基于STM32單片機的熱脫附儀控制系統(tǒng)設(shè)計

劉曉利，譚華，王猛

（1.河北科技工程職業(yè)技術(shù)大學(xué)，河北邢臺，054035；2.河南牧業(yè)經(jīng)濟學(xué)院，河南鄭州，450046）

0 引言

熱脫附儀是一種樣品前端處理設(shè)備，其通過將吸附有待測物體的樣品加熱，提取樣品里面的揮發(fā)性和半揮發(fā)性組分[1]。熱脫附儀工作時樣品準確定位和溫度精確控制對于樣品檢測具有重要意義。

在熱脫附儀控制系統(tǒng)中，樣品加熱熱源具有慣性作用，樣品加熱溫度難以精確控制。文獻[1]提出了一種將傳統(tǒng) PID 控制算法與 Smith 預(yù)估補償器結(jié)合，用于解決土壤熱脫附系統(tǒng)中溫度滯后環(huán)節(jié)影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的問題[2]。為熱脫附儀控制系統(tǒng)設(shè)計提供借鑒。文獻[2]設(shè)計了一種可用于現(xiàn)場分析的熱脫附儀，但僅適用于少量樣品的檢驗，樣品處理自動化程度較低[3]。 綜上所述，利用熱脫附儀對檢測樣品前處理，方法可行有效。土壤熱脫附系統(tǒng)中溫度有效控制可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

本文設(shè)計的熱脫附儀控制系統(tǒng)基于STM32單片機，采用PID算法，確保溫度控制可靠性。樣品位置采用步進電機驅(qū)動，但由于步進電機容易出現(xiàn)丟步和越步，從而造成樣品不能準確定位。控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制對轉(zhuǎn)盤定位系統(tǒng)干擾進行補償，實現(xiàn)檢測樣品的準確對位，提升檢測效率。

1 熱脫附儀控制系統(tǒng)總體設(shè)計

熱脫附儀主要應(yīng)用于樣品前端處理，其可將吸附有待測物體的樣品加熱，樣品受熱后里面的揮發(fā)性和半揮發(fā)性組分會揮發(fā)，然后通過載氣（一般為氮氣）加壓，將加熱后揮發(fā)出來的待測物體吹出。

基于STM32單片機的熱脫附儀控制系統(tǒng)主要包括轉(zhuǎn)盤定位系統(tǒng)、上下扎針控制系統(tǒng)和推桿加熱控制系統(tǒng)。轉(zhuǎn)盤定位系統(tǒng)利用步進電機驅(qū)動均勻等距分布樣品位置的轉(zhuǎn)盤，步進電機定位決定當(dāng)前處理樣品，因為需要準確定位。上下扎針控制系統(tǒng)控制空心針扎入樣品，吹入氮氣，將揮發(fā)性檢測物體取出，其通過步進電機和絲桿導(dǎo)軌控制扎針的上下移動。推桿加熱控制系統(tǒng)所控制的推桿上裝有加熱源，其控制步進電機將推桿送到指定樣品位置對樣品進行加熱。電機的控制和溫度控制是本控制系統(tǒng)研究的重點。

熱脫附儀控制系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，系統(tǒng)控制芯片采用 STM32系列單片機?？刂葡到y(tǒng)工作時，設(shè)置轉(zhuǎn)盤的位置，通過編碼器讀取當(dāng)前位置，若當(dāng)前位置與實際位置有偏差時，對位置進行脈沖補償，驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)至正確的位置。溫度傳感器采集加熱的溫度值，送至控制芯片進行數(shù)據(jù)處理，系統(tǒng)計算采集的溫度與設(shè)置的溫度值之間的偏差，采用 PID 算法中，輸出 PWM 值控制加熱管的功率，實現(xiàn)溫度的控制。

圖1 熱脫附儀控制系統(tǒng)總體框圖

2 硬件電路設(shè)計

硬件電路由單片機電路、電源電路、通信電路、溫度采集電路、限位信號采集電路、電機驅(qū)動電路、編碼器電路等組成。

2.1 微處理器電路

熱脫附儀控制系統(tǒng)核心功能在微處理器中實現(xiàn)，是控制系統(tǒng)中的重要部分。微處理器采用 STM32F103RCT6芯片，其GPIO 配置串口豐富，可實現(xiàn)多種外設(shè)，如：DMA、PWM、傳感器、電機控制等外圍設(shè)置。STM32 芯片及外圍電路圖如圖2所示，由于芯片內(nèi)部振蕩器精確度較低，需要外接 8MHz的外部晶振作為系統(tǒng)時鐘源。

圖2 STM32 芯片及外圍電路圖

2.2 電源電路

熱脫附儀控制系統(tǒng)需要為微處理器提供3.3V電壓以及為控制電路的其他外圍電路提供5V電壓兩種供電電源。電源電路通過LM259提供5V穩(wěn)定電壓，穩(wěn)壓芯片ASM1117-3.3 產(chǎn)生 3.3V 穩(wěn)定電壓。5V電源電路如圖3所示，3.3V電源電路如圖4所示。

圖3 5V電源電路

圖4 3.3V電源電路

2.3 溫度采集電路

本設(shè)計選用PT100溫度傳感器采集溫度信號，通過電壓跟隨器隔離前后級電路，送至單片機內(nèi)部集成的ADC。由于單片機ADC 工作時，需要高頻時鐘來驅(qū)動，可能會對電路產(chǎn)生一定的干擾，因此需要在 ADC 芯片前添加電壓跟隨器。

電壓跟隨器在電路能起到隔離前后級電路，匹配電路阻抗的作用。本文采用LM358構(gòu)成電壓跟隨器。電壓跟隨器電路如圖5所示。

圖5 電壓跟隨器電路

2.4 電機驅(qū)動電路

本設(shè)計選用步進電機驅(qū)動樣品轉(zhuǎn)盤等運動。由于單片機接口端的信號不足以直接驅(qū)動步進電機，選用ULN2003作為電機驅(qū)動芯片，電機驅(qū)動電路如圖6所示。

圖6 電機驅(qū)動電路

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

使用MDK軟件作為系統(tǒng)軟件設(shè)計的開發(fā)環(huán)境，對STM32單片機進行一系列的編譯與調(diào)試。系統(tǒng)的程序主要包括電機控制模塊程序、加熱控制模塊程序。

3.1 加熱控制模塊

加熱控制模塊完成熱脫附儀控制系統(tǒng)加熱控制的動作流程控制及各個功能組件狀態(tài)的監(jiān)測。本文使用STM32單片機內(nèi)置的通用定時器TIM1、TIM8產(chǎn)生高精度的PWM輸出波形。

熱脫附儀加熱控制啟動后，STM32 單片機將初始化系統(tǒng)中的各個功能函數(shù)，包括系統(tǒng)各參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)定時器初始化、定時器初始化、ADC初始化等，待各功能函數(shù)初始化后，讀取溫度值并濾波，讀取設(shè)定溫度值，在加熱控制模塊中收到加熱命令執(zhí)行加熱操作時，控制器將讀取溫度值并進行PID控制，同時發(fā)送實時溫度，執(zhí)行溫控操作。加熱控制利用系統(tǒng)的定時器中斷功能在固定周期內(nèi)采樣，并對所采集的溫度數(shù)據(jù)進行濾波處理，獲取當(dāng)前時刻加熱的溫度值。加熱控制程序流程圖如圖7所示。

圖7 加熱控制程序流程圖

3.2 電機控制模塊

主程序采用輪詢的方式，主函數(shù)掃描處于程序運行還是復(fù)位狀態(tài)，在程序運行狀態(tài)中，判斷當(dāng)前按鈕狀態(tài)處于運行、手動還是復(fù)位。轉(zhuǎn)盤電機確定位置，當(dāng)轉(zhuǎn)至指定位置，啟動扎針電機，開啟吹掃并定時，定時時間到，關(guān)閉吹掃，開啟檢漏，開啟加熱采樣操作。在復(fù)位狀態(tài)中，轉(zhuǎn)盤電機、扎針電機、推桿電機找尋原點。電機控制程序流程圖如圖8所示。

圖8 電機控制程序流程圖

3.3 算法設(shè)計

3.3.1 數(shù)據(jù)處理算法

本系統(tǒng)設(shè)計的熱脫附儀溫度控制系統(tǒng)采用PT100溫度傳感器感知加熱溫度，通過電路轉(zhuǎn)換將信號轉(zhuǎn)化為電壓值通過ADC轉(zhuǎn)為數(shù)字信號通過控制系統(tǒng)處理。在此過程中，采樣信號可能會受到各種干擾，采集的溫度信號不夠準確，需要對采集的溫度數(shù)據(jù)進行處理，消除信號中的噪聲。數(shù)字濾波是處理隨機性噪音干擾常用的方法。結(jié)合實際情況，本文選用算術(shù)平均濾波法對采集的數(shù)據(jù)進行處理。

3.3.2 PID控制模塊

在溫度控制系統(tǒng)中，將設(shè)定的目標溫度值與采集到的溫度值作比較，計算出此刻溫度的偏差值，當(dāng)采集到的溫度值小于設(shè)定目標溫度值，且偏差比較大時，大功率加熱接近目標。當(dāng)采集到的溫度值接近目標值時，計算積分項，并將偏差值和積分項的值輸入控制算法子程序中，將其作用于PID 控制器，最后將得到的控制量輸出以PWM波的形式輸出。

4 結(jié)語

本文針對熱脫附儀取樣操作時，樣品不能準確定位的問題，樣品預(yù)加熱時，加熱溫度控制問題等，設(shè)計了基于 STM32 單片機的熱脫附儀控制系統(tǒng)，主要對系統(tǒng)的軟硬件進行設(shè)計，還對溫度數(shù)據(jù)和溫度控制算法進行研究并在軟件中實現(xiàn)。從功能上所設(shè)計的熱脫附控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)樣品準確定位，加熱溫度可靠控制，提高熱脫儀檢測效率，保證樣品溫度控制的可靠性。