基于stm32的温度控制

摘摘 要要 当前快速成形 RP 技术领域 基于喷射技术的 新一代 RP 技术 已经取代 基于激光技术的 传统的 RP 技术 成为了主流 快速制造的概念已经提出并得到 了广泛地使用 熔融沉积成型 FDM 就是当前使用最广泛的一种基于喷射技术的 RP 技术 本文主要对 FDM 温度控制系统进行了深入的分析和研究 温度测控在食品卫 生 医疗化工等工业领域具有广泛的应用 随着传感器技术 微电子技术 单片机 技术的不断发展 为智能温度测控系统测控功能的完善 测控精度的提高和抗干扰 能力的增强等提供了条件 本系统采用的 STM32F103C8T6 单片机是一高性能的 32 位机 具有丰富的硬件资源和非常强的抗干扰能力 特别适合构成智能测控仪表和 工业测控系统 本系统对 STM32F103C8T6 单片机硬件资源进行了开发 采用 K 型 热敏电阻实现对温度信号的检测 充分利用单片机的硬件资源 以非常小的硬件投 入 实现了对温度信号的精确检测与控制 文中首先阐述了温度控制的必要性 温度是工业对象中的主要被控参数之一 在冶金 化工 机械 食品等各类工业中 广泛使用各种加热炉 烘箱 恒温箱等 它们均需对温度进行控制 成型室及喷头温度对成型件精度都有很大影响 然后详 细讲解了所设计的可控硅调功温度控制系统 系统采用 STM32F103C8T6 单片机作 微控制器构建数字温度控制器 调节双向可控硅的导通角 控制电压波形 实现负 载两端有效电压可变 以控制加热棒的加热功率 使温度保持在设定值 系统主要 包括 数据的采集 处理 输出 系统和上位机的通讯 人机交互部分 该系统成 本低 精度高 实现方便 该系统加热器温度控制采用模糊 PID 控制 模糊 PID 控制的采用能够在控制过 程中根据预先设定好的控制规律不停地自动调整控制量以使被控系统朝着设定的平 衡状态过渡 关键词关键词 熔融沉积成型 FDM STM32 温度控制 TCA785 I Abstract In the present field of Rapid Prototyping the New RP Technology based on jetting technology is replacing the Conventional RP Technology based on laser technology as the mainstream of the Rapid Prototyping Technology Fused Deposition Modeling FDM is the most popular Rapid Prototyping technology based on jetting technology This paper mainly does research deeply on the temperature control system of FDM system Temperature controlling is widely to food sanitation medical treatment chemistry and industry Along with the development of sensor technology micro electronics technology and singlechip technolog brainpower temperature controlling system is perfected precision of measurement and controlling is enhanced and the ability of anti jamming is swelled Singlechip STM32F103C8T6 in this paper is a high powered 32 bit chip It has plenty of hardware resource and strong ability foranti jamming It is specially suitable for making brainpower measurement instrumentand industry controlling system The hardware resource of singlechip STM32F103C8T6 is fully exploited in this paper The tool of temperature test is thermocouple of K style This system realizes precise measurement and controlling of temperature signal with a little hardware resource First the need of temperature control is expounded Temperature is a main controlparameter in industrial object Various calefaction stoves ovens and constant temperature boxes which all need control temperature are widely used in many industry such as metallurgy chemistry mechanism and foodstuff Moulding room and spout temperatureawfully affect the precision of moulding pieces Then the temperature control systemusing controllable silicon is explain in detail This system adopts singlechip STM32F103C8T6 which acts as microcontroller It can regulate the angle of double direction controllable silicon and control voltage wave shape So the virtual voltage of load can be changed and the calefaction power of calefaction stick can be controlled Therefore the temperature canretain the enactment value This system mainly consists of collection of data disposal output communication of system and computer and communication of human and machine This system has some advantages such as low cost high precision andconvenience realization This system adopts blury PID control The adoption of blury PID control canceaselessly autoregulates basing initialized control rule thus the controlled system willmove to the initialized balance state Key words Fused Deposition Modeling STM32 temperature control TCA785 II 目目 录录 摘摘 要要 I Abstract II 1 绪论绪论 1 1 1 FDM 工艺原理及应用 1 1 2 FDM 国内外基本研究概况 2 1 3 课题目的及意义 3 2 温度控制系统方案分析温度控制系统方案分析 5 2 1 温度控制的必要性 5 2 2 温度控制系统的理论构成 5 2 3 STM32 和 ADC 7 2 4 温度控制系统的实现 9 3 温度控制电路各部分的实现温度控制电路各部分的实现 11 3 1 温度检测电路 11 3 2 加热部分 17 3 3 键盘显示部分 21 3 4 软件部分 21 3 5 通讯总线的研究 22 4 总结与展望总结与展望 24 4 1 全文总结 24 4 2 研究展望 24 致致 谢谢 26 参考文献参考文献 27 0 1 绪论绪论 1 1 FDM 工艺原理及应用工艺原理及应用 1 1 1 熔丝沉积技术原理 早在十九世纪 80 年代末 美国学者 Scott Crump 博士第一次提出一种新的思想 该思想就是熔丝沉积技术的原型 该思想舍弃了激光器 提出了利用喷头的技术 其基本工作原理是 在控制系统作用下喷头进行两轴半运动 包括 X Y 联动以及 Z 向运动 选取特殊材料可以在喷头中被加热接近流体状 处于熔融状态下的材料在 喷头扫描过程中被喷出 并急速冷却形成一层加工面 层与层直接不断的叠加连接 在一起制作成一个空间实体 图 1 1FDM 的工作原理 1 1 2 熔丝沉积技术的应用 FDM 采用降维制造原理 将原本很复杂的三维模型根据一定的层厚分解为多个 二维图形 然后采用叠层办法还原制造出三维实体样件 由于整个过程不需要模具 所以大量应用于产品开发 功能测试 无模制造 小批量制造方面 主要应用在汽 车 航空航天 家用电器 电动工具 院校 模具制造 玩具制造 手版设计等领 域 1 2 FDM 技术可在产品开发过程中的提供设计验证与功能验证 检验产品可制造性 可装配性 通过各种转换技术 可将 RP 模型快速转换成各种模具 大幅度地缩短 产品更新换代的周期 快速成型机能为看样定货 供货询价 市场宣传等方面及时 提供精确的样品 大大提高企业的营销效率 快速成型技术问世不到十年 已实现 了相当大的市场 发展非常迅速 已成为现代工业设计 模型 模具和零件制造强 有力手段 在轻工 汽车摩托车领域得到了越来越广泛的应用 鉴于快速成型技术 的特殊性 可以直接生产特殊复杂零件 CT 扫描信息的实物化 因而快速成型技术 在航空 航天及医疗领域正逐步体现出巨大的优越性 1 1 1 3 熔丝沉积技术的发展趋势 1 绿色化 减小体积 降低加工中的噪音 避免化学等污染材料的使用 增加工业设计 增极爱美观且友好界面 逐渐改善融入办公领域和家庭中去 2 简易化 工艺指令逐渐简化 控制界面简单易懂 加工工件处理更简单易行 降低和减 少操作员的工作量和操作流程 3 成本低廉化 整合和创新整个控制系统 降低设备的成本 设计高效稳定的加工算法 降低 运行成本 4 高效率高精度 完善并优化系统加工和扫描算法 提高成型效率 增强系统的控制效率 提高 执行机构的控制精度 从而制造高精度高强度的制件 3 1 2 FDM 国内外基本研究概况国内外基本研究概况 FDM 工艺由美国学者 Scott Crump 博士于 1988 年率先提出 随后于 1991 年开 发了第一台商业机型 美国 Stratasys 公司是世界上最大的 FDM 生产厂商 其生产 的 FDM 系列设备目前已成为销售业绩最好的快速成型系统 4 研究 FDM 的主要有 Stratasys 公司和 Med Modeler 公司 Stratasys 公司于 1993 年开发出第一台 FDM 1650 台面为 250 mmX250 mmX250 mm 机型后 先后推出了 FDM 2000 FDM 3000 和 FDM 8000 机型 其中 FDM 8000 的台面达 457 mmX457mmX610 mm 清华大学推出了 MEM 机型 引人注目的是 1998 年 Stratasys 公司推出的 FDM Quantum 机型 最大造型体积为 600 mm X 500 mm X 600 mm 由于采用了挤出头磁浮定位 Magna Drive 系统 可在同一时间独立控制 2 个挤 出头 因此其造型速度为过去的 5 倍 5 Stratasys 公司 1998 年与 Med Modeler 公 司合作开发了专用于一些医院和医学研究单位的 Med Modeler 机型 使用材料为 ABS 1999 年该公司推出可使用热塑性聚酷的 Genisys 型改进机型 Genisys Xs 熔扮材料主要是 ABS 人造橡胶 铸蜡和热塑性聚酯 2001 年 Stratasys 公司推出了 支持 FDM 技术的工程材料 PC 用该材料生产的原型可达到并超过 ABS 注射成型的 强度 耐热温度为 125 145 2002 年又推出了支持 FDM 技术的工程材料 PPSF C o 其耐热温度为 207 2 230 适合高温的工作环境 随后 Stratasys 公司开发了工C o 程材料 PC ABS PC ABS 结合了 PC 的强度以及 ABS 的韧性 性能明显强于 ABS 6 1998 年澳大利业的 Swinburne 工业大学推出的一种金属一塑料复合材料丝 是 将铁粉混合到尼龙 P301 中添加增塑剂和表面活性剂制成的 这种材料可用 FDM 工 艺直接快速制模 7 2 1998 年美国 Virginia 工学院研究了用于 FDM 的热致液晶聚合物 TLCP 纤维 其拉伸模量和强度大约是 ABS 的 4 倍 8 熔融挤压成形工艺比较适合于家用电器 办公用品以及模具行业新产品开发 以及用于假肢 医学 医疗 大地测量 考古等基于数字成像技术的三维实体模型 制造 该技术无需激光系统 因而价格低廉 运行费用很低且可靠性高 由于这种 工艺具有的这些显著优点 其发展极为迅速 目前 FDM 系统在全球已安装快速成 形系统中的份额大约为 30 清华大学从 90 年代初开始研究 FDM 快速成型技术 他们先后开发出了 MEM 250 II MEM 300 I MEM 600 等几代快速成型系统 目前他们开发的多功能快 速成型系统 M RPMS 集 LOM 和 FDM 的功能于一体 只改动其材料输送和某些特 殊部件 80 左右的零件和控制硬件以及 95 的数据处理软件可以共用 9 国内研 究 FDM 材料的单位比较少 北京航空航天大学对短切玻璃纤维增强 ABS 复合材料 进行了一系列的改性研究 通过加入短切玻纤 能提高 ABS 的强度 硬度且显著降 低 ABS 的收缩率 减小制品的形变 但同时使材料变脆 北京太尔时代公司通过和 国内外知名的化工产品供应商合作 于 2005 年正式推出高性能 FDM 成型材料 ABS 04 该材料具有变形小 韧性好的特点 非常适于装配测试 可直接拉扮 近年来 华中科技大学研究了改性聚苯乙烯支撑材料 目前 部分国产 RP 设备已接近或达到美国公司同类产品的水平 价格却便宜 得多 材料的价格更加便宜 我国已初步形成了 RP 设备和材料的制造体系 中国 机械工程学会下属的快速成型技术委员会的活动也非常活跃 近年来 在国家科学 技术部的支持下 我国已经在深圳 天津 上海 西安 南京 重庆 厦门等地建 立一批向企业提供快速成形技术的服务机构 并开始起到了积极的作用 推动了快 速成形技术在我国的广泛应用 使我国 RP 技术的发展走上了专业化 市场化的轨 道 为国民经济的发展做出了贡献 1 3 课题目的及意义课题目的及意义 1 3 1 课题目的 随着计算机辅助技术 CAD CAE 和数控技术的快速发展 国内的快速成形设 备也取得了飞速地进步 然而由于起步晚 高薪技术被封锁的原因 与国外同等产 品相比还有很大的差距 因此 要想突破对外国厂商对我国制造业的垄断 围堵 不仅要从技术创新方面加快步伐 同时也可以从成本层面打破市场占有率 研究开 发以功能先进 成本低廉这样的系统 对我们国家制造业是十分有意义的事情 此 实验致力于将 FDM 系统中的温度控制系统设计完善以达到改善工作环境提高制造 精度的要求 其主要工作有设计基于 ARM 芯片 STM32 芯片的 FDM 温度控制平台 包括温度检测部分 加热部分 显示和调整部分已经软件部分并完成通信协议的实 现 3 1 3 2 课题的意义 快速成型技术 RP 作为研究和开发新产品的有力手段已发展成为一项高新技术 的新兴产业 RP 由 CAD 模型直接驱动 快速地制造出复杂地二维实体 这项技术 集计算机辅助设计 CAD 数控 激光加工 新材料开发于一体 体现了多种学科 多种技术的综合应用 在技术上已趋于成熟 RP 系统具有很高的柔性制造能力 单 台设备就能迅速方便地制造出复杂的零件 这是任何 NC 设备无法做到的 RP 系统 是唯一能将计算机中的设计构思进一步转化为现实的有力工具 随着我国市场经济的发展 市场竞争日趋激烈 国内许多企业对市场竞争的严 峻形势感受深刻 不少企业对 RP 技术已经产生浓厚的兴趣 经济充裕的单位不惜 花费十几万甚至几十万美元从国外引进昂贵的快速成型设备及材料 然而对于一般 企业来说毕竟投入太大 仍然只能望洋兴叹 根据国外的统计结果 该技术第一需 要考虑的问题就是价格太高 这也是我们在国内开展此项研究 发展国内低成本 高性能 符合国内市场需要的快速成型技术的原因之一 我们实验室的四大快速成型技术中的 LOM SLS 两种已经比较成熟了 其余 两种中由于 FDM 快速成型技术相较于 SLA 来说成型速度快 不使用激光器而运行 成本低 环保性能好而深受用户的欢迎 因此 研究和开发国产化的熔丝沉积快速 成型设备具有重要的意义并将为我们单位开发更大的市场空间 而温度控制系统的 实现就是熔丝沉积快速成型设备中不可或缺的一个环节 实现 FDM 的温度控制对 其精度和质量都有关键性的作用 FDM系统对于工业设计的优势无可比拟 其简单易用的特性以及符合办公室设 计环境的规格 完全满足设计人员的梦想 同时它体积小 无污染 是办公室环境 的理想桌面制造系统 因此FDM快速成形系统有着非常广阔的发展空间 4 2 温度控制系统方案分析温度控制系统方案分析 2 1 温度控制的必要性温度控制的必要性 FDM 系统中受温度影响比较大的有三个区域 喷头 工作台和工作室 前两者 受温度的影响作用最大 直接影响到整个工艺工件的完成质量 喷头温度决定了材料的粘结性能 堆积性能 丝材流量以及挤出丝宽度 喷嘴 温度应在一定的范围内选择 使挤出的丝呈塑性流体状态 即保持材料粘性系数在 一个适用的范围内 喷头温度太低 材料偏向于固态 则材料粘度增大使挤出摩擦 阻力加大 挤丝速度变慢 这不仅加重了挤压系统的负担 极端情况下还会造成喷 嘴堵塞 缩短喷头的寿命 而且材料层间粘结强度降低 还会引起层间剥离 而温 度太高 材料偏向于液态 出现焦黄 材料分子破裂 粘性系数变小 流动性强 挤出过快 无法形成可精确控制的丝 使挤出的丝表面粗糙 制作时会出现前一层 材料还未冷却成形 后一层就加压于其上 从而使得前一层材料坍塌和破坏 因此 喷头温度应根据丝材的性质在一定范围内选择 以保证挤出的丝呈熔融流动状态 10 根据长期的工艺实验验证得出 喷头温度的最佳状态应该保持在 230 C 2 工作台的温度直接影响到喷丝后各层是否能够粘结牢固 对成型件的热应力有 很大的影响 温度过高或过低会使得成型零件发生翘曲变形或者粘结不牢开裂等缺 陷 根据长期的工艺实验验证得出 工作台温度的最佳状态应该保持在 80 C 工作室的温度影响不大 只需要保持 30 C 恒温即可 2 2 温度控制系统的理论构成温度控制系统的理论构成 参考许多文献中的设计方案 温控器的设计大体有以下几种 1 以单片机系统为控制核心 用温度传感器及 A D 转换器进行温度采集的 可控硅调功温度控制系统 2 利用零电压开关 ZVS 温度控制芯片 例如 T2117 控制连接在 AC 线 路上的电阻性负载 并通过过零模式的双向晶闸管来实现温控 这种电路比较简单 所用元件很少 成本较低 3 由集成温度传感器 电压放大器 比较器 接口电路 无触点电子开关等 单元电路构成的温控器 这种由无触点电子开关控制单位时间内动态加热时间的方 法来控制恒定温度可以得到较高的控温精度和较小的温度波动区间 4 以 CPLD 可编程逻辑器件为核心的温度控制系统 数据采样控制以及功率 调整均由 CPLD 实现 4 5 考虑到单片机价格便宜且性能良好 可很方便地搭建电路 本文中的温度控制 系统采用第一种方案 以 STM32F103C8T6 单片机为主处理器 改变可控硅的导通 角控制加热功率进而控制温度 温控系统的实现方案 用单片机构建数字温度控制器 控制原理 通过调节双 向晶闸管的导通角 控制电压波形 实现负载两端有效电压可变 系统主要包括 数据的采集 处理 输出 系统和上位机的通讯 人机交互部分 FDM 温度控制系统由双向晶闸管构成加热电路 如图 2 1 所示 通过控制双向 晶闸管的导通角 来改变负载的有效电压 控制加热功率 进而达到控制温度的目 的 当双向晶闸管全导通时 负载两端的有效电压为 220V 当其全关断时 负载两 端的有效电压为 0V 这样通过控制电路选择适当的触发角 可使负载两端的电压为 220V 和 0V 之间的任意值 从而保证热力系统输入热流量和输出热流量相等 温度 保持不变 图 2 1 加热电路 为实现对温度的精确控制 加热系统需采用独立的闭环控制系统 由温控器 可控硅 加热头及热电耦组成 闭环控制系统的结构图如图 2 2 所示 系统输出和 输入相比较后产生误差通过调节驱动执行机构 PID 控制是工业过程控制中应用最 广泛的一种控制形式 一般均能收到令人满意的效果 本系统同样采用模糊 PID 控 制 11 当系统稳定时 输入和输出相等 即误差为零 这样使系统达到控制要求 图 2 2 闭环控制系统结构图 在温控系统中一般是采用可控硅和温控器相结合 利用温控器自带的 PID 控制 算法来实现的 这在精度上虽然能保证 但其动态响应速度慢 喷嘴和工作台的温 度由室温升到并稳定在设定值的这一过程往往要花费很多的时间 严重影响了加工 效率 而模糊控制正好弥补了 PID 控制的这一缺点 它能够得到较好的动态响应特 性 上升时间快 鲁棒性好 12 但模糊控制也存在固有的缺点 容易受模糊规则有 限等级的限制而引起误差 而且在偏差较小时过渡时间会过长 为了使温度控制的 6 稳定性和快速性得到较好的兼顾 可采用 PID 控制和模糊控制相结合的方法 即当 e k 时 模糊控制 当 e k 时 PID 控制 e k 为采样时刻 K 的偏差值 的取值由被控对象的特性来定 可结合操作经验经多次调节比较确定 13 为了提高人机的交互性 本电路将采用基于单片机的数字化温控系统 可根据 成形材料的物理性质设定控制温度 系统的结构图如图 2 3 所示 图 2 3 温控系统结构图 系统设计的目标准则有 1 温度的测量精度 这在某种程度上说是最重要的 一个环节 它的准确性直接就关系到了工作点温度误差大小 同时它反馈的信号也 是后续环节的步骤指令 2 响应速度要快 速度慢了滞后就严重 这样就算精度 高 实质的控制精度也大打折扣了 3 性能稳定 它与测量精度 响应速度是设 计控制系统的根本追求 4 工作温度的范围 它决定了系统可应用的广泛程度 5 放大器的线性度 线性度越好 测温就越准确 从而控制精度也越高 6 价格便宜 可大大提高产品竞争力 使产品在竞争中处于有力的地位 4 2 3 STM32 和和 ADC STM32F103xx增强型系列使用高性能的ARM Cortex M3 32位的RISC内核 ARM的Cortex M3处理器是最新一代的嵌入式ARM处理器 它为实现MCU的需要提 供了低成本的平台 缩减的管脚数目 降低的系统功耗 同时提供卓越的计算性能 和先进的中断系统响应 ARM的Cortex M3是32位的RISC处理器 提供额外的代码 效率 在通常8和16位系统的存储空间上得到了ARM核心的高性能 14 本课题控制系统所使用的处理器为STM32系列产品中STM32F103C8T6 它属于 增强型 的一款 工作于 40 C至 85 C的温度范围 供电电压2 0V至3 6V 采样及温 度补偿 放大电路 ADC STM32 DAC TCA785 温度显示 键盘输入 7 可以设置工作在省电模式以保证低功率消耗的应用需求 并且具有丰富的外设资源 该芯片工作时最高频率可达 72MHz 内部带有 128K 字节的闪存和 20K 字节的 SRAM 有 80 个的增强 I O 端口 充分满足用户的外设需求 IO 口联接到两条 APB 总线的外设 最高达 72MHz 一个高级定时器和三个普通定时器 均是 16 位寄存器模式 每个定时器还 带有四条输出输入通道 系统带有 18MHz 的 spi 总线通讯接口 最高 4 5Mbps 波特率可选择的支持 全双工通讯的串行通讯总线接口 十二个独立可配置的直接存储器通道 60 个可屏蔽中断通道和 16 个可编程 优先等级中断 为用户提供丰富的中断响应资源 逐次逼近型模拟数字转换器具有 12 位的分辨力 具有 16 个外部和 2 个内 部共 18 个信号源 可以进行自校正 最快转化速时间达 1us 两个并行总线 I2C 总线接口 支持多主机功能 可做从设备 完全支持 CAN 总线协议 检测电路的输出电压必须通过A D转换为数字量 才能够用计算机系统进行处 理 处理器进行数据处理后输出的是数字信号 然而控制系统中 一般要求的是连 续的控制信号来进行系统控制 这样运算输出的数字量又必须经过D A转换器 将 数字信号还原为模拟信息 通过连续的模拟信号控制系统的热量供给 从而达到工 作点温度保持或增减的要求 信号的A D转换 运算 D A转换三个步骤 皆可经过 STM32来完成 15 温度测量系统主控电路由STM32F103C8T6及其外围电路组成 是系统的核心部 分 主要完成数据的传输和处理工作 温度传感器采集的模拟信号 经过处理器本 身内嵌的ADC进行A D转换后得到实时温度数据 再经处理器相关处理后通过温度 显示电路进行实时显示 同时 处理器还可以实现与PC机的通信功能 12位ADC是一种逐次逼近型模拟数字转换器 它有18个通道 可测量16个外部 和2个内部信号源 16 各通道的A D转换可以单次 连续 扫描或间断模式执行 ADC的结果可以左对齐或右对齐方式存储在16位数据寄存器中 模拟看门狗特性允 许应用程序检测输入电压是否超出用户定义的高 低阀值值 主要特征为 12 位分辨率 转换结束 注入转换结束和发生模拟看门狗事件时产生中断 单次和连续转换模式 从通道0到通道n的自动扫描模式 自校准 8 带内嵌数据一致的数据对齐 通道之间采样间隔可编程 规则转换和注入转换均有外部触发选项 间断模式 双重模式 带2个ADC的器件 ADC转换速率1MHz ADC供电要求 2 4V到3 6V ADC输入范围 REFINREF VVV 规则转换期间有DMA请求产生 表 2 1ADC 管脚 名称信号类型注解 VREF 输入 模拟参考正极ADC 使用的高端 正极参考电压 VSSA VREF VDDA VDDA输入 模拟电源等效于 VDD 的模拟电源且 2 4V VDDA VDD 3 6V VREF 输入 模拟参考负极ADC 使用的低端 负极参考电压 VREF VSSA VSSA输入 模拟电源地等效于 VSS 的模拟电源地 ADC IN 15 0 模拟输入信号 16 个模拟输入通道 EXTSEL 2 0 输入 数字 开始规则成组转换的六个外部触发信号 JEXTSEL 2 0 输入 数字开始注入成组转换的六个外部触发信号 有16个多路通道 可以把转换分成两组 规则的和注入的 在任意多个通道上 以任意顺序进行的一系列转换构成成组转换 例如 可以如下顺序完成转换 通道 3 通道8 通道2 通道2 通道0 通道2 通道2 通道15 规则组由多达16个转换组成 规则通道和它们的转换顺序在ADC SQRx寄 存器中选择 规则组中转换的总数写入ADC SQR1寄存器的L 3 0 位中 注入组由多达4个转换组成 注入通道和它们的转换顺序在ADC JSQR寄存 器中选择 注入组里的转换总数目写入ADC JSQR寄存器的L 1 0 位中 如果ADC SQRx或ADC JSQR寄存器在转换期间被更改 当前的转换被清除 一个新的启动脉冲将发送到ADC以转换新选择的组 温度传感器和通道ADC IN16 相连接 内部参考电压VREFINT和ADC IN17相连接 可以按注入或规则通道对这 两个内部通道进行转换 2 4 温度控制系统的实现温度控制系统的实现 本系统中用到的器件及实现的功能如下 单片机STM32F103C8T6做CPU 用热 电阻采集温度信号 经过以ICL7650组成的信号放大及滤波电路处理传输给单片机 STM32F103C8T6单片机自带的ADC将模拟信号转换为为数字信号 经过单片机处理 后由DAC转换为模拟信号 加热电路包括双向可控硅 光电耦合器MOC3021 集成 9 电路移相触发器TCA785 变压器 通讯是由CAN总线配合其他模块实现的 下一 章会详细介绍各个部分的实现 用Protell画出其原理图 如图所示 图2 4温度控制电路原理图 10 3 温度控制电路各部分的实现温度控制电路各部分的实现 3 1 温度检测电路温度检测电路 3 1 1 热电偶 测量温度的器件很多 包括热敏电阻 热电偶 红外测温 水银等等 根据 FDM温度的特性 温度范围较大0 300 C 因此决定选择热电偶测温 表3 1为K型 热电偶的分度表 为了保险起见 我们将温度范围扩展到500 参考端的温度取值 为30 其最大的输出也仅是21919 STM32内部带有12位的ADC模数转化器 参考电压时0 3V 因此为了更精确的测量温度 将热电偶的信号经过放大电路输入 进STM32的ADC端口 放大电路的放大倍数是136 8 为了提高控制精度 放大倍数 取150 200倍 表 3 1K 型热电偶的分度表 K 参考端温度 0 整 10 度 值 0102030405060708090 003977981203161120222436285032663681 1004095450849195327573361376539693973387737 200813785378938934197451015 1 1056 0 1096 9 1138 1 1179 3 3001220 7 1262 3 1303 9 1345 6 1387 4 1429 2 1471 2 1513 2 1555 2 1597 4 4001639 5 1681 8 1724 1 1766 4 1808 8 1851 3 1893 8 1936 3 1978 8 2021 4 5002064 0 2106 6 2149 3 2191 9 2234 6 2277 2 2319 8 2362 4 2405 0 2447 6 6002490 2 2532 7 2575 1 2617 6 2659 9 2702 2 2744 5 2786 7 2828 8 2870 9 7002912 8 2954 7 2996 5 3038 3 3079 9 3121 4 3162 9 3204 2 3245 5 3286 6 8003327 7 3368 6 3409 5 3450 2 3490 9 3531 4 3571 8 3612 1 3652 4 3692 5 9003732 5 3772 4 3812 2 3851 9 3891 5 3931 0 3970 3 4009 6 4048 8 4087 9 100 0 4126 9 4165 7 4204 5 4243 2 4281 7 4320 2 4358 5 4396 8 4434 9 4472 9 110 0 4510 8 4548 6 4586 3 4623 8 4661 2 4698 5 4735 6 4772 6 4809 5 4846 2 120 0 4882 8 4919 2 4955 5 4991 6 5027 6 5063 3 5099 0 5134 4 5169 7 5204 9 130 0 5239 8 5309 3 5309 3 5343 9 5378 2 5412 5 5446 6 5480 7 3 1 2 信号放大和滤波 在本课题中 我们需要将 FDM 工作温度很好的控制在 的范围 放大倍数1 在 150 200 倍之间 考虑系统的线性度 失真区间 动态响应等 选用 ICL7650 芯 片实现运算放大器的功能 它的参数主要是 输入失调电压 UIO 0 05mv 输入失调电 11 流 IIO 0 05nA 失调电压 UIO的温漂 0 01uV 失调电流 IIO温漂几乎为 0 综合 性能很好 其原理图图和外围电路如图 3 1 和 3 2 所示 图 3 1 ICL7650 原理图 图 3 2 ICL7650 外围电路图 同时选用仪器放大器 具有很高的输入阻抗 同时可以在末端加一个跟随器提 高输出阻抗 如图 3 3 所示 一级放大部分由两个对称的同相运放放大器组成一个 差分放大器 有效的对冷端温度进行了补偿 二级放大作为主要放大电路 图 3 3 信号放大电路 首先对该放大电路进行参数的计算分析 设 R1 左端输入信号电压为 左端输入信号电压为 与之间电压为 1 V 2 R 2 V 5 R 3 R R6 与 R4 连接点电压为 根据运算放大器原理 稳态时其 输入端 01 V 02 V 输入端电压相等 电流为 0 所以 3 1 0102 12 34 g g VVR VV RRR 3 2 010303 57 out VVVV RV 3 3 020404 68 0VVV RR 为了使电路尽可能的对称以消除共模干扰 偶然误差 从而取 常用的值 又有于是 5678 10RRRRK 0304 VV 3 4 0103 2 out VVV 3 5 0204 2VV 有 3 1 3 2 3 3 3 4 和 3 5 计算出放大倍数 12 34 34 1 g gg RRR RR G RR 当 远大于时 放大倍数 34 RR g R 34 g RR G R 根据以前的试验资料可确定 确 9 0 1RK 10 50RK 3 50CuF 4 0 1CuF 定了各个元器件的数值之后就可以用 multisim 仿真软件对放大器电路进行模拟分析 如图所示 图 3 4 温度检测电路仿真 抗干扰性能是系统的可靠性的重要指标 供电线路是电网中各种浪涌电压入侵 的主要途径 系统的接地装置不良或不合理 也是引入干扰的重要途径 各类传感器 输入输出线路的绝缘不良 也有可能引入干扰 在高压 大电流 高频电磁场附近 干扰以场的形式入侵微机系统 干扰大致可分为常模干扰 共模干扰 数字通道的 外源干扰和数字量通道的内源干扰 干扰的信号往往是幅值小 频率高 但是小幅 值的杂波一旦是在放大器之前形成 输入 则可以被放大到足以给系统带来很大误 差 甚至失去控制作用的后果 针对于上述的影响 我们在放大前后都对电路设计 了滤波 以实现放大器的高增益 低噪声 放大前采用并联小电容的形式进行 1 级 滤波 对高频部分过滤 但是低频部分可以很容易通过 后面的 R9 R10 C3 C4 组成了二级 RC 滤波电路 对二级 RC 滤波电路检测器滤波性能 其结果如图 3 5 所示 13 图 3 5 后级滤波的伯德图 可见二级滤波的是一个低通滤波器 低频容易通过 高频时迅速衰减 而在低 频处 几乎是 也就是不衰减的输出 0L w 用 multisim 仿真软件对放大器电路进行模拟分析 模拟电路的线性度及失真区 间 从而推知工作温度范围 从前面的理论计算中 我们得知 G R3 R4 Rg 1 下面通过改变 Rg 的值就能够模拟出不同的放大倍数 给电路加一个 10的交流电V 源即可获得电路的放大情况 如图 3 6 和 3 7 所示 14 图 3 6 取 Rg 300 的模拟图 图 3 7 取 Rg 200 的模拟图 从上述的二个模拟结果中分析 分别取 Rg 等于 300 200 模拟 计算值 G 等于 133 3 201 而根据模拟图的数据可以计算出 Rg 等于 300 200 时的放大倍数为 130 3 199 6 可见模拟出的效果较好 而根据热电偶在参考端的温度取值为 30 15 其最大的输出也仅是 21919 放大倍数大其精度也就相对提高因此该系统中取 刚好符合要求 对于不同的要求 只需调节 Rg 值就可以得所需的放大倍数 200 g R 在现有实验设备的条件下 分别用实物检测了水温 加热棒温度 并记录数据 于如下表 3 2 和表 3 3 表 3 2 水温度测量 放大 200 倍 数据 参考端 30 温度 5052 5556062 565707578 电压 V0 1610 1810 2030 2400 2550 2870 3270 3750 400 表 3 3 加热棒温度测量 放大 200 倍 数据 参考端 30 温度 140150160170180190200 电压 V0 7340 8880 9731 0511 1131 2241 302 温度 210220230240250260270 电压 V1 4091 4991 5861 6731 7641 8451 943 温度 280290300310320330340 电压 V2 032 112 192 292 392 472 56 由于加热棒温度测试的数据因热电偶放置地点的偏差 因此误差可能较大 但 是我们从上表能够大体的分析出 在加热棒的温度为 340 时 放大器的输出电压 为 2 56V 温度每十度的增加 其放大器的输出电压增加 0 08V 因此我们可以推断 在放大器的输出电压达到了计算机输入的最大限度 3V 时 加热棒的温度能够达到 400 这已经满足一般快速成型机的喷头温度为 300 的要求了 由于水温测试的结果较准确 这里仅对水温测试数据进行详细分析 以温度对 应 K 型热电偶分度表的电压值为横坐标输入 放大后电压值为纵坐标输出如图 3 8 所示 16 图 3 8 水温数据分析 从图 3 8 中可见 实际放大器的线性误差很小 该误差可能是温度计读数误差 造成的 放大倍数 G 400 1 980 202 0 与计算值 R3 R4 Rg 1 201 相差无几 仅存 的误差可能是万能表测量 Rg 值的误差造成 3 2 加热部分加热部分 DAC 进行 D A 转换后 模拟量电压信号输出给 TCA785 改变可控硅的导通角 同时负脉冲驱动光电耦合器工作 触发可控硅控制加热棒 这一部分共有两路 分 别连接两个加热棒 控制两个喷嘴的温度 每一路主要包括一个光电耦合器 MOC3021 一个集成电路移相触发器 TCA785 一个变压器和一个双向可控硅 光电耦合器 MOC3021 的内部示意图如下 输入部分是一砷化镓二极管 此二极 管在 5 15mA 正向电流的作用下 发出强度足够的红外光 输出部分是一光敏双向 晶闸管 在输出端电压接近零时 在红外光的作用下能双向导通 它的特点是输入 和输出完全隔离 相互无干扰 不考虑同步问题 不设同步变压器 17 图 3 9 MOC3021 示意图 TCA785 是西门子公司研制生产的集成移相触发器 内部结构图如图 3 10 所示 它的内部集成有同步检测 矩齿波形成 移相控制 脉冲形成 功率放大等电路 与其他集成触发器相比 由它构成的晶闸管触发电路具有功耗小 功能强 输入阻 抗高 抗干扰性能好 移相范围宽 外部器件少 单电源工作 调整方便等优点 且有完善的保护措施 所需外围元件少适用范围广 是一种性能价格比很高的集成 触发器 适用于各种晶闸管整流电路和晶闸管交流调压电路 17 图 3 10 TCA785 内部结构图 VS 和 GND 脚分别为直流电源输入端和接地公端 VSYNC端为同步信号输入端 18 同步信号经同步过零电路送至同步寄存锯齿波信号发生器 在每个正弦信号的过零 点锯齿波发生器迅速放电并从 0 初始值开始充电 改变 10 脚外接的电容或 9 脚外接 的电阻值即可改变锯齿波的斜率 锯齿波电压与 11 脚的控制电压 V11进行比较 当 锯齿波电压达到 V11的幅度时产生一脉冲 生成控制信号送至脉冲形成及分配环节 从这里可以看出控制角 的大小由控制电压 V11的幅度值决定 Q1 脚和 Q2 脚分别 为正负半周对应的脉冲输出端 1Q 脚和 2Q 脚分别为 Q1 脚和 Q2 脚的反相脉冲输 出端 可以根据实际需要选用 所产生的脉冲宽度分别由 12 脚和 13 脚外接的电容 值决定 QU 脚和 QZ 脚为脉冲合成输出端 每个电源周期翻转两次 6 脚 I 为脉冲 封锁端 由 6 脚电平控制 当 V6 1 时 解除封锁 当 V6 0 时 封锁有效 它 是为系统过流 过压或进行其它控制而设立的控制端 TCA785 的各脚波形见图 3 11 所示 图 3 11 TCA785 波形图 双向可控硅元件是一种比较理想的交流电力控制元件 在交流电路中用双向可 控硅元件代替一组反并联的可控硅可简化电路 且可靠性较高 在功率调节 电压 调节 交流电机调速和电子开关等方面应用十分广泛 双向可控硅的主电压 电流特 性曲线如图 3 12 其中 IH为维持电流 VDSM为断态不重复峰值电压 VDRM断态 重复峰值电压 规定 VDRM 80 VDSM 19 图 3 12 双向可控硅的主电压 电流特性曲线 欲使双向可控硅中通过交流电流 必须在每半个电流周期对元件进行一次触发 只有在元件中通过的电流大于维持电流后 才能在去掉触发脉冲后维持元件继续导 通 只有当元件中通过的电流下降到维持电流以下时 元件才能关断 并恢复阻断 能力 元件过零关断后 必须再次进行触发才能重新导通 线路上的电压超过双向 可控硅的不重复峰值电压 线路上的 dV dt 超过元件的额定 dV dt 线路上的换向要 求超过元件的换向能力 具备这三个条件中的一个 就可使元件不经触发也能从断 态转为通态 但是在上述条件下导通 往往会导致元件损坏 在交流电路工作的双 向可控硅的两个半侧 在每一个电流周期中 先后各自工作半个周期 双向可控硅 的主端在不同极性下均具有导通和阻断的可能 从理论上讲 都能以正 负门极电 流进行触发 按照门极极性和主端子极性的可能组合有四种触发方式 门极对双向 可控硅的作用 可分为常规门极作用 结门极作用和间接门极作用 双向可控硅的触发控制方式通常有两种 第一种是脉冲移相触发 其工作特点 是通过移相触发来达到调压输出的目的 第二种是零触发 这种触发控制可以通过 门极短路强制触发来实现 也可以通过脉冲发生器在零相位附近进行同步触发来实 现 触发双向可控硅时 往往需要使用某种触发元件 其目的在于改善元件的工作 性能