溫度是熱動力學基本參數(shù)，其測量和控制在生產(chǎn)生活和科學研究中具有廣泛應用和重要意義，如冶金、采礦、制冷。其中在化工、生命科學等領域，有時需要溫控平臺便攜、微型，或盡量避免人員在現(xiàn)場的操作。
與此同時，隨著無線通信和半導體技術的發(fā)展，以無線傳感網(wǎng)絡為代表的無線測控技術已開始走向應用，如智能家居、環(huán)境監(jiān)控等。作為無線測控體系的一部分，無線遠程溫控的便攜式微加熱平臺，可以極大方便人們的生產(chǎn)生活和科學研究。
本文針對該需求，基于意法半導體公司最新推出的STM32W108無線單片機設計了由PT100溫度檢測、PWM驅(qū)動加熱、Zigbee無線通信的數(shù)字閉環(huán)無線微型加熱平臺，并編程實現(xiàn)了對該微加熱平臺的遠程溫度控制，確保了節(jié)點的移動靈活性與性能穩(wěn)定性。
2.系統(tǒng)總體設計與關鍵技術
2.1 總體設計與原理框圖
設計的無線程控微加熱平臺從原理可劃分為三部分：基于PT100和低功耗運放的溫度檢測電路，基于低漏電流MOS管和高效率薄片陶瓷加熱器的PWM加熱驅(qū)動電路，以STM32W108為核心的控制、通信單元;三者形成完整的溫控閉環(huán)，并提供對外的Zigbee無線通信接口，以及用于監(jiān)控的串口。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。
2.2 溫度檢測電路
考慮到器件成本、測溫范圍、檢測電路復雜程度、響應時間，本設計采用薄膜封裝PT100元件，相比于傳統(tǒng)鉑絲PT100,成本更低，響應更快，0.5小于10s,線性測溫范圍可達-200℃~800℃。利用高溫導熱膠將PT100與加熱器粘合，確保機械可靠性和高熱導率。
考慮到當溫度范圍較大時，PT100電阻變化范圍大，恒壓電橋法系統(tǒng)非線性較大，本設計采用恒流源激勵。文獻表明，當薄膜PT100自身電流超過1mA時，將會產(chǎn)生自身發(fā)熱，故本設計選用美國國家儀器公司的LM334可調(diào)恒流源芯片，并通過外置電阻設置電流為100A.
激勵電流進入PT100后，輸出電壓與溫度保持嚴格線性關系。該原始電壓經(jīng)過后級射隨器緩沖，進入S-K二階放大濾波電路，截止頻率為40Hz,品質(zhì)因數(shù)為0.707.用于設隨和放大濾波的運放芯片選用ADA4501-2,集成雙運放，1.8V低功耗供電。經(jīng)上述調(diào)理后，當PT100溫度范圍在-50℃~500℃變化中，由S-K電路輸出的模擬電壓標稱范圍為0.1~1.1V.該模擬電壓可直接被STM32W108內(nèi)置的ADC(1.2V參考電壓)進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)溫度反饋。
2.3 PWM加熱驅(qū)動電路
PWM的本質(zhì)是傳輸功率受脈沖寬度調(diào)制。
本設計中的加熱器是邊長為1cm的正方形薄片陶瓷電阻加熱器，通過的功率即為加熱功率。PWM波頻率設置為100Hz,占空比由0到100%,由STM32W108的定時器模塊給出，接入低功耗、大功率MOS管CDS16301Q2的柵極，而源-漏極作為加熱器的電流通路。該MOS管漏電流僅為1mA,最大源漏電流為5A.測得該加熱電路在室溫下開環(huán)加熱穩(wěn)態(tài)值可達約500℃，功耗4W.
2.4 控制通信單元電路
主控單元采用ST公司于2009年推出的32位超低功耗、苛刻環(huán)境無線處理器STM32W108,芯片基于ARM Cortex-M3內(nèi)核，處理能力強，性價比高。芯片集成8KB RAM和128KB FLASH,并帶有豐富的接口資源，如本設計用到的ADC模塊、定時器PWM模塊、RF通信模塊、UART模塊。
供電系統(tǒng)采用單外置3.3V電壓供電，片內(nèi)變壓器分別轉(zhuǎn)為1.8V用于存儲和模擬供電、1.25V用于內(nèi)核供電。時鐘系統(tǒng)采用外置24MHz無源晶體和內(nèi)置10KHz時鐘發(fā)生器產(chǎn)生，并經(jīng)過內(nèi)置分頻電路為內(nèi)核、內(nèi)部總線、RAM、定時器等提供時鐘信號。
為實現(xiàn)遠程便攜數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)采用STM32W108自帶的RF收發(fā)模塊提供無線通信。
該模塊符合IEEE 802.15.4 MAC層標準，并提供對Zigbee的最大程度硬件支持。芯片同時自帶了符合Ember Zigbee的硬核協(xié)議棧。外圍電路方面，采用PCB微帶倒F天線設計方案，并選用SOSHIN公司推出的DBF71A001射頻通信濾波器，集成了巴倫和2.45GHz帶通濾波器功能，確保最大有效功率傳輸。
2.5 嵌入式軟件設計
STM32W108的嵌入式軟件主程序如圖2所示。上電后，首先進行處理器內(nèi)核、硬件訪問層初始化和板級初始化，包括內(nèi)存空間配置、啟動AD、無線接收配置等。當有RF接收事件發(fā)生時，硬件將該事件寫入RF接收標志寄存器和相應緩存。隨后進入whlie(1)主循環(huán)，查詢RF接收狀態(tài)寄存器，如有接收數(shù)據(jù)包，則按照數(shù)據(jù)包內(nèi)指令配置目標溫度;如無，則按照上次溫控目標溫度進行配置。隨后讀取AD模塊檢測到的當前溫度值并校準系統(tǒng)誤差，據(jù)此計算PWM占空比，配置定時器輸出，同時將本次溫控真實值通過RF發(fā)送給上位機，并再次執(zhí)行主輪詢，如此反復。
3.測試結果分析
室溫1 8 . 2℃，通過3 0米外上位機無線發(fā)送指令，對微加熱平臺遠程設置溫度為200℃，并利用泰仕公司TES1307熱電偶測溫儀監(jiān)視實際溫度值，系統(tǒng)在0~20min的溫度響應如圖3所示。
由測試數(shù)據(jù)可以看出，當溫控程序啟動10min后，微加熱平臺工作面能夠達到±3℃以內(nèi)的誤差，并保持穩(wěn)定。
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