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无线程控微加热平台的设计与应用

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。
2.系统总体设计与关键技术
2.1 总体设计与原理框图
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。

2.2 温度检测电路
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,线性测温范围可达-200℃~800℃。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。
2.3 PWM加热驱动电路
PWM的本质是传输功率受脉冲宽度调制。
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,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.
2.4 控制通信单元电路
主控单元采用ST公司于2009年推出的32位超低功耗、苛刻环境无线处理器STM32W108,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。
为实现远程便携数据传输，系统采用STM32W108自带的RF收发模块提供无线通信。
该模块符合IEEE 802.15.4 MAC层标准，并提供对Zigbee的硬件支持。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，确保有效功率传输。
2.5 嵌入式软件设计
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。
3.测试结果分析
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。