【文章內容簡介】 核心，用溫度傳感器及A/D轉換器進行溫度采集的可控硅調功溫度控制系統(tǒng)。（2）利用零電壓開關（ZVS）溫度控制芯片，例如T2117，控制連接在AC線路上的電阻性負載，并通過過零模式的雙向晶閘管來實現(xiàn)溫控，這種電路比較簡單，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、無觸點電子開關等單元電路構成的溫控器，這種由無觸點電子開關控制單位時間內動態(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。（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整均由CPLD實現(xiàn)[4]?？紤]到單片機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單片機為主處理器，改變可控硅的導通角控制加熱功率進而控制溫度。溫控系統(tǒng)的實現(xiàn)方案：用單片機構建數(shù)字溫度控制器。控制原理：通過調節(jié)雙向晶閘管的導通角，控制電壓波形，實現(xiàn)負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)和上位機的通訊，人機交互部分。FDM溫度控制系統(tǒng)由雙向晶閘管構成加熱電路，如圖21所示。通過控制雙向晶閘管的導通角，來改變負載的有效電壓，控制加熱功率，進而達到控制溫度的目的。當雙向晶閘管全導通時，負載兩端的有效電壓為220V；當其全關斷時，負載兩端的有效電壓為0V。這樣通過控制電路選擇適當?shù)挠|發(fā)角，可使負載兩端的電壓為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加熱電路為實現(xiàn)對溫度的精確控制，加熱系統(tǒng)需采用獨立的閉環(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)的結構圖如圖22所示。系統(tǒng)輸出和輸入相比較后產(chǎn)生誤差通過調節(jié)驅動執(zhí)行機構。PID控制是工業(yè)過程控制中應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)達到控制要求。 圖22閉環(huán)控制系統(tǒng)結構圖在溫控系統(tǒng)中一般是采用可控硅和溫控器相結合，利用溫控器自帶的PID控制算法來實現(xiàn)的。這在精度上雖然能保證，但其動態(tài)響應速度慢，噴嘴和工作臺的溫度由室溫升到并穩(wěn)定在設定值的這一過程往往要花費很多的時間，嚴重影響了加工效率。而模糊控制正好彌補了PID控制的這一缺點，它能夠得到較好的動態(tài)響應特性，上升時間快，魯棒性好[12]。但模糊控制也存在固有的缺點，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合的方法，即當e(k)≥δ時，模糊控制；當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，可結合操作經(jīng)驗經(jīng)多次調節(jié)比較確定[13]。為了提高人機的交互性，本電路將采用基于單片機的數(shù)字化溫控系統(tǒng)?？筛鶕?jù)成形材料的物理性質設定控制溫度。系統(tǒng)的結構圖如圖23所示。采樣及溫度補償放大電路ADCSTM32 DACTCA785 溫度顯示 鍵盤輸入圖23溫控系統(tǒng)結構圖 系統(tǒng)設計的目標準則有：（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)，它的準確性直接就關系到了工作點溫度誤差大小。同時它反饋的信號也是后續(xù)環(huán)節(jié)的步驟指令。（2）響應速度要快，速度慢了滯后就嚴重，這樣就算精度高，實質的控制精度也大打折扣了。（3）性能穩(wěn)定，它與測量精度，響應速度是設計控制系統(tǒng)的根本追求。（4）工作溫度的范圍，它決定了系統(tǒng)可應用的廣泛程度。（5）放大器的線性度，線性度越好，測溫就越準確，從而控制精度也越高。（6）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]。 STM32和ADC STM32F103xx增強型系列使用高性能的ARM CortexM3 32位的RISC內核，ARM的CortexM3處理器是最新一代的嵌入式ARM處理器，它為實現(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的中斷系統(tǒng)響應。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“增強型”，的一款，工作于40176。C至+85176。C的溫度范圍，可以設置工作在省電模式以保證低功率消耗的應用需求，并且具有豐富的外設資源：l 該芯片工作時最高頻率可達72MHz；l 內部帶有128K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的SRAM；l 有80個的增強I/O端口，充分滿足用戶的外設需求，IO口聯(lián)接到兩條APB總線的外設，最高達72MHz；l 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；l 系統(tǒng)帶有18MHz的spi總線通訊接口；l 十二個獨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資源；l 逐次逼近型模擬數(shù)字轉換器具有12位的分辨力，具有16個外部和2個內部共18個信號源，可以進行自校正，最快轉化速時間達1us； l 兩個并行總線/I2C總線接口，支持多主機功能，可做從設備；l 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轉換為數(shù)字量，才能夠用計算機系統(tǒng)進行處理，處理器進行數(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)的控制信號來進行系統(tǒng)控制，這樣運算輸出的數(shù)字量又必須經(jīng)過D/A轉換器，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，從而達到工作點溫度保持或增減的要求。信號的A/D轉換、運算、D/A轉換三個步驟，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)過處理器本身內嵌的ADC進行A /D轉換后得到實時溫度數(shù)據(jù)，再經(jīng)處理器相關處理后通過溫度顯示電路進行實時顯示,同時,處理器還可以實現(xiàn)與PC機的通信功能。 12位ADC是一種逐次逼近型模擬數(shù)字轉換器。它有18個通道，可測量16個外部和2個內部信號源[16]。各通道的A/D轉換可以單次、連續(xù)、掃描或間斷模式執(zhí)行。ADC的結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：l 12位分辨率l 轉換結束，注入轉換結束和發(fā)生模擬看門狗事件時產(chǎn)生中斷l(xiāng) 單次和連續(xù)轉換模式l 從通道0到通道n的自動掃描模式l 自校準l 帶內嵌數(shù)據(jù)一致的數(shù)據(jù)對齊l 通道之間采樣間隔可編程l 規(guī)則轉換和注入轉換均有外部觸發(fā)選項l 間斷模式l 雙重模式(帶2個ADC的器件)l ADC轉換速率1MHzl ADC供電要求：l ADC輸入范圍：l 規(guī)則轉換期間有DMA請求產(chǎn)生。表21ADC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： ≤ VDDA ≤ VDD()VREF輸入，模擬參考負極ADC使用的低端/負極參考電壓，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)字開始注入成組轉換的六個外部觸發(fā)信號有16個多路通道。可以把轉換分成兩組：規(guī)則的和注入的。在任意多個通道上以任意順序進行的一系列轉換構成成組轉換。例如，可以如下順序完成轉換：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16個轉換組成。規(guī)則通道和它們的轉換順序在ADC_SQRx寄存器中選擇。規(guī)則組中轉換的總數(shù)寫入ADC_SQR1寄存器的L[3:0]位中。l 注入組由多達4個轉換組成。注入通道和它們的轉換順序在ADC_JSQR寄存器中選擇。注入組里的轉換總數(shù)目寫入ADC_JSQR寄存器的L[1:0]位中。如果ADC_SQRx或ADC_JSQR寄存器在轉換期間被更改，當前的轉換被清除，一個新的啟動脈沖將發(fā)送到ADC以轉換新選擇的組。溫度傳感器和通道ADC_IN16相連接，內部參考電壓VREFINT和ADC_IN17相連接?？梢园醋⑷牖蛞?guī)則通道對這兩個內部通道進行轉換。 本系統(tǒng)中用到的器件及實現(xiàn)的功能如下：單片機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STM32F103C8T6單片機自帶的ADC將模擬信號轉換為為數(shù)字信號，經(jīng)過單片機處理后由DAC轉換為模擬信號；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現(xiàn)的。下一章會詳細介紹各個部分的實現(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現(xiàn)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0300176。C，因此決定選擇熱電偶測溫。表31為K型熱電偶的分度表。為了保險起見，我們將溫度范圍擴展到500℃，參考端的溫度取值為30℃，其最大的輸出也僅是21919μν。STM32內部帶有12位的ADC模數(shù)轉化器，參考電壓時03V。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