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    基于STM32W108的无线程控微加热平台设计

      发布时间:2019-05-20 04:38

      温度是热动力学基本参数,其测量和控制在生产生活和科学研究中具有广泛应用和重要意义,如冶金、采矿、制冷。其中在化工、生命科学等领域,有时需要温控平台便携、微型,或尽量避免人员在现场的操作。

      与此同时,随着无线通信和半导体技术的发展,以无线传感网络为代表的无线测控技术已开始走向应用,如智能家居、环境监控等。作为无线测控体系的一部分,无线远程温控的便携式微加热平台,可以极大方便人们的生产生活和科学研究。

      本文针对该需求,基于意法半导体公司最新推出的STM32W108无线单片机设计了由PT100温度检测、PWM驱动加热、Zigbee无线通信的数字闭环无线微型加热平台,并编程实现了对该微加热平台的远程温度控制,确保了节点的移动灵活性与性能稳定性。

      设计的无线程控微加热平台从原理可划分为三部分:基于PT100和低功耗运放的温度检测电路,基于低漏电流MOS管和高效率薄片陶瓷加热器的PWM加热驱动电路,以STM32W108为核心的控制、通信单元;三者形成完整的温控闭环,并提供对外的Zigbee无线通信接口,以及用于监控的串口。系统原理框图如图1所示。

      考虑到器件成本、测温范围、检测电路复杂程度、响应时间,本设计采用薄膜封装PT100元件,相比于传统铂丝PT100,成本更低,响应更快,0.5小于10s,线℃。利用高温导热胶将PT100与加热器粘合,确保机械可靠性和高热导率。

      考虑到当温度范围较大时,PT100电阻变化范围大,恒压电桥法系统非线性较大,本设计采用恒流源激励。文献表明,当薄膜PT100自身电流超过1mA时,将会产生自身发热,故本设计选用美国国家仪器公司的LM334可调恒流源芯片,并通过外置电阻设置电流为100A.

      激励电流进入PT100后,输出电压与温度保持严格线性关系。该原始电压经过后级射随器缓冲,进入S-K二阶放大滤波电路,截止频率为40Hz,品质因数为0.707.用于设随和放大滤波的运放芯片选用ADA4501-2,集成双运放,1.8V低功耗供电。经上述调理后,当PT100温度范围在-50℃~500℃变化中,由S-K电路输出的模拟电压标称范围为0.1~1.1V.该模拟电压可直接被STM32W108内置的ADC(1.2V参考电压)进行模数转换,实现温度反馈。

      本设计中的加热器是边长为1cm的正方形薄片陶瓷电阻加热器,通过的功率即为加热功率。PWM波频率设置为100Hz,占空比由0到100%,由STM32W108的定时器模块给出,接入低功耗、大功率MOS管CDS16301Q2的栅极,而源-漏极作为加热器的电流通路。该MOS管漏电流仅为1mA,最大源漏电流为5A.测得该加热电路在室温下开环加热稳态值可达约500℃,功耗4W.

      主控单元采用ST公司于2009年推出的32位超低功耗、苛刻环境无线,芯片基于ARM Cortex-M3内核,处理能力强,性价比高。芯片集成8KB RAM和128KB FLASH,并带有丰富的接口资源,如本设计用到的ADC模块、定时器PWM模块、RF通信模块、UART模块。

      供电系统采用单外置3.3V电压供电,片内变压器分别转为1.8V用于存储和模拟供电、1.25V用于内核供电。时钟系统采用外置24MHz无源晶体和内置10KHz时钟发生器产生,并经过内置分频电路为内核、内部总线、RAM、定时器等提供时钟信号。

      该模块符合IEEE 802.15.4 MAC层标准,并提供对Zigbee的最大程度硬件支持。芯片同时自带了符合Ember Zigbee的硬核协议栈。外围电路方面,采用PCB微带倒F天线设计方案,并选用SOSHIN公司推出的DBF71A001射频通信滤波器,集成了巴伦和2.45GHz带通滤波器功能,确保最大有效功率传输。

      STM32W108的嵌入式软件主程序如图2所示。上电后,首先进行处理器内核、硬件访问层初始化和板级初始化,包括内存空间配置、启动AD、无线接收配置等。当有RF接收事件发生时,硬件将该事件写入RF接收标志寄存器和相应缓存。随后进入whlie(1)主循环,查询RF接收状态寄存器,如有接收数据包,则按照数据包内指令配置目标温度;如无,则按照上次温控目标温度进行配置。随后读取AD模块检测到的当前温度值并校准系统误差,据此计算PWM占空比,配置定时器输出,同时将本次温控真实值通过RF发送给上位机,并再次执行主轮询,如此反复。

      室温1 8 . 2℃,通过3 0米外上位机无线发送指令,对微加热平台远程设置温度为200℃,并利用泰仕公司TES1307热电偶测温仪监视实际温度值,系统在0~20min的温度响应如图3所示。

      由测试数据可以看出,当温控程序启动10min后,微加热平台工作面能够达到3℃以内的误差,并保持稳定。

      本文设计了基于STM32W108的无线程控微加热平台,其中温度控制采用PWM驱动高温陶瓷加热器,温度反馈采用恒流源激励的PT100,并利用片内集成的RF模块实现无线通信和程序控制。实验表明,该加热平台可通过无线数据传输实现远程温度控制,并具有较高的温控精度、设计紧凑性、移动灵活性,满足生化、医学等领域科研对于便携式、宽范围加热的特殊需求。

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