强烈推荐基于stm32的温度控制毕业论文设计.docx

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强烈推荐基于stm32的温度控制毕业论文设计

摘要

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：

熔融沉积成型（FDM）；STM32；温度控制；TCA785

Abstract

InthepresentfieldofRapidPrototyping,the"NewRPTechnology"basedonjettingtechnologyisreplacingthe"ConventionalRPTechnology"basedonlasertechnologyasthemainstreamoftheRapidPrototypingTechnology.FusedDepositionModeling（FDM）isthemostpopularRapidPrototypingtechnologybasedonjettingtechnology.

ThispapermainlydoesresearchdeeplyonthetemperaturecontrolsystemofFDMsystem.Temperaturecontrollingiswidelytofood,sanitation,medicaltreatment,chemistryandindustry.Alongwiththedevelopmentofsensortechnology,micro-electronicstechnologyandsinglechiptechnolog,brainpowertemperaturecontrollingsystemisperfected,precisionofmeasurementandcontrollingisenhancedandtheabilityofanti-jammingisswelled.SinglechipSTM32F103C8T6inthispaperisathispaper.ThetooloftemperaturetestisthermocoupleofKstyle.Thissystemrealizesprecisemeasurementandcontrollingoftemperaturesignalwithalittlecontrolparameterinindustrialobject.Variouscalefactionstoves,ovensandconstanttemperatureboxeswhichallneedcontroltemperaturearewidelyusedinmanyindustrysuchasmetallurgy,chemistry,mechanismandfoodstuff.Mouldingroomandspouttemperatureawfullyaffecttheprecisionofmouldingpieces.Thenthetemperaturecontrolsystemusingcontrollablesiliconisexplainindetail.ThissystemadoptssinglechipSTM32F103C8T6whichactsasmicrocontroller.Itcanregulatetheangleofdouble-directioncontrollablesiliconandcontrolvoltagewaveshape.Sothevirtualvoltageofloadcanbechangedandthecalefactionpowerofcalefactionstickcanbecontrolled.Thereforethetemperaturecanretaintheenactmentvalue.Thissystemmainlyconsistsofcollectionofdata,disposal,output,communicationofsystemandcomputerandcommunicationofandmachine.Thissystemandconveniencerealization.

ThissystemadoptsbluryPIDcontrol.TheadoptionofbluryPIDcontrolcanceaselesslyautoregulatesbasinginitializedcontrolrule,thusthecontrolledsystemwillmovetotheinitializedbalancestate.

Keywords:

FusedDepositionModeling,STM32,temperaturecontrol,TCA785

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

摘要I

AbstractII

1绪论1

1.1FDM工艺原理及应用1

1.2FDM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

2.3STM32和ADC7

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24

4.1全文总结24

4.2研究展望24

致谢26

参考文献27

1绪论

1.1FDM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ScottCrump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。

1.1.3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]。

1.2FDM国内外基本研究概况

FDM工艺由美国学者ScottCrump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MedModeler公司。

Stratasys公司于1993年开发出第一台FDM-1650（台面为250mmX250mmX250mm）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457mmX457mmX610mm。

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600mmX500mmX600mm。

由于采用了挤出头磁浮定位（MagnaDrive）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MedModeler公司合作开发了专用于一些医院和医学研究单位的MedModeler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，其耐热温度为207.2~230，适合高温的工作环境。

随后，Stratasys公司开发了工程材料PCABS。

PCABS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]。

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ABS04。

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

1.3.1课题目的

随着计算机辅助技术（CADCAE）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。

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。

2温度控制系统方案分析

2.1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

参考许多文献中的设计