基于STM32W108的無(wú)線(xiàn)程控微加熱平臺設計

1.引言

溫度是熱動(dòng)力學(xué)基本參數，其測量和控制在生產(chǎn)生活和科學(xué)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(xué)等領(lǐng)域，有時(shí)需要溫控平臺便攜、微型，或盡量避免人員在現場(chǎng)的操作。

與此同時(shí)，隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信和半導體技術(shù)的發(fā)展，以無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )為代表的無(wú)線(xiàn)測控技術(shù)已開(kāi)始走向應用，如智能家居、環(huán)境監控等。作為無(wú)線(xiàn)測控體系的一部分，無(wú)線(xiàn)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(xué)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(wú)線(xiàn)單片機設計了由PT100溫度檢測、PWM驅動(dòng)加熱、Zigbee無(wú)線(xiàn)通信的數字閉環(huán)無(wú)線(xiàn)微型加熱平臺，并編程實(shí)現了對該微加熱平臺的遠程溫度控制，確保了節點(diǎn)的移動(dòng)靈活性與性能穩定性。

2.系統總體設計與關(guān)鍵技術(shù)

2.1 總體設計與原理框圖

設計的無(wú)線(xiàn)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加熱驅動(dòng)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(wú)線(xiàn)通信接口，以及用于監控的串口。系統原理框圖如圖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(shí)間，本設計采用薄膜封裝PT100元件，相比于傳統鉑絲PT100,成本更低，響應更快，0.5小于10s,線(xiàn)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(shí)，PT100電阻變化范圍大，恒壓電橋法系統非線(xiàn)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(guò)1mA時(shí)，將會(huì )產(chǎn)生自身發(fā)熱，故本設計選用美國國家儀器公司的LM334可調恒流源芯片，并通過(guò)外置電阻設置電流為100A.

激勵電流進(jìn)入PT100后，輸出電壓與溫度保持嚴格線(xiàn)性關(guān)系。該原始電壓經(jīng)過(guò)后級射隨器緩沖，進(jìn)入S-K二階放大濾波電路，截止頻率為40Hz,品質(zhì)因數為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(chēng)范圍為0.1~1.1V.該模擬電壓可直接被STM32W108內置的ADC(1.2V參考電壓)進(jìn)行模數轉換，實(shí)現溫度反饋。

2.3 PWM加熱驅動(dòng)電路

PWM的本質(zhì)是傳輸功率受脈沖寬度調制。

本設計中的加熱器是邊長(cháng)為1cm的正方形薄片陶瓷電阻加熱器，通過(guò)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(shí)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(kāi)環(huán)加熱穩態(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(wú)線(xiàn)處理器STM32W108,芯片基于A(yíng)RM Cortex-M3內核，處理能力強，性?xún)r(jià)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(shí)器PWM模塊、RF通信模塊、UART模塊。

供電系統采用單外置3.3V電壓供電，片內變壓器分別轉為1.8V用于存儲和模擬供電、1.25V用于內核供電。時(shí)鐘系統采用外置24MHz無(wú)源晶體和內置10KHz時(shí)鐘發(fā)生器產(chǎn)生，并經(jīng)過(guò)內置分頻電路為內核、內部總線(xiàn)、RAM、定時(shí)器等提供時(shí)鐘信號。

為實(shí)現遠程便攜數據傳輸，系統采用STM32W108自帶的RF收發(fā)模塊提供無(wú)線(xiàn)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(shí)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(xiàn)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(jìn)行處理器內核、硬件訪(fǎng)問(wèn)層初始化和板級初始化，包括內存空間配置、啟動(dòng)AD、無(wú)線(xiàn)接收配置等。當有RF接收事件發(fā)生時(shí)，硬件將該事件寫(xiě)入RF接收標志寄存器和相應緩存。隨后進(jìn)入whlie(1)主循環(huán)，查詢(xún)RF接收狀態(tài)寄存器，如有接收數據包，則按照數據包內指令配置目標溫度;如無(wú)，則按照上次溫控目標溫度進(jìn)行配置。隨后讀取AD模塊檢測到的當前溫度值并校準系統誤差，據此計算PWM占空比，配置定時(shí)器輸出，同時(shí)將本次溫控真實(shí)值通過(guò)RF發(fā)送給上位機，并再次執行主輪詢(xún)，如此反復。

3.測試結果分析

室溫1 8 . 2℃，通過(guò)3 0米外上位機無(wú)線(xiàn)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熱電偶測溫儀監視實(shí)際溫度值，系統在0~20min的溫度響應如圖3所示。

由測試數據可以看出，當溫控程序啟動(dòng)10min后，微加熱平臺工作面能夠達到±3℃以?xún)鹊恼`差，并保持穩定。

4.結論

本文設計了基于STM32W108的無(wú)線(xiàn)程控微加熱平臺，其中溫度控制采用PWM驅動(dòng)高溫陶瓷加熱器，溫度反饋采用恒流源激勵的PT100,并利用片內集成的RF模塊實(shí)現無(wú)線(xiàn)通信和程序控制。實(shí)驗表明，該加熱平臺可通過(guò)無(wú)線(xiàn)數據傳輸實(shí)現遠程溫度控制，并具有較高的溫控精度、設計緊湊性、移動(dòng)靈活性，滿(mǎn)足生化、醫學(xué)等領(lǐng)域科研對于便攜式、寬范圍加熱的特殊需求。