CN103529874A

CN103529874A - 一种用于纳米压印机的温度控制系统

Info

Publication number: CN103529874A
Application number: CN201310512147.4A
Authority: CN
Inventors: 王晶
Original assignee: Wuxi Imprint Nano Technology Co Ltd
Current assignee: Wuxi Imprint Nano Technology Co Ltd
Priority date: 2013-10-25
Filing date: 2013-10-25
Publication date: 2014-01-22

Abstract

本发明公开了一种用于纳米压印机的温度控制系统，包括处理器以及分别与处理器相连的温度采集电路、控制电路、存储器和输入输出模块；所述的温度采集电路包括依次连至处理器的温度传感器Pt100和集成运算放大器LM358；所述的控制电路包括分别与处理器相连的加热电路和冷却电路；所述的输入输出模块包括分别与处理器相连的键盘和显示屏。本发明提供的用于纳米压印机的温度控制系统采用飞思卡尔的Kinetis KE02作为处理器，具有低成本、高性能，配合PID对温度进行控制，确保纳米压印机在使用过程中温度保持在适当的范围内，符合工业级的可靠性和温度要求。

Description

一种用于纳米压印机的温度控制系统

技术领域

本发明涉及纳米级结构和器件加工领域，具体涉及一种用于纳米压印机的温度控制系统。

背景技术

热塑纳米压印技术的温度要控制在适当的范围。如果温度太低，聚合物的流动性不够，且可逆流动所占的比例较大，撤模后图形的变形较大；如果温度太高，可能破坏聚合物分子链本身的结构，使图形区域产生较多缺陷。市场上提供的多数纳米压印机对温度控制不精确，导致压印后的产品不能符合要求。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供的用于纳米压印机的温度控制系统，采用飞思卡尔芯片、PID控制，对温度控制更加精确，保证良好的压印效果。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种纳米压印机的温度控制系统，包括处理器以及分别与处理器相连的温度采集电路、控制电路、存储器和输入输出模块；所述的温度采集电路包括依次连至处理器的温度传感器Pt100和集成运算放大器LM358；所述的控制电路包括分别与处理器相连的加热电路和冷却电路。

作为优选，所述的处理器包括飞思卡尔的Kinetis KE02，先进的电磁兼容性和静电放电保护特性，提供强大的抗噪性能，卓越的电快速瞬变脉冲群/静电放电（EFT/ESD）性能，工作电压：2.7V～5.5V，环境温度范围：-40℃～+105℃，最高20MHz的ARMCortex-M0+内核，单周期32位×32位倍增器，单周期输入/输出接入端口，高达64KB的闪存，256B的EEPROM，最高4KB的RAM。

作为优选，所述的加热电路包括SSR固态继电器以及与之相连的电热丝；所述的冷却电路包括控制阀以及与之相连的水箱。

作为优选，所述的存储器为FLASH。

PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器是一只线性控制器，它根据给定值(r)t与被控变量实际输出值(c)t构成控制偏差：e(t)=r(t)–c(t)；r(t)为给定值，c(t)为被控变量；将控制偏差e(t)的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。PID控制器的输出为

P = K_{p} [e (t) + \frac{1}{T_{i}} &Integral; e (t) dt + T_{d} \frac{de (t)}{dt}]

其中，K_p为比例增益，T_i为积分时间，T_d为微分时间，P为控制量，e(t)为控制偏差。

设P（k）为第k次采样时刻控制器的输出值，由差分代替，积分∫e(t)dt可由Σe_kT，可得离散的PID算式：

P = K_{p} [e (k) + \frac{1}{T_{i}} Σ_{i = 0}^{k} T + T_{d} \frac{e_{k} - e_{k - 1}}{T}],

写成递推形式为：

{Δu}_{k} = u_{k} - u_{k - 1} = K_{p} [(e_{k} - e_{k - 1}) + \frac{T}{T_{i}} e_{k} + \frac{T_{d}}{T} (e_{n} - {2 e}_{k - 1} + e_{k - 2})]

= K_{p} (e_{k} - e_{k - 1}) + K_{i} e_{k} + K_{d} (e_{n} - 2 e_{k - 1} + e_{k - 2})

= P_{P} + P_{I} + P_{D}

显然，PID计算Δu_k只需要保留现时刻u_k以及以前的两个偏差量u_k-1和u_k-2。初始化程序初值u_k-1＝u_k-2＝0。通过采样并根据参数K_p、K_d、K_i以及u_k、u_k-1和u_k-2计算Δu_k。根据输出控制增量Δu_k，可求出本次控制输出为：

u_k＝u_k-1+Δu_k＝u_k-1+P_P+P_I+P_D

下面对PID运算加以说明：

所有的数都变成定点纯小数进行处理。算式中的各项有正有负，以最高位作为符号位，最高位为0表示为正数，为1表示负数。正负数都是补码表示，最后的计算以原码输出。

16位进行计算，最后将运算结果取成高8位有效值输出。输出控制量u_k的限幅处理。为了便于实现对晶闸管的通断处理，PID的输出在0～250之间。大于250或小于0的控制量都是没有意义的，因在算法上对u_k进行限幅，即

K_{p} = \begin{matrix} u_{\min} & u_{k} \leq u_{\min} \\ u_{k} & u_{\min} < u_{k} < u_{\max} \\ u_{\max} & u_{k} &GreaterEqual; u_{\max} \end{matrix}

由于输出P（k）直接控制执行机构，如阀门，P（k）的值与执行机构位置（如阀门开度）相对应。

有益效果：本发明提供的用于纳米压印机的温度控制系统采用飞思卡尔芯片，具有低成本、高性能、先进的电磁兼容性和静电放电保护功能；采用PID对温度进行控制，确保纳米压印机子在使用过程中温度保持的适当的范围内，符合工业级的可靠性和温度要求。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示的用于纳米压印机的温度控制系统，包括处理器、温度传感器、集成运算放大器、电热丝、SSR固态继电器、水箱、控制阀、键盘、显示屏和存储器；所述的温度传感器经集成运算放大器连至处理器；所述的电热丝经SSR固态继电器连至处理器；所述的水箱经控制阀连至处理器；所述的键盘、显示屏和存储器分别与处理器相连。

本发明的工作原理如下：通过键盘设置运行时的温度值，并且用显示屏这个温度值。在运行过程中温度传感器采集的温度经集成运算放大器放大后上传至处理器，再将转换后的数字量用显示屏进行显示，处理器对设置的温度值与采集到的温度值相比较，如果比较结果是采集到的温度高于设置温度，则单片机通过控制阀控制水箱进行降温；如果比较结果是采集到的温度低于设置温度，则单片机通过SSR固态继电器来控制电热丝升温；直到达到规定的温度。

键盘输入设定温度信号给单片机，温度信号采集电路采集现场温度信号给单片机，单片机根据输入与反馈信号的偏差进行PID计算，输出反馈量给温度控制电路，实现升温。显示电路实现现场温度的实时监控。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于纳米压印机的温度控制系统，其特征在于：包括处理器以及分别与处理器相连的温度采集电路、控制电路、存储器和输入输出模块；

所述的温度采集电路包括依次连至处理器的温度传感器Pt100和集成运算放大器LM358；

所述的控制电路包括分别与处理器相连的加热电路和冷却电路；

所述的输入输出模块包括分别与处理器相连的键盘和显示屏。

2.根据权利要求1所述的用于纳米压印机的温度控制系统，其特征在于：所述的处理器包括飞思卡尔的Kinetis KE02，采用PID控制。

3.根据权利要求1所述的用于纳米压印机的温度控制系统，其特征在于：所述的加热电路包括SSR固态继电器以及与之相连的电热丝；所述的冷却电路包括控制阀以及与之相连的水箱。

4.根据权利要求1所述的用于纳米压印机的温度控制系统，其特征在于：所述的存储器为FLASH。