基于STM32W108的無線程控微加熱平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.引言

溫度是熱動(dòng)力學(xué)基本參數(shù)，其測量和控制在生產(chǎn)生活和科學(xué)研究中具有廣泛應(yīng)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(tái)便攜、微型，或盡量避免人員在現(xiàn)場的操作。

與此同時(shí)，隨著無線通信和半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，以無線傳感網(wǎng)絡(luò)為代表的無線測控技術(shù)已開始走向應(yīng)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(yuǎn)程溫控的便攜式微加熱平臺(tái)，可以極大方便人們的生產(chǎn)生活和科學(xué)研究。

本文針對(duì)該需求，基于意法半導(dǎo)體公司最新推出的STM32W108無線單片機(jī)設(shè)計(jì)了由PT100溫度檢測、PWM驅(qū)動(dòng)加熱、Zigbee無線通信的數(shù)字閉環(huán)無線微型加熱平臺(tái)，并編程實(shí)現(xiàn)了對(duì)該微加熱平臺(tái)的遠(yuǎn)程溫度控制，確保了節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)靈活性與性能穩(wěn)定性。

2.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)

2.1 總體設(shè)計(jì)與原理框圖

設(shè)計(jì)的無線程控微加熱平臺(tái)從原理可劃分為三部分：基于PT100和低功耗運(yùn)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(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(duì)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(fù)雜程度、響應(yīng)時(shí)間，本設(shè)計(jì)采用薄膜封裝PT100元件，相比于傳統(tǒng)鉑絲PT100,成本更低，響應(yīng)更快，0.5小于10s,線性測溫范圍可達(dá)-200℃~800℃。利用高溫導(dǎo)熱膠將PT100與加熱器粘合，確保機(jī)械可靠性和高熱導(dǎo)率。

考慮到當(dāng)溫度范圍較大時(shí)，PT100電阻變化范圍大，恒壓電橋法系統(tǒng)非線性較大，本設(shè)計(jì)采用恒流源激勵(lì)。文獻(xiàn)表明，當(dāng)薄膜PT100自身電流超過1mA時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生自身發(fā)熱，故本設(shè)計(jì)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(shè)置電流為100A.

激勵(lì)電流進(jìn)入PT100后，輸出電壓與溫度保持嚴(yán)格線性關(guān)系。該原始電壓經(jīng)過后級(jí)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(shù)為0.707.用于設(shè)隨和放大濾波的運(yùn)放芯片選用ADA4501-2,集成雙運(yùn)放，1.8V低功耗供電。經(jīng)上述調(diào)理后，當(dāng)PT100溫度范圍在-50℃~500℃變化中，由S-K電路輸出的模擬電壓標(biāo)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(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)溫度反饋。

2.3 PWM加熱驅(qū)動(dòng)電路

PWM的本質(zhì)是傳輸功率受脈沖寬度調(diào)制。

本設(shè)計(jì)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(shè)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環(huán)加熱穩(wěn)態(tài)值可達(dá)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(qiáng)，性價(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(shè)計(jì)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(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(chǔ)和模擬供電、1.25V用于內(nèi)核供電。時(shí)鐘系統(tǒng)采用外置24MHz無源晶體和內(nèi)置10KHz時(shí)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(shí)器等提供時(shí)鐘信號(hào)。

為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)，并提供對(duì)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天線設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

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(nèi)核、硬件訪問層初始化和板級(jí)初始化，包括內(nèi)存空間配置、啟動(dòng)AD、無線接收配置等。當(dāng)有RF接收事件發(fā)生時(shí)，硬件將該事件寫入RF接收標(biāo)志寄存器和相應(yīng)緩存。隨后進(jìn)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(biāo)溫度;如無，則按照上次溫控目標(biāo)溫度進(jìn)行配置。隨后讀取AD模塊檢測到的當(dāng)前溫度值并校準(zhǔn)系統(tǒng)誤差，據(jù)此計(jì)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RF發(fā)送給上位機(jī)，并再次執(zhí)行主輪詢，如此反復(fù)。

3.測試結(jié)果分析

室溫1 8 . 2℃，通過3 0米外上位機(jī)無線發(fā)送指令，對(duì)微加熱平臺(tái)遠(yuǎn)程設(shè)置溫度為200℃，并利用泰仕公司TES1307熱電偶測溫儀監(jiān)視實(shí)際溫度值，系統(tǒng)在0~20min的溫度響應(yīng)如圖3所示。

由測試數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)溫控程序啟動(dòng)10min后，微加熱平臺(tái)工作面能夠達(dá)到±3℃以內(nèi)的誤差，并保持穩(wěn)定。

4.結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于STM32W108的無線程控微加熱平臺(tái)，其中溫度控制采用PWM驅(qū)動(dòng)高溫陶瓷加熱器，溫度反饋采用恒流源激勵(lì)的PT100,并利用片內(nèi)集成的RF模塊實(shí)現(xiàn)無線通信和程序控制。實(shí)驗(yàn)表明，該加熱平臺(tái)可通過無線數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程溫度控制，并具有較高的溫控精度、設(shè)計(jì)緊湊性、移動(dòng)靈活性，滿足生化、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域科研對(duì)于便攜式、寬范圍加熱的特殊需求。