【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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(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]。考慮到單片機(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。控制原理：通過調(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21所示。通過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21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22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(dòng)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(shí)，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22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)過渡時(shí)間會(huì)過長(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)≥δ時(shí)，模糊控制；當(dāng)e(k)δ時(shí)，PID控制。e(k)為采樣時(shí)刻K的偏差值。δ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23所示。采樣及溫度補(bǔ)償放大電路ADCSTM32 DACTCA785 溫度顯示 鍵盤輸入圖23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)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）放大器的線性度，線性度越好，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]。 STM32和ADC STM32F103xx增強(qiáng)型系列使用高性能的ARM CortexM3 32位的RISC內(nèi)核，ARM的CortexM3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CortexM3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(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40176。C至+85176。C的溫度范圍，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；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道；l 系統(tǒng)帶有18MHz的spi總線通訊接口；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/I2C總線接口，支持多主機(jī)功能，可做從設(shè)備；l 完全支持CAN總線協(xié)議；檢測(cè)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(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D/A轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字信號(hào)還原為模擬信息。通過連續(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。模擬看門狗特性允許應(yīng)用程序檢測(cè)輸入電壓是否超出用戶定義的高/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：l ADC輸入范圍：l 規(guī)則轉(zhuǎn)換期間有DMA請(qǐng)求產(chǎn)生。表21ADC管腳名稱信號(hào)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： ≤ VDDA ≤ VDD()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(hào) 16個(gè)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(gè)外部觸發(fā)信號(hào)JEXTSEL[2:0]輸入，數(shù)字開始注入成組轉(zhuǎn)換的六個(gè)外部觸發(fā)信號(hào)有16個(gè)多路通道。可以把轉(zhuǎn)換分成兩組：規(guī)則的和注入的。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：通道通道通道通道通道0、通道通道通道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)寫入ADC_SQR1寄存器的L[3:0]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(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_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。 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畫出其原理圖，如圖所示：圖24溫度控制電路原理圖3 溫度控制電路各部分的實(shí)現(xiàn)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0300176。C，因此決定選擇熱電偶測(cè)溫。表31為K型熱電偶的分度表。為了保險(xiǎn)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(shí)03V。因此為了更精確的測(cè)量溫度，將熱電偶的信號(hào)經(jīng)過放大電路輸入進(jìn)STM32的ADC端口。，為了提高控制精度，放大倍數(shù)取150200倍。 表31K型熱電偶的分度表　　K 參考端溫度：0℃ 整10度μν值0102030405060708090003977981203161120222436285032663681100409545084919532757336137653969397338773720081378537893893419745101511056010969113811179330012207126231303913456138741429214712151321555215974400163951681817241176641808818513189381936319788202145002064021066214932191922346227722319823624240502447660024902253272575126176265992702227445278672828828709700291282954729965303833079931214316293204232455328668003327733686340953450234909353143571836121365243692590037325377243812238519389153931039703400964048840879100041269416574204542432428174320243585439684434944729110045108454864586346238466124698547356477264809548462120048828491924955549916502765063350990513445169