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1、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(duì)FDM溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行了深入的分析和研究。溫度測(cè)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(cè)控系統(tǒng)測(cè)控功能的完善、測(cè)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(cè)控儀

2、表和工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)對(duì)STM32F103C8T6單片機(jī)硬件資源進(jìn)行了開(kāi)發(fā)，采用K型熱敏電阻實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度信號(hào)的檢測(cè)，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(duì)溫度信號(hào)的精確檢測(cè)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(duì)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(lèi)工業(yè)中，廣泛使用各種加熱爐、烘箱、恒溫箱等，它們均需對(duì)溫度進(jìn)行控制，成型室及噴頭溫度對(duì)成型件精度都有很大影響。然后詳細(xì)講解了所設(shè)計(jì)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

3、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(guò)程中根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的控制規(guī)律不停地自動(dòng)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(guò)渡。關(guān)鍵詞：熔融沉積成型（FDM）；STM32；溫度控制；TCA785Abstract In the present field of Rapid Prototyping,the New RP Technology based on jetting technology is replacing the Conve

4、ntional 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.Tem

5、perature 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

6、 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 res

7、ource 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

8、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 mou

9、lding 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 c

10、an 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 ad

11、vantages 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 Mod

12、eling, STM32, temperature control, TCA785目 錄摘 要IAbstractII1 緒論11.1 FDM工藝原理及應(yīng)用11.2 FDM國(guó)內(nèi)外基本研究概況21.3 課題目的及意義32 溫度控制系統(tǒng)方案分析52.1 溫度控制的必要性52.2 溫度控制系統(tǒng)的理論構(gòu)成52.3 STM32和ADC72.4溫度控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)93 溫度控制電路各部分的實(shí)現(xiàn)113.1溫度檢測(cè)電路113.2加熱部分173.3鍵盤(pán)顯示部分213.4軟件部分213.5通訊總線(xiàn)的研究224 總結(jié)與展望244.1全文總結(jié)244.2研究展望24致 謝26參考文獻(xiàn)27271 緒論1.1 FDM工藝原理及

13、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(guó)學(xué)者Scott Crump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(dòng)，包括X-Y聯(lián)動(dòng)以及Z向運(yùn)動(dòng)，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(guò)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(gè)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(gè)二維圖形，然后采用疊層辦法還原制造出三維實(shí)體樣

14、件。由于整個(gè)過(guò)程不需要模具，所以大量應(yīng)用于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，功能測(cè)試，無(wú)模制造，小批量制造方面。主要應(yīng)用在汽車(chē)，航空航天，家用電器，電動(dòng)工具，院校，模具制造，玩具制造，手版設(shè)計(jì)等領(lǐng)域1-2。 FDM技術(shù)可在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中的提供設(shè)計(jì)驗(yàn)證與功能驗(yàn)證，檢驗(yàn)產(chǎn)品可制造性、可裝配性，通過(guò)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(xún)價(jià)、市場(chǎng)宣傳等方面及時(shí)提供精確的樣品，大大提高企業(yè)的營(yíng)銷(xiāo)效率。 快速成型技術(shù)問(wèn)世不到十年，已實(shí)現(xiàn)了相當(dāng)大的市場(chǎng)，發(fā)展非常迅速，已成為現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)、模型、模具和零件制造強(qiáng)有力手段，在輕工、汽車(chē)摩托車(chē)領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用

15、。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(shì) 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(jì)，增極愛(ài)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(jiǎn)易化 工藝指令逐漸簡(jiǎn)化，控制界面簡(jiǎn)單易懂，加工工件處理更簡(jiǎn)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(gè)控制系統(tǒng)，降低設(shè)備的成本；設(shè)計(jì)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，

16、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。1.2 FDM國(guó)內(nèi)外基本研究概況 FDM工藝由美國(guó)學(xué)者Scott Crump博士于1988年率先提出，隨后于1991年開(kāi)發(fā)了第一臺(tái)商業(yè)機(jī)型。美國(guó)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(xiāo)售業(yè)績(jī)最好的快速成型系統(tǒng)4。 研究FDM的主要有Stratasys公司和Med Modeler公司。Stratasys公司于1993年開(kāi)發(fā)出第一臺(tái)FDM-1650(臺(tái)面為250 mmX250 mmX250 mm)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(tái)

17、面達(dá)457 mmX457mmX610 mm。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600 mm X 500 mm X 600 mm。由于采用了擠出頭磁浮定位(Magna Drive)系統(tǒng)，可在同一時(shí)間獨(dú)立控制2個(gè)擠出頭，因此其造型速度為過(guò)去的5倍5。 Stratasys公司1998年與Med Modeler公司合作開(kāi)發(fā)了專(zhuān)用于一些醫(yī)院和醫(yī)學(xué)研究單位的Med Modeler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

18、蠟和熱塑性聚酯。2001年Stratasys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(guò)ABS注射成型的強(qiáng)度，耐熱溫度為125145。2002年又推出了支持FDM技術(shù)的工程材料PPSF，其耐熱溫度為207.2230，適合高溫的工作環(huán)境。隨后，Stratasys公司開(kāi)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(guó)Virginia工學(xué)院

19、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(kāi)發(fā)，以及用于假肢、醫(yī)學(xué)、醫(yī)療、大地測(cè)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(wú)需激光系統(tǒng)，因而價(jià)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(kāi)始研究FDM快速成型技術(shù)，他們先后開(kāi)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(kāi)發(fā)的多功能快速成型系統(tǒng)M-RPMS，集LOM和

20、FDM的功能于一體，只改動(dòng)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(guó)內(nèi)研究FDM材料的單位比較少。北京航空航天大學(xué)對(duì)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(guò)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(shí)使材料變脆。北京太爾時(shí)代公司通過(guò)和國(guó)內(nèi)外知名的化工產(chǎn)品供應(yīng)商合作，于2005年正式推出高性能FDM成型材料ABS 04。該材料具有變形小、韌性好的特點(diǎn)，非常適于裝配測(cè)試，可直接拉扮。近年來(lái)，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(guó)產(chǎn)RP設(shè)備已接近或達(dá)到美國(guó)公司同類(lèi)產(chǎn)品的水平，價(jià)格

21、卻便宜得多，材料的價(jià)格更加便宜。我國(guó)已初步形成了RP設(shè)備和材料的制造體系，中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)下屬的快速成型技術(shù)委員會(huì)的活動(dòng)也非?；钴S。近年來(lái)，在國(guó)家科學(xué)技術(shù)部的支持下，我國(guó)已經(jīng)在深圳、天津、上海、西安、南京、重慶、廈門(mén)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(kāi)始起到了積極的作用，推動(dòng)了快速成形技術(shù)在我國(guó)的廣泛應(yīng)用，使我國(guó)RP技術(shù)的發(fā)展走上了專(zhuān)業(yè)化、市場(chǎng)化的軌道，為國(guó)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(jì)算機(jī)輔助技術(shù)（CAD/CAE）和數(shù)控技術(shù)的快速發(fā)展，國(guó)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(guó)外同等產(chǎn)品相比還有很大

22、的差距，因此，要想突破對(duì)外國(guó)廠商對(duì)我國(guó)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(shí)也可以從成本層面打破市場(chǎng)占有率。研究開(kāi)發(fā)以功能先進(jìn)、成本低廉這樣的系統(tǒng)，對(duì)我們國(guó)家制造業(yè)是十分有意義的事情。此實(shí)驗(yàn)致力于將FDM系統(tǒng)中的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)基于ARM芯片STM32芯片的FDM溫度控制平臺(tái)包括溫度檢測(cè)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(kāi)發(fā)新產(chǎn)品的有力手段已發(fā)展成為一項(xiàng)高新技術(shù)的新興產(chǎn)業(yè)。RP由CAD模型直接驅(qū)動(dòng)，快速地制造出復(fù)雜地二維實(shí)體。這項(xiàng)技術(shù)集計(jì)算

23、機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、數(shù)控、激光加工、新材料開(kāi)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(tái)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(wú)法做到的。RP系統(tǒng)是唯一能將計(jì)算機(jī)中的設(shè)計(jì)構(gòu)思進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)的有力工具。 隨著我國(guó)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，國(guó)內(nèi)許多企業(yè)對(duì)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的嚴(yán)峻形勢(shì)感受深刻，不少企業(yè)對(duì)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(wàn)甚至幾十萬(wàn)美元從國(guó)外引進(jìn)昂貴的快速成型設(shè)備及材料，然而對(duì)于一般企業(yè)來(lái)說(shuō)畢竟投入太大，仍然只能望洋興嘆。根據(jù)國(guó)外的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，該技術(shù)第一需要考慮的問(wèn)題就是價(jià)格太高。這也是我們?cè)?/p>

24、國(guó)內(nèi)開(kāi)展此項(xiàng)研究，發(fā)展國(guó)內(nèi)低成本、高性能、符合國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需要的快速成型技術(shù)的原因之一。我們實(shí)驗(yàn)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(lái)說(shuō)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(hù)的歡迎。因此，研究和開(kāi)發(fā)國(guó)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(kāi)發(fā)更大的市場(chǎng)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(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)FDM的溫度控制對(duì)其精度和質(zhì)量都有關(guān)鍵性的作用。FDM系統(tǒng)對(duì)于工業(yè)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)無(wú)可比擬。其簡(jiǎn)單易用的特性以及符合辦公室設(shè)計(jì)環(huán)境的規(guī)格，完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)人員的夢(mèng)想。同時(shí)它體積小、無(wú)

25、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(gè)區(qū)域：噴頭、工作臺(tái)和工作室。前兩者受溫度的影響作用最大，直接影響到整個(gè)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(gè)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(huì)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(huì)引起

26、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(dòng)性強(qiáng)，擠出過(guò)快，無(wú)法形成可精確控制的絲，使擠出的絲表面粗糙，制作時(shí)會(huì)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(dòng)狀態(tài)10。根據(jù)長(zhǎng)期的工藝實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出，噴頭溫度的最佳狀態(tài)應(yīng)該保持在230C2。工作臺(tái)的溫度直接影響到噴絲后各層是否能夠粘結(jié)牢固，對(duì)成型件的熱應(yīng)力有很大的影響。溫度過(guò)高或過(guò)低會(huì)使得成型零件發(fā)生翹曲變形或者粘結(jié)不牢開(kāi)裂等缺陷。根據(jù)長(zhǎng)期的工藝實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出，工作臺(tái)溫度的最佳狀態(tài)應(yīng)該保持在80C。工作室的溫度影

27、響不大，只需要保持30C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(jì)方案，溫控器的設(shè)計(jì)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)。（2）利用零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）溫度控制芯片，例如T2117，控制連接在AC線(xiàn)路上的電阻性負(fù)載，并通過(guò)過(guò)零模式的雙向晶閘管來(lái)實(shí)現(xiàn)溫控，這種電路比較簡(jiǎn)單，所用元件很少，成本較低。（3）由集成溫度傳感器、電壓放大器、比較器、接口電路、無(wú)觸點(diǎn)電子開(kāi)關(guān)等單元電路構(gòu)成的溫控器，這種由無(wú)觸點(diǎn)電子開(kāi)關(guān)控制單位時(shí)間內(nèi)動(dòng)態(tài)加熱時(shí)間的方法來(lái)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(dòng)區(qū)間。（4）以CP

28、LD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(jià)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^(guò)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(guò)控制雙向晶閘管的導(dǎo)通角，來(lái)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

29、的目的。當(dāng)雙向晶閘管全導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載兩端的有效電壓為220V；當(dāng)其全關(guān)斷時(shí)，負(fù)載兩端的有效電壓為0V。這樣通過(guò)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(duì)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(guò)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。PID控制是工業(yè)過(guò)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(mǎn)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(shí)，輸入和輸出相等，即誤差為零，這樣

30、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(lái)實(shí)現(xiàn)的。這在精度上雖然能保證，但其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢，噴嘴和工作臺(tái)的溫度由室溫升到并穩(wěn)定在設(shè)定值的這一過(guò)程往往要花費(fèi)很多的時(shí)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(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，上升時(shí)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(jí)的限制而引起誤差，而且在偏差較小時(shí)過(guò)渡時(shí)間會(huì)過(guò)長(zhǎng)。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)時(shí)，模糊控制；當(dāng)e(k)時(shí)，PID控

31、制。e(k)為采樣時(shí)刻K的偏差值。的取值由被控對(duì)象的特性來(lái)定，可結(jié)合操作經(jīng)驗(yàn)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)償放大電路ADCSTM32 DACTCA785 溫度顯示 鍵盤(pán)輸入圖2-3溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)準(zhǔn)則有：（1）溫度的測(cè)量精度，這在某種程度上說(shuō)是最重要的一個(gè)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(shí)它反饋的信號(hào)也是后續(xù)環(huán)節(jié)的步驟指令。（2）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。（3）性能穩(wěn)定，它與測(cè)

32、量精度，響應(yīng)速度是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的根本追求。（4）工作溫度的范圍，它決定了系統(tǒng)可應(yīng)用的廣泛程度。（5）放大器的線(xiàn)性度，線(xiàn)性度越好，測(cè)溫就越準(zhǔn)確，從而控制精度也越高。（6）價(jià)格便宜，可大大提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，使產(chǎn)品在競(jìng)爭(zhēng)中處于有力的地位4。2.3 STM32和ADC STM32F103xx增強(qiáng)型系列使用高性能的ARM Cortex-M3 32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(tái)、縮減的管腳數(shù)目、降低的系統(tǒng)功耗，同時(shí)提供卓越的計(jì)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

33、效率，在通常8和16位系統(tǒng)的存儲(chǔ)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-40C至+85C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：l 該芯片工作時(shí)最高頻率可達(dá)72MHz；l 內(nèi)部帶有128K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的SRAM；l 有80個(gè)的增強(qiáng)I/O端口，充分滿(mǎn)足用戶(hù)的外設(shè)需求，IO口聯(lián)接到兩條APB總線(xiàn)的外設(shè)，最高達(dá)72MHz；l 一個(gè)高級(jí)定時(shí)器和三個(gè)普通定時(shí)器，均是16位寄存器模式，每個(gè)定時(shí)器還帶有四條輸出輸入通

34、道；l 系統(tǒng)帶有18MHz的spi總線(xiàn)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(xiàn)接口；l 十二個(gè)獨(dú)立可配置的直接存儲(chǔ)器通道；60個(gè)可屏蔽中斷通道和16個(gè)可編程優(yōu)先等級(jí)中斷，為用戶(hù)提供豐富的中斷響應(yīng)資源；l 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(gè)外部和2個(gè)內(nèi)部共18個(gè)信號(hào)源，可以進(jìn)行自校正，最快轉(zhuǎn)化速時(shí)間達(dá)1us； l 兩個(gè)并行總線(xiàn)/I2C總線(xiàn)接口，支持多主機(jī)功能，可做從設(shè)備；l 完全支持CAN總線(xiàn)協(xié)議；檢測(cè)電路的輸出電壓必須通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，才能夠用計(jì)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(hào)，然而控制系統(tǒng)中，一般要求的是連續(xù)的控制

35、信號(hào)來(lái)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(guò)D/A轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字信號(hào)還原為模擬信息。通過(guò)連續(xù)的模擬信號(hào)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(hào)的A/D轉(zhuǎn)換、運(yùn)算、D/A轉(zhuǎn)換三個(gè)步驟，皆可經(jīng)過(guò)STM32來(lái)完成15。溫度測(cè)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(hào)，經(jīng)過(guò)處理器本身內(nèi)嵌的ADC進(jìn)行A /D轉(zhuǎn)換后得到實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)，再經(jīng)處理器相關(guān)處理后通過(guò)溫度顯示電路進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示,同時(shí),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(gè)通道，可測(cè)量

36、16個(gè)外部和2個(gè)內(nèi)部信號(hào)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(duì)齊或右對(duì)齊方式存儲(chǔ)在16位數(shù)據(jù)寄存器中。模擬看門(mén)狗特性允許應(yīng)用程序檢測(cè)輸入電壓是否超出用戶(hù)定義的高/低閥值值。主要特征為：l 12-位分辨率l 轉(zhuǎn)換結(jié)束，注入轉(zhuǎn)換結(jié)束和發(fā)生模擬看門(mén)狗事件時(shí)產(chǎn)生中斷l(xiāng) 單次和連續(xù)轉(zhuǎn)換模式l 從通道0到通道n的自動(dòng)掃描模式l 自校準(zhǔn)l 帶內(nèi)嵌數(shù)據(jù)一致的數(shù)據(jù)對(duì)齊l 通道之間采樣間隔可編程l 規(guī)則轉(zhuǎn)換和注入轉(zhuǎn)換均有外部觸發(fā)選項(xiàng)l 間斷模式l 雙重模式(帶2個(gè)ADC的器件)l ADC轉(zhuǎn)換速率1MHzl ADC供電要求：2.4V到3.6Vl ADC輸入范圍：l 規(guī)則轉(zhuǎn)

37、換期間有DMA請(qǐng)求產(chǎn)生。表2-1ADC管腳名稱(chēng)信號(hào)類(lèi)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_IN15:0模擬輸入信號(hào) 16個(gè)模擬輸入通道EXTSEL2:0輸入，數(shù)字 開(kāi)始規(guī)則成組轉(zhuǎn)換的六個(gè)外部觸發(fā)信號(hào)JEXTSEL2:0輸入，數(shù)字開(kāi)始注入成組轉(zhuǎn)換的六個(gè)外部觸發(fā)信號(hào)有16個(gè)多路通道?？梢园艳D(zhuǎn)換分成兩組：規(guī)則的和注入的

38、。在任意多個(gè)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。l 規(guī)則組由多達(dá)16個(gè)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(xiě)入ADC_SQR1寄存器的L3:0位中。l 注入組由多達(dá)4個(gè)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(xiě)入ADC_JSQR寄存器的L1:0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(gè)新的啟動(dòng)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_

39、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(duì)這兩個(gè)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：?jiǎn)纹瑱C(jī)STM32F103C8T6做CPU，用熱電阻采集溫度信號(hào)，經(jīng)過(guò)以ICL7650組成的信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換為為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理后由DAC轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)；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(xiàn)配合其他模塊實(shí)現(xiàn)的。下一章會(huì)詳細(xì)介紹各個(gè)部分的實(shí)現(xiàn)。用Protell畫(huà)出其原理圖

40、，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(cè)電路3.1.1熱電偶測(cè)量溫度的器件很多，包括熱敏電阻、熱電偶、紅外測(cè)溫、水銀等等。根據(jù)FDM溫度的特性，溫度范圍較大0-300C，因此決定選擇熱電偶測(cè)溫。表3-1為K型熱電偶的分度表。為了保險(xiǎn)起見(jiàn)，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21919。STM32內(nèi)部帶有12位的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)化器，參考電壓時(shí)0-3V。因此為了更精確的測(cè)量溫度，將熱電偶的信號(hào)經(jīng)過(guò)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

41、電偶的分度表K 參考端溫度：0 整10度值010203040506070809000397798120316112022243628503266368110040954508491953275733613765396939733877372008137853789389341974510151105601096911381117933001220712623130391345613874142921471215132155521597440016395168181724117664180881851318938193631978820214500206402106621493219192234

42、622772231982362424050244766002490225327257512617626599270222744527867282882870970029128295472996530383307993121431629320423245532866800332773368634095345023490935314357183612136524369259003732537724381223851938915393103970340096404884087910004126941657420454243242817432024358543968443494472911004510

43、8454864586346238466124698547356477264809548462120048828491924955549916502765063350990513445169752049130052398530935309353439537825412554466548073.1.2信號(hào)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。考慮系統(tǒng)的線(xiàn)性度、失真區(qū)間、動(dòng)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

44、/，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3-1 ICL7650原理圖 圖3-2 ICL7650外圍電路圖同時(shí)選用儀器放大器，具有很高的輸入阻抗，同時(shí)可以在末端加一個(gè)跟隨器提高輸出阻抗。如圖3-3所示，一級(jí)放大部分由兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的同相運(yùn)放放大器組成一個(gè)差分放大器，有效的對(duì)冷端溫度進(jìn)行了補(bǔ)償，二級(jí)放大作為主要放大電路。圖3-3信號(hào)放大電路首先對(duì)該放大電路進(jìn)行參數(shù)的計(jì)算分析：設(shè)R1左端輸入信號(hào)電壓為，左端輸入信號(hào)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(shí)其“+”輸入端 ，“-”輸入端電壓相等，電流為0。 所以:; （3-

45、1) (3-2) . (3-3)為了使電路盡可能的對(duì)稱(chēng)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(jì)算出放大倍數(shù)當(dāng) 遠(yuǎn)大于時(shí)，放大倍數(shù)根據(jù)以前的試驗(yàn)資料可確定，確定了各個(gè)元器件的數(shù)值之后就可以用multisim仿真軟件對(duì)放大器電路進(jìn)行模擬分析，如圖所示。圖3-4溫度檢測(cè)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(xiàn)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(lèi)傳感器，輸入輸出線(xiàn)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(chǎng)附近干擾以場(chǎng)

46、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(hào)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(lái)很大誤差，甚至失去控制作用的后果，針對(duì)于上述的影響，我們?cè)诜糯笄昂蠖紝?duì)電路設(shè)計(jì)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(jí)濾波，對(duì)高頻部分過(guò)濾，但是低頻部分可以很容易通過(guò)；后面的R9、R10、C3、C4組成了二級(jí)RC濾波電路。 對(duì)二級(jí)RC濾波電路檢測(cè)器濾波性能，其結(jié)果如圖3-5所示：圖3-5后級(jí)濾波的伯德圖可見(jiàn)二級(jí)濾波的是一個(gè)低通濾波器，低頻容易通過(guò)，高頻時(shí)迅速衰減，

47、而在低頻處，幾乎是，也就是不衰減的輸出。用multisim仿真軟件對(duì)放大器電路進(jìn)行模擬分析，模擬電路的線(xiàn)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(jì)算中，我們得知G=(R3+R4)/Rg+1，下面通過(guò)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(gè)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(gè)模擬結(jié)果中分析，分別取Rg等于300、200模擬，計(jì)算值G等于133.3，201，而根據(jù)模擬圖的數(shù)據(jù)可以計(jì)算出Rg等于300、200時(shí)的放大倍數(shù)為130.3,199.6，可見(jiàn)模擬出的效果較好。而根據(jù)熱電偶

48、在參考端的溫度取值為30，其最大的輸出也僅是21919，放大倍數(shù)大其精度也就相對(duì)提高因此該系統(tǒng)中取剛好符合要求。對(duì)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(yàn)設(shè)備的條件下，分別用實(shí)物檢測(cè)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(cè)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(cè)量（放大200倍）數(shù)據(jù)，參考端30溫度140150160170180190200電壓V0.7340.8880.9731.0

49、511.1131.2241.302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(cè)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(shí)，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(jì)算機(jī)輸入的最大限度3V時(shí)，加熱棒的溫度能夠達(dá)到400，這已經(jīng)滿(mǎn)足一般快速成型機(jī)的噴頭溫度

50、為300的要求了。由于水溫測(cè)試的結(jié)果較準(zhǔn)確，這里僅對(duì)水溫測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析。以溫度對(duì)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?cái)?shù)據(jù)分析 從圖3-8中可見(jiàn)，實(shí)際放大器的線(xiàn)性誤差很小，該誤差可能是溫度計(jì)讀數(shù)誤差造成的。放大倍數(shù) G=400/1.980=202.0與計(jì)算值(R3+R4)/Rg+1=201相差無(wú)幾，僅存的誤差可能是萬(wàn)能表測(cè)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(hào)輸出給TCA785，改變可控硅的導(dǎo)通角，同時(shí)負(fù)脈沖驅(qū)動(dòng)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(gè)加熱棒，控制兩個(gè)

51、噴嘴的溫度，每一路主要包括一個(gè)光電耦合器MOC3021，一個(gè)集成電路移相觸發(fā)器TCA785，一個(gè)變壓器和一個(gè)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(shí)，在紅外光的作用下能雙向?qū)āＫ奶攸c(diǎn)是輸入和輸出完全隔離，相互無(wú)干擾，不考慮同步問(wèn)題，不設(shè)同步變壓器。圖3-9 MOC3021示意圖TCA785是西門(mén)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(cè)、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

52、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(jià)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3-10 TCA785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(hào)輸入端，同步信號(hào)經(jīng)同步過(guò)零電路送至同步寄存鋸齒波信號(hào)發(fā)生器，在每個(gè)正弦信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)鋸齒波發(fā)生器迅速放電并從0初始值開(kāi)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

53、達(dá)到V11的幅度時(shí)產(chǎn)生一脈沖，生成控制信號(hào)送至脈沖形成及分配環(huán)節(jié)，從這里可以看出控制角的大小由控制電壓V11的幅度值決定。Q1腳和Q2腳分別為正負(fù)半周對(duì)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(gè)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(shí)，解除封鎖，當(dāng)V6=“0”時(shí)，封鎖有效，它是為系統(tǒng)過(guò)流、過(guò)壓或進(jìn)行其它控制而設(shè)立的控制端。TCA785的各腳波形見(jiàn)圖3-11所示。圖3-11 TCA785波形圖 雙向可控硅元件是一種比較理想的交流電

54、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(jiǎn)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(kāi)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(xiàn)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(xiàn)欲使雙向可控硅中通過(guò)交流電流，必須在每半個(gè)電流周期對(duì)元件進(jìn)行一次觸發(fā)；只有在元件中通過(guò)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(guò)的電流下降到維持電流以下時(shí)，元件才能關(guān)斷，并恢復(fù)阻斷能力；元件過(guò)零關(guān)斷后，必須再次進(jìn)行觸發(fā)才

55、能重新導(dǎo)通。線(xiàn)路上的電壓超過(guò)雙向可控硅的不重復(fù)峰值電壓，線(xiàn)路上的dV/dt超過(guò)元件的額定dV/dt，線(xiàn)路上的換向要求超過(guò)元件的換向能力，具備這三個(gè)條件中的一個(gè)，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(huì)導(dǎo)致元件損壞。在交流電路工作的雙向可控硅的兩個(gè)半側(cè)，在每一個(gè)電流周期中，先后各自工作半個(gè)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(mén)極電流進(jìn)行觸發(fā)，按照門(mén)極極性和主端子極性的可能組合有四種觸發(fā)方式。門(mén)極對(duì)雙向可控硅的作用，可分為常規(guī)門(mén)極作用，結(jié)門(mén)極作用和間接門(mén)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

56、點(diǎn)是通過(guò)移相觸發(fā)來(lái)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(guò)門(mén)極短路強(qiáng)制觸發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)脈沖發(fā)生器在零相位附近進(jìn)行同步觸發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)。觸發(fā)雙向可控硅時(shí)，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(jiǎn)化觸發(fā)線(xiàn)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(hào)與輸出強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行隔離，用來(lái)避免電源畸變和電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響，增強(qiáng)了抗干擾能力。3.3鍵盤(pán)顯示部分系統(tǒng)配置了四個(gè)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(cè)量校準(zhǔn)，開(kāi)入開(kāi)出測(cè)試等操作。按鍵SW1SW4分別為復(fù)位、確認(rèn)、溫度加、溫度減。其中溫度設(shè)置鍵盤(pán)和顯示部分的電路圖如

57、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(gè)部分，硬件部分包括了溫度檢測(cè)，加熱，調(diào)整和顯示等多個(gè)部分，而軟件部分主要是對(duì)單片機(jī)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)以控制各個(gè)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(jì)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(kù)在Re2alViewMDK環(huán)境下編寫(xiě),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(jì)思路是將測(cè)試并放大過(guò)的信號(hào)與輸入的溫度進(jìn)行比較如果低于臨界值則輸出信號(hào)控制加熱模塊進(jìn)行加熱，反之控制

58、加熱模塊斷開(kāi)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(cè)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(xiàn)的研究在自動(dòng)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(xiàn)主要是RS232、RS485、ISA、PCI等，ISA/PCI總線(xiàn)是基于主板插槽的機(jī)內(nèi)總線(xiàn)，這種總線(xiàn)使用起來(lái)十分不方便，并且一般數(shù)量較少，在一臺(tái)工控機(jī)中最多5-8個(gè)插槽，多用于板卡+PC的控制模式下。隨著計(jì)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(xiàn)有逐漸被替代的趨勢(shì)。PC+PLC的控制模式下，PC與PLC之間的通訊常采用RS485總線(xiàn)，該模式應(yīng)用比較廣泛

59、。RS485總線(xiàn)與RS232總線(xiàn)相似，采用差分信號(hào)，具有很好的抗共模干擾的能力，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通訊，波特率可設(shè)，一般采用19200bps。CAN(controller area network)總線(xiàn)，能有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信局域網(wǎng)，由于其高性能、高可靠性、實(shí)時(shí)性好及其獨(dú)特的設(shè)計(jì)，已廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)中的各檢測(cè)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(xiàn)最多可帶110個(gè)節(jié)點(diǎn)，具有自動(dòng)容錯(cuò)機(jī)制，硬件由過(guò)濾器自動(dòng)識(shí)別ID，收取有效的報(bào)文幀，為系統(tǒng)節(jié)省資源。CAN總線(xiàn)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(xiàn)控制器，在用戶(hù)設(shè)計(jì)的

60、時(shí)候，只需要設(shè)計(jì)CAN總線(xiàn)收發(fā)器電路即可使用，對(duì)開(kāi)發(fā)者十分便捷。如表3-4所示，CAN總線(xiàn)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(shì)，因此本文由CAN總線(xiàn)取代RS485總線(xiàn)，提出了基于CAN總線(xiàn)的通訊網(wǎng)絡(luò)。表3-4 RS-485與CAN總線(xiàn)對(duì)比特性RS-485CAN-BUS總線(xiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)直線(xiàn)拓?fù)渲本€(xiàn)拓?fù)鋫鬏斀橘|(zhì)雙絞線(xiàn)雙絞線(xiàn)總線(xiàn)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(cuò)機(jī)制無(wú)由硬件完成錯(cuò)誤處理和檢錯(cuò)機(jī)制通訊失敗率很高極低節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤影響故障節(jié)點(diǎn)有可能導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)崩潰故障節(jié)點(diǎn)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)無(wú)影響通訊距離1.2Km可達(dá)10Km（5Kbps）后期維護(hù)成

61、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(duì)于精度的要求格外嚴(yán)格，本文對(duì)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(jì)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(gè)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(gè)硬件部分分為三個(gè)方面即溫度檢測(cè)，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(gè)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(kāi)對(duì)溫度控制系統(tǒng)的研究，涵蓋的技術(shù)包括熱電偶測(cè)溫技術(shù)、信號(hào)放大以及信號(hào)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(yàn)等。完成的成