CN107509279B - 3d打印光源控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于TMS320F2812单片机的3D打印光源控制系统，用于控制光源的光照强度和光源温度，从而达到精确成型，减少材料浪费的目的。该控制系统包括：主电路、PWM驱动电路、温度探测电路、紫外线探测电路、单片机，所述PWM驱动电路包括4路驱动电路，分别连接单片机的4个PWM输出端口，输入信号PWM1、PWM2、PWM3、PWM4，并输出4路开关管的控制信号；所述主电路包括电压控制电路、电流控制电路、软开关电路和紫外光控制电路。温度探测电路用于采集光源的温度，紫外线探测电路用于探测光源的光照强度，TMS320F2812单片机，与每个子模块都有接口，实现对各个模块的控制。本发明的3D打印光源控制系统结构精简，能够有效调节光源温度和光照强度，实现对光源的控制。

Description

3D打印光源控制系统

技术领域

本发明涉及到3D打印技术领域，具体为一种利用单片机控制3D打印光源温度及光照强度的系统。

背景技术

单片机利用集成电路技术将中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能集成到一块硅片上，具有可靠性高、功耗低、扩展灵活、体积小、价格低等特点，被广泛应用于过程控制等领域。

3D打印是一种快速成型技术，它以数字模型为基础，利用软件将模型分层离散，由数控成型系统利用紫外线、热熔等方式将粉末状金属或塑料凳可结合材料在X-Y平面逐层扫描，并在Z轴堆积粘合，叠加成实体产品。该技术在模具制造、工业设计、牙科、医疗、教育及其他领域都有所应用。

光固化快速成型是目前加工精度最高的一种3D打印技术，其工作原理为：用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料表面，让它由点到线，由线到面顺序凝固，每次完成一个层面的固化，然后，工作台平移一个层厚的高度，完成另一个层面的固化，层层叠加形成一个三维立体图。与此可见，光源是光固化快速成型中必不可少的一部分。然而现有技术对光源的控制存在一定的缺陷，容易造成打印材料的浪费以及成型精度不高的问题，为此，本发明设计了一种基于TMS320F2812单片机的3D打印光源控制系统。

发明内容

本发明针对3D打印中光照强度受频率和距离影响的问题，提出一种基于单片机的3D打印光源控制系统，实现对光照强度的有效控制。采用TMS320F2812单片机对光源的温度和光照强度进行有效地控制，能够提高打印材料的利用率和成型精度。

按照本发明提供的技术方案，所述3D打印光源控制系统包括：主电路、PWM驱动电路、温度探测电路、紫外线探测电路、单片机，所述PWM驱动电路包括4路驱动电路，分别连接单片机的4个PWM输出端口，输入信号PWM1、PWM2、PWM3、PWM4，并输出4路开关管的控制信号；所述主电路包括电压控制电路、电流控制电路、软开关电路和紫外光控制电路，所述电压控制电路包括：5V精密电源、电感L1、二极管D1、电容C1、NMOS管Q1、电阻R1、电阻R2，NMOS管Q1漏极经过电感L1连接5V精密电源的正极，以及经过二极管D1连接电阻R1的一端和电容C1的一端，NMOS管Q1源极分别连接5V精密电源的负极、电阻R2的一端、电容C1的另一端并接地，NMOS管Q1栅极连接第一路开关管控制信号，电阻R1另一端与电阻R2另一端相连并输出第一采样电压AD1；所述电流控制电路包括：NMOS管Q3、变压器T、二极管D3、二极管D4、电感L2、电容C4、电阻R0，NMOS管Q3漏极连接电阻R2的一端，NMOS管Q3源极连接变压器T初级的一端，变压器T初级的另一端连接电阻R1的一端，变压器T次级的一端经过二极管D3连接电感L2一端以及二极管D4阴极，电感L2另一端连接电容C4的一端，变压器T次级的另一端连接二极管D4阳极、电容C4另一端并接地，NMOS管Q3栅极连接第三路开关管控制信号；所述软开关电路包括：电感L0、NMOS管Q4、电容C0，电感L0一端连接电容C4的一端，电感L0另一端连接NMOS管Q4漏极和电感C0的一端，NMOS管Q4源极和电感C0的另一端相连并接地，NMOS管Q4栅极连接第四路开关管控制信号；所述紫外光控制电路包括：NMOS管Q2、二极管光源D5，NMOS管Q2漏极经过二极管光源D5连接电容C0的一端，NMOS管Q2源极在输出信号AD20的同时经过电阻R0接地，NMOS管Q2栅极连接第二路开关管控制信号；信号AD20经过二级放大电路放大输出第二采样电压AD2至单片机；所述二极管光源D5与温度探测电路中的检测元件以及紫外线探测电路中的检测元件紧贴；利用电阻R1、R2组成的分压电路，将第一采样电压AD1送入单片机进行反馈控制，通过控制PWM1的占空比控制NMOS管Q1的导通和关断，实现电压或电流闭环控制；采样电阻R0的电压经二级放大电路放大后送入单片机进行反馈控制，通过控制PWM3的占空比控制NMOS管Q3，给3D打印机的二极管光源D5提供稳定的电流源，实现电流的反馈控制；所述紫外光控制电路根据3D打印系统要求，通过控制PWM2的占空比控制NMOS管Q2的导通和关断，实现二极管光源D5的开断频率控制，温度探测电路和紫外线探测电路完成光源检测，并分别输出检测信号AD3和AD4到单片机，当采集光源的温度、光照强度与给定不等时，单片机进行补偿，修正PWM2的占空比，通过紫外光控制电路实现闭环控制；软开关电路通过控制PWM4的占空比控制NMOS管Q4的导通和关断，谐振元件L0、C0在开关过程前后引入谐振，消除电压、电流的重叠，同时降低开关噪声和损耗。

具体的，所述单片机为TMS320F2812单片机。

具体的，所述二级放大电路为两个放大电路级联而成，第一级电路的输出连接到第二级的输入端构成一个完整的放大电路。

具体的，由单片机发出的4路PWM信号实现对主电路开关Q1、Q2、Q3、Q4导通和截止的控制：通过控制开关Q1的导通和关断来控制回路电压，维持电路的稳定；通过控制开关Q2的导通和截止控制二极管光源D5的亮闪频率；通过控制开关Q3的导通和截止实现对二极管光源D5两端电流的控制；Q4的作用为软开关，即通过增加谐振元件，使得开关过程中引入谐振。

具体的，所述温度探测电路的检测元件为热敏电阻，温度探测电路采集光源的温度信息给单片机，当采集的温度与给定不等时，单片机进行补偿，对光源温度进行控制；当温度过高时，一方面由单片机进行补偿，修正PWM2的占空比，另一方面3D打印系统增大冷却剂的供给量，从而实现对光源温度的控制。

具体的，所述紫外线探测电路的检测元件为光敏二极管，紫外线探测电路将光照强度的变化转换为电流信号的变化实时采集传送给单片机，从而实现对光源光照强度的控制。

本发明的优点如下：

1、本发明的3D打印光源控制系统结构精简，能够有效调节光源温度和光照强度，实现对光源的控制。

2、本发明通过对光照强度的有效控制提高材料利用率和成型精度。

3、本发明各子模块间联系密切，稳定性和可靠性高。

4、本发明采用了低电压、低功耗、具有强大处理能力的TMS320F2812单片机，节约生产成本，提高控制效率。

附图说明

图1为本发明的主电路。

图2为二级放大电路。

图3为温度探测电路。

图4为紫外线探测电路。

图5为驱动电路一。

图6为驱动电路二。

图7为驱动电路三。

图8为驱动电路四。

图9为TMS320F2812单片机芯片的引脚图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

本实施例基于考虑TMS320F2812单片机电压低、功耗低、处理能力强大以及系统工作稳定的特点，设计了一种3D打印光源控制系统。该系统中的TMS320F2812单片机与每个子模块都有相应的接口进行连接，温度传感器电路感测的光源温度、紫外线传感器感测的光照强度数据通过A/D转换接口传给单片机进行处理，在与单片机相连的显示模块(LCD)上进行显示，当光源温度过高或者紫外线强度过大/过小时，单片机将进行相应的控制调整，实现系统的实时监控。

如图1所示，基于TMS320F2812单片机的3D打印光源控制系统采用5V精密电源为主电路供电。主电路包括三个MOSFET构成的控制系统：电压控制电路、电流控制电路和紫外光控制电路。

(1)所述电压控制电路包括：5V精密电源、电感L1、二极管D1、电容C1、NMOS管Q1、电阻R1、电阻R2，NMOS管Q1漏极经过电感L1连接5V精密电源的正极，以及经过二极管D1连接电阻R1的一端和电容C1的一端，NMOS管Q1源极分别连接5V精密电源的负极、电阻R2的一端、电容C1的另一端并接地，NMOS管Q1栅极连接第一路开关管控制信号，电阻R1另一端与电阻R2另一端相连并输出第一采样电压AD1。利用R1、R2组成的分压电路，将采样电压AD1送入单片机进行反馈控制，通过控制PWM1的占空比控制开关Q1的导通和关断，实现电压/电流闭环控制；

(2)所述电流控制电路包括：NMOS管Q3、变压器T、二极管D3、二极管D4、电感L2、电容C4、电阻R0，NMOS管Q3漏极连接电阻R2的一端，NMOS管Q3源极连接变压器T初级的一端，变压器T初级的另一端连接电阻R1的一端，变压器T次级的一端经过二极管D3连接电感L2一端以及二极管D4阴极，电感L2另一端连接电容C4的一端，变压器T次级的另一端连接二极管D4阳极、电容C4另一端并接地，NMOS管Q3栅极连接第三路开关管控制信号。采样电阻R0(本实施例中采用0.02Ω)的电压经二级放大电路放大后送入单片机进行反馈控制，通过控制PWM3的占空比控制Q3，给紫外二极管(3D打印机光源)提供稳定的电流源，实现电流的反馈控制。

(3)所述紫外光控制电路包括：NMOS管Q2、二极管光源D5、电阻R0，NMOS管Q2漏极经过二极管光源D5连接电容C0的一端，NMOS管Q2源极在输出信号AD20的同时经过电阻R0接地，NMOS管Q2栅极连接第二路开关管控制信号；信号AD20经过二级放大电路放大输出第二采样电压AD2至单片机。根据3D打印系统要求，通过控制PWM2的占空比控制Q2的导通和关断，实现光源的开断频率控制，紫外传感器完成光源检测，当采集光源的温度与给定不等时，单片机进行补偿，修正PWM2的占空比，实现闭环控制。紫外控制电路中的发光二极管D5分别与温度探测电路的RT1和紫外线探测电路的光敏二极管D8紧贴。

(4)另外，由电感L0、NMOS管Q4、电容C0组成软开关电路，电感L0一端连接电容C4的一端，电感L0另一端连接NMOS管Q4漏极和电感C0的一端，NMOS管Q4源极和电感C0的另一端相连并接地，NMOS管Q4栅极连接第四路开关管控制信号。通过控制PWM4的占空比控制Q4的导通和关断，谐振元件L0、C0在开关过程前后引入谐振，消除电压、电流的重叠，同时降低开关噪声和损耗。

如图2所示，这是一个二级放大电路，与主电路输出端AD20相连接。该二级放大电路为两个放大电路级联而成，第一级电路的输出连接到第二级的输入端构成一个完整的放大电路。因为电阻R0为0.02Ω，电流为50mA，所以输出电压为1mV，二级放大倍数为1500倍时效果最佳，即AD20经过二级放大后变为AD2输出，该输出端与TMS320F2812单片机芯片接口AD2连接。

如图3所示，该电路是一个温度探测电路。该电路中的热敏电阻RT1与主电路中的发光二极管D5紧贴，当主电路输出的温度变化时，RT1阻值随之变化；当主电路温度过高时，热敏电阻RT1根据温度的变化而产生相应的调整。AD623芯片的输出端输出AD3为温度探测电路的输出，采集AD3的信息输送给单片机芯片，单片机根据温度探测电路采集的值实时调控，当温度过高时，一方面由单片机进行补偿，修正PWM2的占空比，另一方面3D打印系统增大冷却剂的供给量，从而实现对光源温度的控制。

如图4所示，该电路为一个紫外线探测电路。该电路中的光敏二极管D8与主电路中发光二极管D5紧贴。光敏二极管相当于一种探测器，它是能够将光转换成电压或电流信号的光探测器。紫外线探测电路运用光敏二级管的特性，当发光二极管的光照强度发生变化时，光敏二极管根据光照强弱改变电路中的电流，该变化经探测电路输出端AD4传递给TMS320F2812单片机芯片，单片机芯片AD4端接收变化信号，并实时处理。

如图5～图8所示为4个驱动电路。该4个驱动电路的PWM1，PWM2，PWM3，PWM4端口分别与TMS320F2812单片机芯片的PWM1，PWM2，PWM3，PWM4端口相连接，经光耦A3120转化，输出4路开关管控制信号，实现由单片机发出的PWM信号对主电路中开关Q1、Q2、Q3、Q4导通和截止的控制。通过控制开关Q1的导通和关断来控制回路电压，维持电路的稳定；通过控制开关Q2的导通和截止控制LED的亮闪频率；通过控制开关Q3的导通和截止实现对发光二极管D5两端电流的控制。Q4为软开关，即通过在原电路中增加小电感、电容等谐振元件，使得开关过程中引入谐振，消除电压、电流的重叠。

如图9所示，本实施例采用TMS320F2812单片机芯片作为主控芯片，该芯片功能强大，运行速度快。TMS320F2812采用改进的哈佛结构，内部有数据和程序两条总线，程序和数据空间分开，分别有各自的地址总线和数据总线，可以同时完成获取指令和读取数据操作。在TMS320F2812上有EVA和EVB两个事件管理器，能够实现机电设备控制的多种必要功能，每个事件管理器包括定时器、比较器、PWM逻辑电路、中断逻辑电路等；TMS320F2812通过A/D转换接口将模拟信号转换成数字量，利用A/D转换实现运动控制系统的闭环控制；TMS320F2812有高速同步串行通信接口SPI和异步通信接口SCI，能够实现设备间的串行通信和与其他的外设进行通信；F2182上的采用增强型eCAN接口的CAN总线，抗干扰能力强，能够构建可靠地CAN总线控制；TMS320F2812引脚中的一部分可以作为特殊功能引脚或普通的GPIO引脚，使用灵活方便。除此之外，TMS320F2812还包括PLL时钟模块，外部中断结构、存储器接口以及看门狗。本发明采用TMS320F2812单片机与每个子模块都有相应的接口进行连接，温度传感器电路感测的光源温度、紫外线传感器感测的光照强度数据通过A/D转换接口传给单片机进行处理，当光源温度过高或者紫外线强度过大/过小时，单片机将进行相应的控制调整，实现系统的实时监控。

综上，本发明所述的3D打印光源控制系统，采用TMS320F2812单片机进行对光源进行控制，能够有效地提高材料利用率和成型精度。单片机能够根据传感器采集的信息反馈及时有效地进行处理，实现实时控制。此外，利用TMS320F2812单片机对光源进行控制能够节约打印成本，提高打印效率。

Claims (6)

1.3D打印光源控制系统，其特征为，包括：主电路、PWM驱动电路、温度探测电路、紫外线探测电路、单片机，所述PWM驱动电路包括4路驱动电路，分别连接单片机的4个PWM输出端口，输入信号PWM1、PWM2、PWM3、PWM4，并输出4路开关管的控制信号；所述主电路包括电压控制电路、电流控制电路、软开关电路和紫外光控制电路，所述电压控制电路包括：5V精密电源、电感L1、二极管D1、电容C1、NMOS管Q1、电阻R1、电阻R2，NMOS管Q1漏极经过电感L1连接5V精密电源的正极，以及经过二极管D1连接电阻R1的一端和电容C1的一端，NMOS管Q1源极分别连接5V精密电源的负极、电阻R2的一端、电容C1的另一端并接地，NMOS管Q1栅极连接第一路开关管控制信号，电阻R1另一端与电阻R2另一端相连并输出第一采样电压AD1；所述电流控制电路包括：NMOS管Q3、变压器T、二极管D3、二极管D4、电感L2、电容C4、电阻R0，NMOS管Q3漏极连接电阻R2的一端，NMOS管Q3源极连接变压器T初级的一端，变压器T初级的另一端连接电阻R1的一端，变压器T次级的一端经过二极管D3连接电感L2一端以及二极管D4阴极，电感L2另一端连接电容C4的一端，变压器T次级的另一端连接二极管D4阳极、电容C4另一端并接地，NMOS管Q3栅极连接第三路开关管控制信号；所述软开关电路包括：电感L0、NMOS管Q4、电容C0，电感L0一端连接电容C4的一端，电感L0另一端连接NMOS管Q4漏极和电感C0的一端，NMOS管Q4源极和电感C0的另一端相连并接地，NMOS管Q4栅极连接第四路开关管控制信号；所述紫外光控制电路包括：NMOS管Q2、二极管光源D5，NMOS管Q2漏极经过二极管光源D5连接电容C0的一端，NMOS管Q2源极在输出信号AD20的同时经过电阻R0接地，NMOS管Q2栅极连接第二路开关管控制信号；信号AD20经过二级放大电路放大输出第二采样电压AD2至单片机；所述二极管光源D5与温度探测电路中的检测元件以及紫外线探测电路中的检测元件紧贴；利用电阻R1、R2组成的分压电路，将第一采样电压AD1送入单片机进行反馈控制，通过控制PWM1的占空比控制NMOS管Q1的导通和关断，实现电压或电流闭环控制；采样电阻R0的电压经二级放大电路放大后送入单片机进行反馈控制，通过控制PWM3的占空比控制NMOS管Q3，给3D打印机的二极管光源D5提供稳定的电流源，实现电流的反馈控制；所述紫外光控制电路根据3D打印系统要求，通过控制PWM2的占空比控制NMOS管Q2的导通和关断，实现二极管光源D5的开断频率控制，温度探测电路和紫外线探测电路完成光源检测，并分别输出检测信号AD3和AD4到单片机，当采集光源的温度、光照强度与给定不等时，单片机进行补偿，修正PWM2的占空比，通过紫外光控制电路实现闭环控制；软开关电路通过控制PWM4的占空比控制NMOS管Q4的导通和关断，谐振元件L0、C0在开关过程前后引入谐振，消除电压、电流的重叠，同时降低开关噪声和损耗。

2.根据权利要求1所述的3D打印光源控制系统，其特征是，所述单片机为TMS320F2812单片机。

3.根据权利要求1所述的3D打印光源控制系统，其特征是，所述二级放大电路为两个放大电路级联而成，第一级电路的输出连接到第二级的输入端构成一个完整的放大电路。

4.根据权利要求1所述的3D打印光源控制系统，其特征是，由单片机发出的4路PWM信号实现对主电路开关Q1、Q2、Q3、Q4导通和截止的控制：通过控制开关Q1的导通和关断来控制回路电压，维持电路的稳定；通过控制开关Q2的导通和截止控制二极管光源D5的亮闪频率；通过控制开关Q3的导通和截止实现对二极管光源D5两端电流的控制；Q4的作用为软开关，即通过增加谐振元件，使得开关过程中引入谐振。

5.根据权利要求1所述的3D打印光源控制系统，其特征是，所述温度探测电路的检测元件为热敏电阻，温度探测电路采集光源的温度信息给单片机，当采集的温度与给定不等时，单片机进行补偿，对光源温度进行控制；当温度过高时，一方面由单片机进行补偿，修正PWM2的占空比，另一方面3D打印系统增大冷却剂的供给量，从而实现对光源温度的控制。

6.根据权利要求1所述的3D打印光源控制系统，其特征是，所述紫外线探测电路的检测元件为光敏二极管，紫外线探测电路将光照强度的变化转换为电流信号的变化实时采集传送给单片机，从而实现对光源光照强度的控制。