单片机热转印机.docx
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单片机热转印机
技师核心技术专题研修
设计说明书
课题名称热转印机设计和制造
专业班级
学生姓名
学号
指导教师
宁波技师学院电气技术系
二零一二年十月
摘要
本文所讲述的热转印机设计,温度可以在范围40-140℃范围内设置,监测范围0-150℃,温度控制精确到1℃,并且实时显示温度值。
热转印滚轴的转速可设置范围为5-30转/10分钟等。
本设计通过铂电阻PT100进行温度的采集,并由STC12C5A60S2单片机进行A/D处理和温度的PID运算,再控制双向可控硅BTA12-600B在一定周期内的导通时间,从而控制石英加热管的温度。
在电机控制方面,本设计为了降低成本采用控制步进电机的控制方式来控制同步电机60KTYZ的4根相线。
单片机输出的控制信号,经过4N35光电开关隔离,控制两组功率驱动芯片TDA2003的输出,驱动同步电机并可控制电机的转向。
关键字:
热转印机、STC12C5A60S2、PID控温、TDA2003功率驱动芯片、60KTYZ同步电机控制
目录
1.引言...1
2.设计控制要求2
2.1设计特点2
2.2设计要求和注意事项2
2.2.1设计要求2
2.2.2注意事项2
3.硬件设计3
3.1总体方案介绍3
3.2.单片机4
3.2.1STC12C5A60S2单片机4
3.2.2单片机管脚说明4
3.2.3单片机A/D转换结构5
3.2.4STC12C5A60S2的优缺点6
3.3.温度采集6
3.3.1温度传感器的选择6
3.3.2运算放大芯片8
3.4矩阵键盘8
3.4.2键盘电路9
3.4.3键盘程序9
3.5.电加热10
3.5.1电加热控制元件10
3.5.2电加热元件10
3.5.3石英加热性能与用途11
3.5.4石英管主要参数11
3.5.5电加热电路12
3.5.6PID的温度控制程序13
3.6.电机14
3.6.1电机选择14
3.6.2电机驱动芯片15
3.7.液晶显示16
3.7.112864液晶16
3.7.212864液晶基本特性16
3.7.312864液晶管脚介绍17
4钣金制作18
4.1钣金设计设想18
4.2液晶屏隔热18
4.2.1隔热元件18
4.3钣金20
5调试21
5.1热转印机调试思路21
5.2电源电路调试21
5.3按键控制与显示调试21
5.4电机控制调试21
5.5整体调试22
6.操作使用23
6.1按钮控制说明23
6.2开机前的检查和准备工作24
6.3启动制版机24
6.4转移制板25
6.5关闭制版机25
6.6注意事项25
7总结26
9.参考文献27
附录1电气原理图28
1.引言
进入2012年我国热转印机行业面临新的发展形势,由于新进入企业不断增多,上游原材料价格持续上涨,导致行业利润降低,因此我国热转印机行业市场竞争也日趋激烈。
面对这一现状,热转印机行业业内企业要积极应对,注重培养创新能力,不断提高自身生产技术,加强企业竞争优势,于此同时热转印机行业内企业还应全面把握该行业的市场运行态势,不断学习该行业最新生产技术,了解该行业国家政策法规走向,掌握同行业竞争对手的发展动态,只有如此才能使企业充分了解该行业的发展动态及自身在行业中所处地位,并制定正确的发展策略以使企业在残酷的市场竞争中取得领先优势。
随着电子工业的发展,在学校或在社会从事电子工业的人越来越多,而热转印机也成为了不可缺少的一部分,因为制作一些简单的电路板时我们常常要用到热转印机,学习单片机,热转印机的应用更是不可或缺的环节。
而我们这次设计并制作出热转印机也是看重这点,从选择单片机开始,到后来的控制温度和石英管电加热,12864液晶显示,电机的选择,都仔细的选择务求做出的实物能够更好。
2.设计控制要求
2.1设计特点
本设计是设计一台热转印机,主要使用单片机控制设备运行、恒温控制和液晶显示,同步电机的转速控制。
能显示实时温度、设置温度、电机转向和转速,通过矩阵键盘来控制设备的启停、温度的设定和电机的转速调节。
使其达到制板精度高,制板成本低廉,制板速度快,多用途,自动化程度高、操作极简单。
2.2设计要求和注意事项
2.2.1设计要求
1.温度控制范围40-140℃,可设置温度值,监测范围0-140℃,温度控制精确到1℃。
2.可以控制同步电机的转速,转速为:
5-30转/10分钟。
3.12864液晶能显示出设定温度值、当前温度值、电机转向和转速。
4.能控制热转印机的启停,热转印通上电后要按下启动键才能进行使用,按下停止使用按键时,温度停止加热,当温度过高时电机则继续转动,当降到一定温度值的时候,电机停止转动,会显示出请关掉电源。
5.设定温度值与电机转向是以数字形式进行输入,起到操作方便的作用。
6.敷铜板通过热转印机最大制板宽度:
270mm,最大制板厚度:
1.5mm。
2.2.2注意事项
1.温度采集过程要注意采集的最小电压信号(电压差值)可以被A/D模块识别,最大电压信号经过运算放大后不能超过基准电压5V。
2.电加热时,单片机必须与强电电路隔离,保护单片机不被损坏。
3.电机的转速不能过快,转矩必须足够带动4根转轴及覆铜板进行工作。
4.显示过程中,显示稳定,亮度足够。
5.单片机的各种灌电流必须在自身的可承受范围内,维持单片机长期工作不被损伤。
3.硬件设计
3.1总体方案介绍
本次设计中我们需要用到30个I/O口,所以我们选择51芯片或STC芯片。
来作为我们的单片机的芯片,而AT89C51芯片具有32个I/O口,其优点:
指令简单,易学易懂,外围电路简单,硬件设计方便,I/O口操作简单,无方向寄存器,资源丰富,价格便宜容易购买,资料丰富容易查到,程序烧写简单,但没带A/D芯片,而STC芯片在51的基础上增加了内置A/D模块,并且加密性强很难解密或破解和超强抗干扰性能更加适用于我们当前设计使用。
在现实设计中很多技术人员编程经常采用STC作为主芯片,内置A/D模块,所以我们采用STC12C5A60S2为我们的主芯片。
除了芯片我们还有温度采集,电加热,液晶显示,电机驱动等几个模块,在下面详细的介绍其中的元件和原理,因为这些都是我们本次设计中的重点,如图3.1为总体方案图。
图3.1总体方案图
3.2.单片机
3.2.1STC12C5A60S2单片机
图3.2.1STC12C5A60S2单片机
STC12C5A60S2单片中包含中央处理器(CPU)、程序存储器(Flash)、数据存储器(SRAM)、定时器/计数器、UART串口、I/O接口、高速A/D转换、SPI接口、PCA、看门狗及内R/C振荡器和外部晶体振荡电路等模块。
3.2.2单片机管脚说明
P0口既可以作为输入/输出口,也可以作为地址/数据复用总线使用。
当P0口作为输入/输出口时,P0是一个8位准双向口,内部有弱上拉电阻,无需外接上拉电阻。
当P0作为地址/数据复用总线使用时,是低8位地址线A0~A7,数据线D0~D7;
P1口既可以作为输入/输出口,也可以做A/D输入通道;
P1.0/ADC0/CLKOUT2
标准IO口、ADC输入通道0、独立波特率发生器的时钟输出
P1.1/ADC1
P1.2/ADC2/ECI/RxD2
标准IO口、ADC输入通道2、PCA计数器的外部脉冲输入脚,第二串口数据接收端
P1.3/ADC3/CCP0/TxD2
外部信号捕获,高速脉冲输出及脉宽调制输出、第二串口数据发送端
P1.4/ADC4/CCP1/SS非
SPI同步串行接口的从机选择信号
P1.5/ADC5/MOSI
SPI同步串行接口的主出从入(主器件的输入和从器件的输出)
P1.6/ADC7/SCLK
SPI同步串行接口的主入从出
P2.0~P2.7
P2口内部有上拉电阻,既可作为输入输出口(8位准双向口),也可作为高8位地址总线使用。
P3.0/RxD
标准IO口、串口1数据接收端
P3.1/INT0非
外部中断0,下降沿中断或低电平中断
P3.3/INT1
P3.4/T0/INT非/CLKOUT0
定时器计数器0外部输入、定时器0下降沿中断、定时计数器0的时钟输出
图3.2.2单片机管脚
3.2.3单片机A/D转换结构
STC12C5A60AD/S2系列带A/D转换的单片机的A/D转换口在P1口,有8路10位高速A/D转换器,速度可达到250KHz(25万次/秒)。
8路电压输入型A/D,可做温度检测、电池电压检测、按键扫描、频谱检测等。
上电复位后P1口为弱上拉型IO口,用户可以通过软件设置将8路中的任何一路设置为A/D转换,不须作为A/D使用的口可继续作为IO口使用。
单片机ADC由多路开关、比较器、逐次比较寄存器、10位DAC、转换结果寄存器以及ADC_CONTER构成。
该单片机的ADC是逐次比较型ADC。
主次比较型ADC由一个比较器和D/A转换器构成,通过逐次比较逻辑,从最高位(MSB)开始,顺序地对每一输入电压与内置D/A转换器输出进行比较,经过多次比较,使转换所得的数字量逐次逼近输入模拟量对应值。
逐次比较型A/D转换器具有速度高,功耗低等优点。
需作为AD使用的口先将P1ASF特殊功能寄存器中的相应位置为‘1’,将相应的口设置为模拟功能。
3.2.4STC12C5A60S2的优缺点
优点:
STC12C5A60S2是STC生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机,是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机,指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。
内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换,针对电机控制,强干扰场合。
缺点:
STC12C5A60S2单片机的价格比我AT89C51单片机贵,其编写完程序后不能进行A/D仿真,在使用A/D转换时候极其不方便。
3.3.温度采集
3.3.1温度传感器的选择
在本次设计中我们要运用到温度传感器,通过查找一下四种传感器适用与本次设计分别是热电阻、热电偶传感器、热敏电阻传感器。
PT100是铂热电阻,它的阻值会随着温度的变化而改变,PT后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆,在100℃时它的阻值约为138.5欧姆,它的工业原理:
当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆,其优点:
阻值会随着温度上升而成匀速增长,精确度高。
其缺点:
不适合测量高温区。
如图3.3.1为PT100铂热电阻。
图3.3.1.1PT100铂热电阻
热电偶传感器是一种感温元件,它把温度信号转换成热电动势信号,通过电气仪表转换成被测介质的温度,其优点:
测量精度高,热响应时间快,测量范围大,性能可靠,安装方便,其缺点:
要加上补偿电路且材料价高,变化率小,需修正冷接点温度。
图3.3.1.2热电偶传感器
热敏电阻传感器是由一些金属氧化物,按照不同比例的配方,经高温烧结而成的半导体,它是利用半导体的电阻值随温度变化这一特性工作的,其优点:
可测量到小范围内的温度,变化率较大,其缺点:
变化率非线性,不适合测量高温区,精确度低。
图3.3.1.3热敏电阻传感器
从精确度考虑,热敏电阻传感器精确度不够所以放弃,再者从价格和使用实用角度考虑,我们放弃热电偶传感器,最终我们选择WCP系列PT100铂热电阻。
3.3.2运算放大芯片
OP07芯片是一种低噪音,非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路,由于OP07具有非常低的输入失调电压,所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。
OP07同时具有输入偏置电流低和开环增益高的特点,这种低失调,高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器微弱信号等方面,其参数:
超低偏移:
150μV最大;低输入偏置电流:
1.8mA;
低失调电压漂移:
0.5μV/℃超稳定,时间:
2μV/month最大
高电源电压范围:
±3V-±22V
图3.3.2OP07功放芯片
3.4矩阵键盘
在键盘中按键数量较多时,为了减少I/O口的占用,通常将按键排列成矩阵形式,如图3.4.2所示。
在矩阵式键盘中,每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通,而是通过一个按键加以连接。
这样,一个端口(如P3口)就可以构成4*4=16个按键,比之直接将端口线用于键盘多出了一倍,而且线数越多,区别越明显,比如再多加一条线就可以构成20键的键盘,而直接用端口线则只能多出一键。
由此可见,在需要的键数比较多时,采用矩阵法来做键盘是合理的。
3.4.2键盘电路
图3.4.2矩阵键盘电路
3.4.3键盘程序
voidjp(void)//矩阵键盘//
{
P3=0xf7;
if(P3==0xe7){key=0x34;y=4;x++;z++;}//----4----//
if(P3==0xd7){key=0x38;y=8;x++;z++;}//----8---//
if(P3==0x77){cy();}//常用键//
if(P3==0xb7){z=0;ZSSD=1;};//---转速设定----//
P3=0Xfb;
if(P3==0xbb){x=0;WDSD=1;};//---温度设置--//
if(P3==0xdb){key=0x37;y=7;x++;z++;}//---7----//
if(P3==0xeb){key=0x33;y=3;x++;z++;}//----3----//
P3=0xfd;
if(P3==0x7d)
{zfbz=!
zfbz;t1=0;n=0;p=4;
if(zfbz==0){zzhuan();}
if(zfbz==1){fzhuan();}}//--正反转-//
if(P3==0xbd){key=0x30;y=0;x++;z++;}//---0----//
if(P3==0xdd){key=0x36;y=6;x++;z++;}//---6----//
if(P3==0xed){key=0x32;y=2;x++;z++;}//---2----//
P3=0xfe;
if(P3==0x7e){ff=1;ffz=1;}//确定键//
if(P3==0xbe){key=0x39;y=9;x++;z++;}//---9----//
if(P3==0xde){key=0x35;y=5;x++;z++;}//---5----//
if(P3==0xee){key=0x31;y=1;x++;z++;}//---1----//
}
3.5.电加热
3.5.1电加热控制元件
BTA12-600B为三端双向可控硅开关,主要参数:
IT(RMS):
16.0A电压-VDRM:
≥600V触发电流:
IGT≤18-25mA脚位排列:
T1-T2-G(A1-A2-G);A1主电极,A2主电极,G门极
MOC3061光电双向可控硅驱动器是一种新型的光电耦合器件,他可用直流低电压、小电流来控制交流高电压、大电流。
用该器件触发晶闸管,具有结构简单、成本低、触发可靠等优点。
图3.5.1MOC3061光电双向可控硅驱动器
3.5.2电加热元件
电加热根据电能转换方式的不同,电加热通常分为电阻加热、感应加热、电弧加热、电子束加热、红外线加热和介质加热等。
电阻加热通过电流的焦耳效应将电能转变成热能以加热物体,感应加热、电弧加热和电子束加热是通过电磁场中产生感应电流(涡流)或电弧产生的高温使导体本身发热。
但本次设计是要加热硅胶管,电阻加热、感应加热、电弧加热都会使会使硅胶管发热而融化。
所以在本次设计中我们运用石英加热元件。
石英加热元件是采用了经特殊工艺加工的乳白石英玻璃管、配用电阻合材料作为发热子,由于乳白石英玻璃可以吸收来自电热丝辐射的几乎全部的可见光和近红外光、且能使之转化为远红外辐射。
故乳白石英是一种转换效率很高的远红外能量的加热元件,它具有优良的远红外辐射特性。
通电后,发热合金丝发射的近红外光和可见光其中95%被乳白石英管所阻挡、吸收、使管内温度升高产生纯硅氧键的分子振动,辐射远红线。
置使此95%的可见光,近红外光均可转化为远红外光辐射,波长大于2.5微光的远红外线被称为远红外。
远红外加热是指利用波长2.5~25微米辐射的加热技术。
3.5.3石英加热性能与用途
SLQ8-乳白石英加热元件不用涂料,辐射率稳定、高温不变形、无有害辐射、无环境污染、耐高温、抗蚀能力极高,化学稳定性好、热惯性小、热响应速度快、热转换效率高。
加热温度可自行选择、长期使用辐射性能不退变,结构合理使用方便。
SLQ8-乳白石英加热元件是国内唯一的选择性辐射远红外加热元件。
用途广泛、适用性强。
它可广泛地应用于机电、化学、电子纺织、印染、塑料、印刷、粮食、食品加工、医学卫生、皮革等加热干燥,固化脱水及各类烘道、烘房、烘箱的加热设备上。
特别适应于医药卫生、科研试验室、要求无污染的环境,含酸碱等腐蚀性加热场合。
图3.5.3SLQ8-乳白石英管
3.5.4石英管主要参数
额定电压:
220V;元件长度:
310mm;元件功率:
200-1300W;
元件外径:
Ф25mm;热响应速度:
3-5分钟;表面温度:
低温度为380~460℃;中温度为500~580℃。
可根据用户要求提高至700~750℃,或降低到100~300℃;光谱范围:
2.5-6微米(有较高辐射强度);光谱发射系数:
0.92(波长为48Um)
双向可控硅选择:
由于石英管加热的功率为200-1300W,再从余量方面考虑,我们选用了BTA12-600B型的双向可供硅,它的最大流通电流为12A,承受电压600V,完全适合本次设计要求。
3.5.5电加热电路
图3.5.5:
电加热电路
电加热原理:
电路中使用光耦MOC3061和可控硅BTA12-600B为电源控制元件,当需要加热时候单片机P1.0引脚输出低电平,光耦MOC3061导通从而控制BTA12-600B导通,石英管和电源构成一条路,石英管进行加热。
加热控制思路:
本设计采用PID温度控制,单片机进行内部PID计算,来控制P1.0引脚的高低电平,来控制石英管的加热时间,加热时间在单片机内部定时器功能计算,设计的加热周期为1S,如设定温度值离当前采集的温度值相差很大的话,则全速加热,周期为1S,如果需要一半加热一半不加热的话,则是采用通半秒,断半秒的形式来操作。
3.5.6PID的温度控制程序
voidPID()
{
//当前值小于设定值时///
if(dqz { if(set-dqz>10)//设定值减当前值大于10度// { pout=100;//全速加热// } else { pout=20*(set-dqz)+30(dqz—zqz); } } //当前值大于设定时/// if(dqz>=set) { if(dqz-set>0)//当前值大于或等于120度时,关掉// { pout=0; } else { pout=10*(set-dqz)+20(dqz-zqz); } } } 3.6.电机 3.6.1电机选择 电机主要分为步进电机,伺服电机和同步电机,伺服电机可以精确控制速度,位置精度非常准确,但维护不方便,产生电磁干扰,不利于本设计使用,需要加装伺服驱动器,还成本很高,不符合成本低要求,步进电机在控制上非常简便,但是在本次设计需要的电机要带动四根0.59kg重的转轴,共需要24N的转矩,再考虑到带负载后需要的转矩,至少需要50N以上的转矩,通过查找资料,结合转矩、体积、价格的因素我们选择60KTYZ型号的永磁可逆同步电机做为这次设计的电机。 图3.6.160KTYZ同步电机 60KTYZ型号的同步电机具有功耗小、力矩大、噪音低、体积小、重量轻、使用方便的特点。 在额定频率下电机转速不受电压影响,保持稳定不变。 电机在负载时如果过载或堵转,电机线圈不会烧毁。 同步电机转动原理: 使定子与转子之间的气隙中产生了一个旋转磁场在旋转磁场的作用下,电机转子中产生感应电流,电流与旋转磁场相互作用产生电磁场转矩,使电机旋转起来。 60KTYZ同步电机的主要参数: 额定电压: 24V;额定频率: 50/60HZ;额定输出功率: 14W; 转速: 3r/min扭矩: 80N重量: 0.55kg 体积: 60×60×60cm 输出电流: ≤0.25A;绝缘等级: B;升温: ≤60K;噪音DB: ≤60A 绝缘电阻: ≥100MΩ;绝缘个电强度: AC150050/1(HZ/min) 泄漏电流: <0.25mA;旋转方向: CW/CCW双向可控 3.6.2电机驱动芯片 4N35是一款通用光电耦合器,包含一个砷化镓红外发光二极管,并用该二极管驱动硅光电晶体管。 4N35的封装类型是6脚双列直插封装。 4N35作用就是: 阻断信号源跟信号接收方的电气连接,这样可以有较的阻断电气干扰。 采用光电耦合器是为了避免外界电气信号的4N35驱动芯片 4N35光耦隔离参数: 隔离电压: 5300V;输入电流: 10mA;输出电压: 30V 工作温度范围: -5℃+100℃;最大正向电流,If: 60mA;正向电压Vf最大: 1.5V 电压,Vceo: 30V;电压,Vf典型值: 1.3V;输出电压最大: 30V;击穿电压最小: 30V 电流传递率(CTR)最小值: 100% 图3.6.2.2TDA2003图3.6.2.14N35光耦隔离 TDA2003的特点: TDA2003电流输出能力强,谐波失真和交越失真小,各引脚都有交,直流短路保护,使用安全,负载上电压可冲至40V。 TDA2003的极限参数: 电源电压±18V;差分输入电压±15V;峰值输出电流3.5A;耗散功率20W;工作结温-40±150℃ 3.7.液晶显示 3.7.112864液晶 FYD12864-0402B是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式,内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块;其显示分辨率为128×64,内置8192个16*16点汉字,和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令,可构成全中文人机交互图形界面。 可以显示8×4行16×16点阵的汉字.也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。 由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比,不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多,且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。 图3.7.112864液晶屏 3.7.212864液晶基本特性 低电源电压(VDD: +3.0--+5.5V) 显示分辨率: 128×64点 内置汉字字库,提供8192个16×16点阵汉字(简繁体可选) 内置128个16×8点阵字符 2MHZ时钟频率 显示方式: STN、半透、正显 驱动方式:
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- 单片机 热转印机