【正文】 硅中通過交流電流，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(shí)，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(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(duì)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(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(hào)與輸出強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行隔離，用來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。 21 鍵盤顯示部分 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)，開入開出測(cè)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 313所示： 圖 313溫度輸入和顯示模塊 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(jì)思路是將測(cè)試并放大過的信號(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： 22 通訊總線的研究 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)的總線主要是 RS23 RS48ISA、 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(tái)工控機(jī)中最多 58 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，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(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 work)總線，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 總線通訊在嵌入式領(lǐng)域也十分成熟，在三星、 ST、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 314 溫度控制流程圖 23 Intel 等 ARM 芯片上都集成了 CAN 總線控制器，在用戶設(shè)計(jì)的時(shí)候，只需要設(shè)計(jì) CAN總線收發(fā)器電路即可使用，對(duì)開發(fā)者十分便捷。 如表 34 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(shì)，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 34 RS485與 CAN總線對(duì)比 特性 RS485 CANBUS 總線 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 直線拓?fù)? 直線拓?fù)? 傳輸介質(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(cuò)機(jī)制 無 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)無影響 通訊距離 可達(dá) 10Km（ 5Kbps） 后期維護(hù)成本 較 高 極低 24 4 總結(jié)與展望 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。完成的成果有檢測(cè)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(gè)運(yùn)作過程是：溫度傳感器測(cè)得的溫度信號(hào)經(jīng)過冷端補(bǔ)償并轉(zhuǎn)換為參考端為 30℃ 的 電壓信號(hào)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(duì)輸入的溫度信號(hào)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(hào)經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)在 STM32輸出，根據(jù)模擬信號(hào)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(duì)溫度的自動(dòng)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(yàn)；有很多器件的用法在用到的時(shí)候要現(xiàn)學(xué)，比如 ICL7650 和 TCA785；在設(shè)計(jì)的過程中經(jīng)常出現(xiàn)一些錯(cuò)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(jì)算時(shí)由于發(fā)生了波形的位移很難測(cè)到正確的放大倍數(shù)。 研究展望 本實(shí)驗(yàn)完成了簡單的溫度控制硬件平臺(tái)的建立，對(duì)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(gè)溫度控制系統(tǒng)，軟件和通訊協(xié)議的編寫是必不可少的，因此在后續(xù)工作中應(yīng)該著重于軟件和通訊協(xié)議的開發(fā)。這兩方面的研究就又涉及到軟件開發(fā)方面所涉及的技術(shù)包括 C 語言等匯編語言及 CAN 總線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，這就需要我進(jìn)一步豐富自己的知識(shí)面進(jìn)而具備 進(jìn)行進(jìn)一步研究的能力。 25 在進(jìn)行電路圖的繪制過程中發(fā)現(xiàn) STM32 芯片對(duì)于溫度控制系統(tǒng)來說有很大的空余，為了能夠更好地利用單片機(jī)資源可以將溫度控制模塊與別的模塊進(jìn)行共同的開發(fā)。這是一個(gè)比較大的課題，希望以后能有機(jī)會(huì)進(jìn)行這方面的研究。 FDM 快速成形技術(shù)是一種具有廣泛應(yīng)用前景的正在不斷完善的高新技術(shù)。隨著市場(chǎng)競爭的日趨激烈，該技術(shù)將會(huì)被越來越多的企業(yè)所采用，對(duì)企業(yè)的發(fā)展，發(fā)揮越來越重要的作用，并將給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)， FDM 快速成形技術(shù)作為一門多學(xué)科交叉的專業(yè)技術(shù)，其本身的發(fā)展，也將推動(dòng)相關(guān)技術(shù)、產(chǎn)業(yè)的 發(fā)展。我們需要進(jìn)一步完善溫控系統(tǒng)，加速 FDM 更新?lián)Q代和產(chǎn)品化的腳步，盡快轉(zhuǎn)化為實(shí)際利潤以支持對(duì) FDM 的進(jìn)一步研究與開發(fā)。 26 致 謝 感謝葉春生老師，葉春生老師的指導(dǎo)和鼓勵(lì)使我能順利的完成這一課題的研究。葉老師知識(shí)淵博，思維敏捷，是一位難得的良師。葉春生老師嚴(yán)格要求自己和學(xué)生，形成了嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的學(xué)習(xí)和工作作風(fēng)。能夠跟在葉老師身邊學(xué)習(xí)是我的榮幸。謹(jǐn)在此感謝葉老師對(duì)我的指導(dǎo)和幫助。 感謝趙英燦學(xué)長的幫助，趙英燦學(xué)長是一個(gè)極有耐心的人，再給我講解我不理解的地方時(shí)總是十分認(rèn)真，同時(shí)趙英燦學(xué)長也很好相處，在與趙英燦 學(xué)長討論問題的時(shí)候他能很和氣的指出我的錯(cuò)誤并幫我改正，真的十分感謝趙英燦學(xué)長。 感謝我的家人，是他們的支持讓我完成了學(xué)業(yè)，我的成功永遠(yuǎn)離不開他們的支持。 27 參考文獻(xiàn) [1] 羅晉 ， 葉春生 ， 黃樹槐 . FDM系統(tǒng)的重要工藝參數(shù)及其控制技術(shù)研究 [J].鍛壓裝備與制造技術(shù) 2021，（ 2）， 7780. [2] 葉春生 ，侯文杰，張軍偉等 .數(shù)字伺服壓力機(jī)控制系統(tǒng)的研究 .鍛壓技術(shù) 2021，34（ 6）， 117125. [3] 張軍偉 . 基于 ARM的熔絲沉積成型機(jī)控制系統(tǒng) . 碩士學(xué)位論文 [4] 陳亞萍 . FDM溫度控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì) . 碩士學(xué)位論文 [5] Scott Crump S..Make RP models in endproduct Engineering(Toronto),2021,49(5):2021. [6] 林柳蘭 ,莫健華 .快速成形材料及應(yīng)用 .模具 ,2021,(8):55. [7] Masood .,Song ..Thermal characteristics of a new metal/polymer material forFDM rapid prototyping Automation,2021,25（ 4） :309315. [8] Egodawatta .,Hanison .,Desilia National Conference onRapid Design,Prototyping,and Manufacturing,2021:1322. [9] 顏永年 ,張人佶 ,盧清萍等 .多功能快速原型制造系統(tǒng) (MRPMS).昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào) ,2021,(8):24~28. [10] 何新英 ,陶明元 ,葉春生 .FDM工藝成形過程 中影響成形件精度的因素分析 .機(jī)械與電子 ,2021,(9):7778. [11] Iven adaptive and learning Trans ,1987, 20:7788. [12] 陶永華 ,尹怡欣 ,葛蘆生 .新型 PID控制及其應(yīng)用 .第 1版 .北京 :機(jī)械工業(yè)出版社 ,. [13] Li logic controller based on geic SetsSystems,1996,83(1):110. [14] 姚琳 . 基于 CortexM3內(nèi)核的 32位 MCU具有低功耗和多接口 [J] . 電子設(shè)計(jì)技 術(shù) . 2021, (01): 22. [15] 陳雪芳，榮靜 .基于 FDM的快速成型質(zhì)量的研究 [J].蘇州市職業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2021 [16] 莫 健華，劉 杰，黃樹槐 .快速成形與快速制模技術(shù)的發(fā)展 [J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2021 [17] Zero Voltage Switch [EB/OL]. [18] Iven adaptive and learning Trans Syst. Man. Cybernt, 1987,20:7788. 28 [19] 饒運(yùn)濤，鄒繼軍，鄭勇蕓。現(xiàn)場(chǎng)總線 CAN原理與應(yīng)用技術(shù)。北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 2021 [20] 意法半導(dǎo)體 STM32 系列 STM32F103 32 位微控制器 [J]. 今日電子 . 2021, (02): 61 [21] 張明春 .熱電偶測(cè)溫原理及應(yīng)用 [J].工程技術(shù) ,2021 [22] ARM. Keil Enables Prototyping of CortexM ProcessorBased Systems with the Microcontroller Prototyping System Anonymous. Electronics Business Journal. 2021, 15: 49 29 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作所取得的成果。盡我所知，除文中已經(jīng)特別注明引用的內(nèi)容和致謝的地方外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式注明并表 示感謝。本人完全意識(shí)到本聲明的