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激光器电源温度控制系统硬件设计.docx
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激光器电源温度控制系统硬件设计.docx
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摘 要
随着激光加工技术的发展,激光器也在不断向前发展,激光器已成为现代激光加工
系统中必不可少的核心部分之一。激光器的正常运行需要有稳定的电源供应,即激光器
电源,激光器电源系统是一种受控供电系统,决定着激光器运行的状态。硬件电路是电
路系统的重要组成部分,其设计的合理性直接影响电路系统的性能。
本论文以激光器电源为研究对象,对其工作温度进行高精度采集,通过 A/D 转换器
进行采集放大温度模拟信号,把模拟信号转换为 STM32 单片机可以接收到的数字信号,
即电压信号,后 MCU 通过实时检测温度与散热扇的转速运用 PID 算法调控 PWM 占空比达
到对散热扇的转速控制,并反馈数据显示在显示屏上,从而达到激光器电源高精度温度
控制,本论文针对激光电源的发热问题,提出了一种温度控制器的硬件方案,设计了 PCB
电路,分析了散热性能。
关键词:激光器电源;温度控制系统;STM32 单片机;硬件电路设计;PCB
Hardware design of laser power supply high precision
temperature control system
Abstract
With the development of laser processing technology, lasers are also constantly moving
forward. Lasers have become one of the indispensable core parts in modern laser processing
systems. The normal operation of the laser requires a stable power supply, that is, the laser
power supply. The laser power supply system is a controlled power supply system that
determines the operating state of the laser. The hardware circuit is an important part of the
circuit system, and the rationality of its design directly affects the performance of the circuit
system.
This thesis takes the laser power supply as the research object, collects its working
temperature with high precision, collects and amplifies the temperature analog signal through
the A / D converter, and converts the analog signal into a digital signal that can be received by
the STM32 MCU, that is, the voltage signal. The MCU detects the temperature and the speed
of the cooling fan in real time and uses the PID algorithm to adjust the PWM duty cycle to
control the speed of the cooling fan, and the feedback data is displayed on the display screen,
thereby achieving high-precision temperature control of the laser power supply. Aiming at the
problem of heat generation of laser power supply, this paper puts forward a hardware scheme
of temperature controller, designs PCB circuit and analyzes heat dissipation performance.
Keywords: laser power supply; temperature control system; STM32 microcontroller;
hardware circuit design; PCB
目 录
1 引言...........................................................................1
1.1 温度控制系统的应用与发展...................................................1
1.2 意义.......................................................................1
1.3 本设计要完成的目标.........................................................2
2 具体实施方案的论证.............................................................3
2.1 高精度温度控制系统简介.....................................................3
2.2 实施方案的论证.............................................................4
2.2.1 主控板电路...........................................................4
2.2.2 散热结构.............................................................4
2.2.3 温度测量与控制部分...................................................5
2.2.4 显示屏部分...........................................................6
2.2.5 系统框图.............................................................6
3 硬件整体设计...................................................................7
3.1 电源电路部分设计...........................................................7
3.2 单片机主控部分设计.........................................................9
3.2.1 STM32F103 最小系统设计...............................................9
3.2.2 触摸屏电路部分.......................................................9
3.2.3 PWM 输出部分........................................................11
3.3 温度测量与控制电路部分....................................................12
3.4 散热结构..................................................................14
3.4.1 散热片.......................................................... ...14
3.4.2 PWM 散热风扇.......... .......................................... ..15
4 系统程序的设计与调试..........................................................16
4.1 本系统程序设计流程图......................................................16
4.2 单片机主控部分............................................................17
4.2.1 初始化程序设计........................................................17
4.2.2 显示功能程序设计......................................................17
4.2.3 PID 算法程序设计......................................................18
参考文献 .......................................................................19
致谢............................................................................20
附录............................................................................21
1
1 引言
1.1 温度控制系统的应用与发展
温度控制系统无论在国内还是国外都已经发展得十分成熟,但在我国国内温度控制系统还是会
有很多的缺点,和国外相比缺陷会比较明显。成熟的温度控制系统一般采用“点位”控制方法和 PID
算法控制,其精确性各有不同,本设计运用了较为常用的 PID 算法。PID 算法一般只能应用于一些
比较简单的温度控制系统,在一些较为高级和智能的系统中国内暂时还没有完善的解决方案,形成
商品化的高精度温度控制仪器的开发也有待提高。随着我国经济的发展,国家也越来越重视高新技
术的研发,越来越多的高精度仪器也越来越普及,我国在温度控制领域也逐渐跨向世界。
现今,温度控制器从集成电路控制器逐渐更新换代到现在的高度智能化的控制器,甚至可以 AI
自动学习温度控制的规律,实现真正意义上的人工智能控制,智能控制器是集成了计算机技术,微
调控技术和电子技术等的控制器,最重要的是它能输出温度数据与控制信号,而且其也是建立在硬
件开发基础上通过软件进行控制的,软件的开发水平也直接或者间接影响到其开发的速度与完整度,
现在正处于高速度、高度集成、总线集成化的发展阶段。
1.2 意义
温度在人类社会中扮演着极为重要的角色,无论是工业上的还是电子科技上都起着关键的作用,
比如在水泥、玻璃和钢铁的制造当中基本上都离不开温度的调控,本文中的激光器电源也一样,温
度的变化直接或间接地会对电源的输出能力造成影响,像激光器这一类高精度的设备是容不下太大
的误差的,就算是看似微不足道的静电也可能对激光设备造成不可修复的破坏。温度的调控是许多
设备必须具有的功能,其主要作用是将温度控制在生产所需要的温度指标之内,为工业上的生产和
加工提供稳定的环境。在生活和生产中温度的细节变化是会决定生活和生产的质量的,因此适宜的
温度控制手段是具有重要的意义的,现代化工业上根据不同产品的生产属性(生产工艺,如燃料、
金属熔点、热处理的方式等)要对其进行温度上的处理如使用各种加热设备、热处理设备、反应炉
等,在控制方面有多种控制方式,如 PID 调控、DDC 调控还有模糊控制等控制方式。考虑到温度控
制对激光器电源如此的重要,因此在本论文中主要探讨温度控制系统为激光器电源领域的发展和应
用做出贡献。
2
1.3 本设计要完成的目标
本论文提及的的设计要求是能够通过单总线连接多个温度传感器实现资源利用的最大化,系统
中允许的温度变化的最大范围内通过 A/D 转换把温度传感器传递给单片机的模拟信号转换为数字
信号输送给单片机,单片机通过程序上设定的温度对传感器温度进行比较运算分别得到三个温度传
感器的温度的平均值的大小,从而执行温度的控制(散热/加热),并且单片机通过 PID 算法对温度
的偏移量进行精确计算,达到温度的偏移量与单片机输出的 PWM 信号成正比达到扇热器运行功率
的精准调控。单片机连接 TFTLCD 触摸屏,把三组温度传感器的状态和其对应温度的示数显示在屏
幕上,并可以通过触摸屏对温度的上下限进行设置和查看温度变化的实时数据,并可以通过温度控
制系统主控板与电脑相连接对温度与加热/散热模式进行设置和控制。
得到上述的温度控制目标接下来要完成的工作比较多,首先,根据设计的需求需要选择对应的
温度传感器,其中包括传感器的型号、温度参数、型号类型等,在本设计中选择的是铂电阻温度传
感器,铂电阻精度高、稳定性好,其具有一定的非线性规律但总体上组织的变化与温度的变化成正
比,本设计使用的是 A 级±(0.15+0.002|t|)初始阻值为 R0=100Ω的 Pt100 铂电阻;其次,需要对
温度传感器传输到模数转换模块的信号进行放大和滤波,通过 HX711 模数转换芯片依据时钟脉冲的
个数输出二进制补码信号从而得到铂电阻反馈回来的温度,一个 HX711 芯片最多可以同时转换两个
温度传感器的数据;再者选择显示设备达到人机交互的目标,本设计中选择的是较为便宜的电阻触
摸屏 TFTLCD 触摸屏,由于其体积较小显示和触摸功能求全,那么在设计 PCB 板的时候就可以大大
降低成本了。
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南抖北快东卫
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