基于stm32的温度控制.docx

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基于stm32的温度控制

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.SinglechipSTM32F103C8T6inthispaperisahigh-powered32-bitchip.Ithasplentyofhardwareresourceandstrongabilityforanti-jamming.Itisspeciallysuitableformakingbrainpowermeasurementinstrumentandindustrycontrollingsystem.ThehardwareresourceofsinglechipSTM32F103C8T6isfullyexploitedinthispaper.ThetooloftemperaturetestisthermocoupleofKstyle.Thissystemrealizesprecisemeasurementandcontrollingoftemperaturesignalwithalittlehardwareresource.

First,theneedoftemperaturecontrolisexpounded.Temperatureisamaincontrolparameterinindustrialobject.Variouscalefactionstoves,ovensandconstanttemperatureboxeswhichallneedcontroltemperaturearewidelyusedinmanyindustrysuchasmetallurgy,chemistry,mechanismandfoodstuff.Mouldingroomandspouttemperatureawfullyaffecttheprecisionofmouldingpieces.Thenthetemperaturecontrolsystemusingcontrollablesiliconisexplainindetail.ThissystemadoptssinglechipSTM32F103C8T6whichactsasmicrocontroller.Itcanregulatetheangleofdouble-directioncontrollablesiliconandcontrolvoltagewaveshape.Sothevirtualvoltageofloadcanbechangedandthecalefactionpowerofcalefactionstickcanbecontrolled.Thereforethetemperaturecanretaintheenactmentvalue.Thissystemmainlyconsistsofcollectionofdata,disposal,output,communicationofsystemandcomputerandcommunicationofhumanandmachine.Thissystemhassomeadvantagessuchaslowcost,highprecisionandconveniencerealization.

ThissystemadoptsbluryPIDcontrol.TheadoptionofbluryPIDcontrolcanceaselesslyautoregulatesbasinginitializedcontrolrule,thusthecontrolledsystemwillmovetotheinitializedbalancestate.

Keywords:

FusedDepositionModeling,STM32,temperaturecontrol,TCA785

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PC/ABS。

PC/ABS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（CAD/CAE）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方案，温控器的设计大体有以下几种：

（1）以单片机系统为控制核心，用温度传感器及A/D转换器进行温度采集的可控硅调功温度控制系统。

（2）利用零电压开关（ZVS）温度控制芯片，例如T2117，控制连接在AC线路上的电阻性负载，并通过过零模式的双向晶闸管来实现温控，这种电路比较简单，所用元件很少，成本较低。

（3）由集成温度传感器、电压放大器、比较器、接口电路、无触点电子开关等单元电路构成的温控器，这种由无触点电子开关控制单位时间内动态加热时间的方法来控制恒定温度可以得到较高的控温精度和较小的温度波动区间。

（4）以CPLD可编程逻辑器件为核心的温度控制系统，数据采样控制以及功率调整均由CPLD实现[4]。

考虑到单片机价格便宜且性能良好，可很方便地搭建电路，本文中的温度控制系统采用第一种方案，以STM32F103C8T6单片机为主处理器，改变可控硅的导通角控制加热功率进而控制温度。

温控系统的实现方案：

用单片机构建数字温度控制器。

控制原理：

通过调节双向晶闸管的导通角，控制电压波形，实现负载两端有效电压可变。

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。

FDM温度控制系统由双向晶闸管构成加热电路，如图2-1所示。

通过控制双向晶闸管的导通角，来改变负载的有效电压，控制加热功率，进而达到控制温度的目的。

当双向晶闸管全导通时，负载两端的有效电压为220V；当其全关断时，负载两端的有效电压为0V。

这样通过控制电路选择适当的触发角，可使负载两端的电压为220V和0V之间的任意值，从而保证热力系统输入热流量和输出热流量相等，温度保持不变。

图2-1加热电路

为实现对温度的精确控制，加热系统需采用独立的闭环控制系统，由温控器、可控硅、加热头及热电耦组成。

闭环控制系统的结构图如图2-2所示。

系统输出和输入相比较后产生误差通过调节驱动执行机构。

PID控制是工业过程控制中应用最广泛的一种控制形式，一般均能收到令人满意的效果，本系统同样采用模糊PID控制[11]。

当系统稳定时，输入和输出相等，即误差为零，这样使系统达到控制要求。

图2-2闭环控制系统结构图

在温控系统中一般是采用可控硅和温控器相结合，利用温控器自带的PID控制算法来实现的。

这在精度上虽然能保证，但其动态响应速度慢，喷嘴和工作台的温度由室温升到并稳定在设定值的这一过程往往要花费很多的时间，严重影响了加工效率。

而模糊控制正好弥补了PID控制的这一缺点，它能够得到较好的动态响应特性，上升时间快，鲁棒性好[12]。

但模糊控制也存在固有的缺点，容易受模糊规则有限等级的限制而引起误差，而且在偏差较小时过渡时间会过长。

为了使温度控制的稳定性和快速性得到较好的兼顾，可采用PID控制和模糊控制相结合的方法，即当e（k）≥δ时，模糊控制；当e（k）<δ时，PID控制。

e（k）为采样时刻K的偏差值。

δ的取值由被控对象的特性来定，可结合操作经验经多次调节比较确定[13]。

为了提高人机的交互性，本电路将采用基于单片机的数字化温控系统。

可根据成形材料的物理性质设定控制温度。

系统的结构图如图2-3所示。

图2-3温控系统结构图

系统设计的目标准则有：

（1）温度的测量精度，这在某种程度上说是最重要的一个环节，它的准确性直接就关系到了工作点温度误差大小。

同时它反馈的信号也是后续环节的步骤指令。

（2）响应速度要快，速度慢了滞后就严重，这样就算精度高，实质的控制精度也大打折扣了。

（3）性能稳定，它与测量精度，响应速度是设计控制系统的根本追求。

（4）工作温度的范围，它决定了系统可应用的广泛程度。

（5）放大器的线性度，线性度越好，测温就越准确，从而控制精度也越高。

（6）价格便宜，可大大提高产品竞争力，使产品在竞争中处于有力的地位[4]。

2.3STM32和ADC

STM32F103xx增强型系列使用高性能的ARMCortex-M332位的RISC内核，ARM的Cortex-M3处理器是最新一代的嵌入式ARM处理器，它为实现MCU的需要提供了低成本的平台、缩减的管脚数目、降低的系统功耗，同时提供卓越的计算性能和先进的中断系统响应。

ARM的Cortex-M3是32位的RISC处理器，提供额外的代码效率，在通常8和16位系统的存储空间上得到了ARM核心的高性能[14]。

本课题控制系统所使用的处理器为STM32系列产品中STM32F103C8T6，它属于“增强型”，的一款，工作于-40°C至+85°C的温度范围，供电电压2.0V至3.6V，可以设置工作在省电模式以保证低功率消耗的应用需求，并且具有丰富的外设资源：

●该芯片工作时最高频率可达72MHz；

●内部带有128K字节的闪存和20K字节的SRAM；

●有80个的增强I/O端口，充分满足用户的外设需求，IO口联接到两条APB总线的外设，最高达72MHz；

●一个高级定时器和三个普通定时器，均是16位寄存器模式，每个定时器还带有四条输出输入通道；

●系统带有18MHz的spi总线通讯接口、最高4.5Mbps波特率可选择的支持全双工通讯的串行通讯总线接口；

●十二个独立可配置的直接存储器通道；60个可屏蔽中断通道和16个可编程优先等级中断，为用户提供丰富的中断响应资源；

●逐次逼近型模拟数字转换器具有12位的分辨力，