜波一旦是在放大器之前形成、輸入,則可以被放大到足以給系統(tǒng)帶來很大誤差,甚至失去控制作用的后果,針對于上述的影響,我們在放大前后都對電路設(shè)計了濾波,以實(shí)現(xiàn)放大器的高增益、低噪聲！放大前采用并聯(lián)小電容的形式進(jìn)行1級濾波,對高頻部分過濾,但是低頻部分可以很容易通過；后面的R9、R10、C3、C4組成了二級RC濾波電路。對二級RC濾波電路檢測器濾波性能,其結(jié)果如圖3-5所示：圖3-5后級濾波的伯德圖可見二級濾波的是一個低通濾波器,低頻容易通過,高頻時迅速衰減,而在低頻處,幾乎是,也就是不衰減的輸出。用multisim仿真軟件對放大器電路進(jìn)行模擬分析,模擬電路的線性度及失真區(qū)間,從而推知工作溫度范圍。從前面的理論計算中,我們得知G=<R3+R4>/Rg+1,下面通過改變Rg的值就能夠模擬出不同的放大倍數(shù),給電路加一個10的交流電源即可獲得電路的放大情況。如圖3-6和3-7所示：圖3-6取Rg=300的模擬圖圖3-7取Rg=200的模擬圖從上述的二個模擬結(jié)果中分析,分別取Rg等于300、200模擬,計算值G等于133.3,201,而根據(jù)模擬圖的數(shù)據(jù)可以計算出Rg等于300、200時的放大倍數(shù)為130.3,199.6,可見模擬出的效果較好。而根據(jù)熱電偶在參考端的溫度取值為30℃,其最大的輸出也僅是21919μν,放大倍數(shù)大其精度也就相對提高因此該系統(tǒng)中取剛好符合要求。對于不同的要求,只需調(diào)節(jié)Rg值就可以得所需的放大倍數(shù)。在現(xiàn)有實(shí)驗設(shè)備的條件下,分別用實(shí)物檢測了水溫,加熱棒溫度,并記錄數(shù)據(jù)于如下表3-2和表3-3：表3-2水溫度測量〔放大200倍數(shù)據(jù),參考端30℃溫度℃5052.5556062.565707578電壓V0.1610.1810.2030.2400.2550.2870.3270.3750.400表3-3加熱棒溫度測量〔放大200倍數(shù)據(jù),參考端30℃溫度℃140150160170180190200電壓V0.7340.8880.9731.0511.1131.2241.302溫度℃210220230240250260270電壓V1.4091.4991.5861.6731.7641.8451.943溫度℃280290300310320330340電壓V2.032.112.192.292.392.472.56由于加熱棒溫度測試的數(shù)據(jù)因熱電偶放置地點(diǎn)的偏差,因此誤差可能較大,但是我們從上表能夠大體的分析出,在加熱棒的溫度為340℃時,放大器的輸出電壓為2.56V,溫度每十度的增加,其放大器的輸出電壓增加0.08V,因此我們可以推斷在放大器的輸出電壓達(dá)到了計算機(jī)輸入的最大限度3V時,加熱棒的溫度能夠達(dá)到400℃,這已經(jīng)滿足一般快速成型機(jī)的噴頭溫度為300℃的要求了。由于水溫測試的結(jié)果較準(zhǔn)確,這里僅對水溫測試數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析。以溫度對應(yīng)K型熱電偶分度表的電壓值為橫坐標(biāo)輸入,放大后電壓值為縱坐標(biāo)輸出如圖3-8所示：圖3-8水溫數(shù)據(jù)分析從圖3-8中可見,實(shí)際放大器的線性誤差很小,該誤差可能是溫度計讀數(shù)誤差造成的。放大倍數(shù)G=400/1.980=202.0與計算值<R3+R4>/Rg+1=201相差無幾,僅存的誤差可能是萬能表測量Rg值的誤差造成。3.2加熱部分DAC進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換后,模擬量電壓信號輸出給TCA785,改變可控硅的導(dǎo)通角,同時負(fù)脈沖驅(qū)動光電耦合器工作,觸發(fā)可控硅控制加熱棒。這一部分共有兩路,分別連接兩個加熱棒,控制兩個噴嘴的溫度,每一路主要包括一個光電耦合器MOC3021,一個集成電路移相觸發(fā)器TCA785,一個變壓器和一個雙向可控硅。光電耦合器MOC3021的內(nèi)部示意圖如下,輸入部分是一砷化鎵二極管,此二極管在5-15mA正向電流的作用下,發(fā)出強(qiáng)度足夠的紅外光。輸出部分是一光敏雙向晶閘管,在輸出端電壓接近零時,在紅外光的作用下能雙向?qū)?。它的特點(diǎn)是輸入和輸出完全隔離,相互無干擾,不考慮同步問題,不設(shè)同步變壓器。圖3-9MOC3021示意圖TCA785是西門子公司研制生產(chǎn)的集成移相觸發(fā)器,內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3-10所示。它的內(nèi)部集成有同步檢測、矩齒波形成、移相控制、脈沖形成、功率放大等電路。與其他集成觸發(fā)器相比,由它構(gòu)成的晶閘管觸發(fā)電路具有功耗小、功能強(qiáng)、輸入阻抗高、抗干擾性能好、移相范圍寬、外部器件少、單電源工作、調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn),且有完善的保護(hù)措施,所需外圍元件少適用范圍廣,是一種性能價格比很高的集成觸發(fā)器,適用于各種晶閘管整流電路和晶閘管交流調(diào)壓電路[17]。圖3-10TCA785內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖VS和GND腳分別為直流電源輸入端和接地公端。VSYNC端為同步信號輸入端,同步信號經(jīng)同步過零電路送至同步寄存鋸齒波信號發(fā)生器,在每個正弦信號的過零點(diǎn)鋸齒波發(fā)生器迅速放電并從0初始值開始充電,改變10腳外接的電容或9腳外接的電阻值即可改變鋸齒波的斜率。鋸齒波電壓與11腳的控制電壓V11進(jìn)行比較,當(dāng)鋸齒波電壓達(dá)到V11的幅度時產(chǎn)生一脈沖,生成控制信號送至脈沖形成及分配環(huán)節(jié),從這里可以看出控制角α的大小由控制電壓V11的幅度值決定。Q1腳和Q2腳分別為正負(fù)半周對應(yīng)的脈沖輸出端。1Q腳和2Q腳分別為Q1腳和Q2腳的反相脈沖輸出端,可以根據(jù)實(shí)際需要選用。所產(chǎn)生的脈沖寬度分別由12腳和13腳外接的電容值決定,QU腳和QZ腳為脈沖合成輸出端,每個電源周期翻轉(zhuǎn)兩次。6腳I為脈沖封鎖端,由6腳電平控制。當(dāng)V6="1"時,解除封鎖,當(dāng)V6="0"時,封鎖有效,它是為系統(tǒng)過流、過壓或進(jìn)行其它控制而設(shè)立的控制端。TCA785的各腳波形見圖3-11所示。圖3-11TCA785波形圖雙向可控硅元件是一種比較理想的交流電力控制元件,在交流電路中用雙向可控硅元件代替一組反并聯(lián)的可控硅可簡化電路,且可靠性較高,在功率調(diào)節(jié)、電壓調(diào)節(jié)、交流電機(jī)調(diào)速和電子開關(guān)等方面應(yīng)用十分廣泛。雙向可控硅的主電壓-電流特性曲線如圖3-12,其中IH為維持電流,VDSM為斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓,VDRM斷態(tài)重復(fù)峰值電壓,規(guī)定VDRM=80%VDSM。圖3-12雙向可控硅的主電壓-電流特性曲線欲使雙向可控硅中通過交流電流,必須在每半個電流周期對元件進(jìn)行一次觸發(fā)；只有在元件中通過的電流大于維持電流后,才能在去掉觸發(fā)脈沖后維持元件繼續(xù)導(dǎo)通；只有當(dāng)元件中通過的電流下降到維持電流以下時,元件才能關(guān)斷,并恢復(fù)阻斷能力；元件過零關(guān)斷后,必須再次進(jìn)行觸發(fā)才能重新導(dǎo)通。線路上的電壓超過雙向可控硅的不重復(fù)峰值電壓,線路上的dV/dt超過元件的額定dV/dt,線路上的換向要求超過元件的換向能力,具備這三個條件中的一個,就可使元件不經(jīng)觸發(fā)也能從斷態(tài)轉(zhuǎn)為通態(tài)。但是在上述條件下導(dǎo)通,往往會導(dǎo)致元件損壞。在交流電路工作的雙向可控硅的兩個半側(cè),在每一個電流周期中,先后各自工作半個周期。雙向可控硅的主端在不同極性下均具有導(dǎo)通和阻斷的可能,從理論上講,都能以正、負(fù)門極電流進(jìn)行觸發(fā),按照門極極性和主端子極性的可能組合有四種觸發(fā)方式。門極對雙向可控硅的作用,可分為常規(guī)門極作用,結(jié)門極作用和間接門極作用。雙向可控硅的觸發(fā)控制方式通常有兩種。第一種是脈沖移相觸發(fā),其工作特點(diǎn)是通過移相觸發(fā)來達(dá)到調(diào)壓輸出的目的。第二種是零觸發(fā),這種觸發(fā)控制可以通過門極短路強(qiáng)制觸發(fā)來實(shí)現(xiàn),也可以通過脈沖發(fā)生器在零相位附近進(jìn)行同步觸發(fā)來實(shí)現(xiàn)。觸發(fā)雙向可控硅時,往往需要使用某種觸發(fā)元件,其目的在于改善元件的工作性能和簡化觸發(fā)線路。觸發(fā)電路由一塊TCA785集成觸發(fā)器為核心而構(gòu)成。MOC3021將輸入弱信號與輸出強(qiáng)信號進(jìn)行隔離,用來避免電源畸變和電網(wǎng)電壓波動的影響,增強(qiáng)了抗干擾能力。3.3鍵盤顯示部分系統(tǒng)配置了四個按鍵,配合顯示界面,可以進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)定,不同運(yùn)行方式切換,測量校準(zhǔn),開入開出測試等操作。按鍵SW1～SW4分別為復(fù)位、確認(rèn)、溫度加、溫度減。其中溫度設(shè)置鍵盤和顯示部分的電路圖如圖3-13所示：圖3-13溫度輸入和顯示模塊3.4軟件部分溫度控制系統(tǒng)包括硬件和軟件兩個部分,硬件部分包括了溫度檢測,加熱,調(diào)整和顯示等多個部分,而軟件部分主要是對單片機(jī)進(jìn)行程序設(shè)計以控制各個模塊之間協(xié)調(diào)工作,完成溫度控制的作用。根據(jù)設(shè)計任務(wù)的要求,系統(tǒng)軟件主要完成溫度數(shù)據(jù)的采集和濾波處理、LED數(shù)碼管顯示以及串口同PC機(jī)的通信[18]。程序采用STM32的固件函數(shù)庫在Re2alViewMDK環(huán)境下編寫,主要包括以下內(nèi)容:〔1初始化〔2數(shù)據(jù)的采集和處理〔3數(shù)碼顯示〔4串口通信軟件部分的設(shè)計思路是將測試并放大過的信號與輸入的溫度進(jìn)行比較如果低于臨界值則輸出信號控制加熱模塊進(jìn)行加熱,反之控制加熱模塊斷開知道溫度降到輸入值一下再進(jìn)行連接,其流程圖如圖所示：系統(tǒng)檢測的溫度系統(tǒng)檢測的溫度比輸入溫度高？加熱模塊不加熱加熱模塊加熱輸入溫度值圖3-14溫度控制流程圖3.5通訊總線的研究在自動化設(shè)備當(dāng)中,用于上位機(jī)與下位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)的總線主要是RS232、RS485、ISA、PCI等,ISA/PCI總線是基于主板插槽的機(jī)內(nèi)總線,這種總線使用起來十分不方便,并且一般數(shù)量較少,在一臺工控機(jī)中最多5-8個插槽,多用于板卡+PC的控制模式下。隨著計算機(jī)的大力發(fā)展,串行通訊和USB網(wǎng)絡(luò)逐漸成熟,ISA/PCI總線有逐漸被替代的趨勢。PC+PLC的控制模式下,PC與PLC之間的通訊常采用RS485總線,該模式應(yīng)用比較廣泛。RS485總線與RS232總線相似,采用差分信號,具有很好的抗共模干擾的能力,實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的通訊,波特率可設(shè),一般采用19200bps。CAN<controllerareanetwork>總線,能有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信局域網(wǎng),由于其高性能、高可靠性、實(shí)時性好及其獨(dú)特的設(shè)計,已廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)中的各檢測和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的數(shù)據(jù)通信,已在工業(yè)領(lǐng)域興起應(yīng)用熱潮。CAN總線最多可帶110個節(jié)點(diǎn),具有自動容錯機(jī)制,硬件由過濾器自動識別ID,收取有效的報文幀,為系統(tǒng)節(jié)省資源。CAN總線通訊在嵌入式領(lǐng)域也十分成熟,在三星、ST、Intel等ARM芯片上都集成了CAN總線控制器,在用戶設(shè)計的時候,只需要設(shè)計CAN總線收發(fā)器電路即可使用,對開發(fā)者十分便捷。如表3-4所示,CAN總線在傳輸效率、傳輸距離、可移植性、利用率以及維護(hù)方面都比RS485有很大的優(yōu)勢,因此本文由CAN總線取代RS485總線,提出了基于CAN總線的通訊網(wǎng)絡(luò)。表3-4RS-485與CAN總線對比特性RS-485CAN-BUS總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)直線拓?fù)渲本€拓?fù)鋫鬏斀橘|(zhì)雙絞線雙絞線總線利用率低高網(wǎng)絡(luò)特性單主結(jié)構(gòu)單主結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)傳輸率低最高可達(dá)1Mbps容錯機(jī)制無由硬件完成錯誤處理和檢錯機(jī)制通訊失敗率很高極低節(jié)點(diǎn)錯誤影響故障節(jié)點(diǎn)有可能導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)崩潰故障節(jié)點(diǎn)對整個網(wǎng)絡(luò)無影響通訊距離<1.2Km可達(dá)10Km〔5Kbps后期維護(hù)成本較高極低4總結(jié)與展望4.1全文總結(jié)FDM是當(dāng)前快速成形〔RP領(lǐng)域的主要成形技術(shù)之一,快速成形主要應(yīng)用于模具及樣品的制造,對于精度的要求格外嚴(yán)格,本文對FDM的溫度控制進(jìn)行研究就是致力于提高FDM的制造精度進(jìn)而提高FDM的實(shí)用性。本文是在參考了許多溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計方案后采用了以單片機(jī)STM32F103C8T6為控制核心的可控硅調(diào)功溫度控制系統(tǒng),其優(yōu)點(diǎn)是成本低,精度高,實(shí)現(xiàn)方便。整個系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分,其中本文主要研究的是硬件部分,整個硬件部分分為三個方面即溫度檢測,加熱部分和顯示調(diào)整部分。溫度控制系統(tǒng)只是FDM控制系統(tǒng)中的一個部分,但是其重要性和復(fù)雜性是毋庸置疑的,本文圍繞STM32芯片為核心展開對溫度控制系統(tǒng)的研究,涵蓋的技術(shù)包括熱電偶測溫技術(shù)、信號放大以及信號處理技術(shù)、雙向可控硅調(diào)功控溫系統(tǒng)。運(yùn)用的方法及工具有protell電路繪制軟件、multisim仿真軟件及電路板實(shí)驗等。完成的成果有檢測及放大電路的研究與實(shí)現(xiàn)、加熱部分的實(shí)現(xiàn)及觸發(fā)器的研究、鍵盤和顯示部分的研究。系統(tǒng)的整個運(yùn)作過程是：溫度傳感器測得的溫度信號經(jīng)過冷端補(bǔ)償并轉(zhuǎn)換為參考端為30℃的電壓信號輸出,再經(jīng)過放大作為"模擬輸入通道"的輸入,送入STM32實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換,給定恒溫值采用電位輸入,STM32對輸入的溫度信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,將輸入值與給定值相比較,判定偏高還是偏低,這樣得到控制量,處理后的數(shù)字信號經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號在STM32輸出,根據(jù)模擬信號的大小激發(fā)可控硅的導(dǎo)通,改變雙向可控硅導(dǎo)通角的大小,使加在加熱棒上的電壓改變,以此來控制加熱棒的加熱功率,改變加熱能量,最終實(shí)現(xiàn)對溫度的自動控制。研究過程中存在以下問題：缺乏實(shí)際的單片機(jī)開發(fā)經(jīng)驗；有很多器件的用法在用到的時候要現(xiàn)學(xué),比如ICL7650和TCA785；在設(shè)計的過程中經(jīng)常出現(xiàn)一些錯誤,比如在multisim仿真過程中得不到理想效果需要多次修改數(shù)據(jù)而且最后的放大倍數(shù)計算時由于發(fā)生了波形的位移很難測到正確的放大倍數(shù)。4.2研究展望本實(shí)驗完成了簡單的溫度控制硬件平臺的建立,對于軟件部分和通訊協(xié)議只是進(jìn)行了簡單的研究。要完成整個溫度控制系統(tǒng),軟件和通訊