基于嵌入式系統(tǒng)的氣溶膠熱發(fā)生器的關(guān)鍵技術(shù)研究

陳建 梁鳳飛 胡增 孫吉勇

摘? 要：文章是基于嵌入式系統(tǒng)對(duì)氣溶膠熱發(fā)生器的關(guān)鍵技術(shù)——溫控系統(tǒng)的研究，以高速M(fèi)CU為主控芯片，搭建溫度控制系統(tǒng)閉環(huán)回路，采用雙波段溫度控制技術(shù)，可快速達(dá)到溫度控制目標(biāo)并穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)開(kāi)機(jī)3分鐘即可工作，基于該溫度控制系統(tǒng)，順利開(kāi)發(fā)了基于蒸發(fā)冷凝原理的氣溶膠熱發(fā)生器，經(jīng)過(guò)測(cè)試，氣溶膠熱發(fā)生器在165秒達(dá)到所需溫度并最終保持在400℃，實(shí)現(xiàn)溫度的快速高精度控制。

關(guān)鍵詞：氣溶膠;熱發(fā)生器;雙波段溫度控制;閉環(huán)控制

中圖分類(lèi)號(hào)：X513? ? ?? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）32-0154-02

Abstract： This paper is based on the research of temperature control system， which is the key technology of aerosol heat generator based on embedded system. The closed loop of temperature control system is built with high speed MCU as the main control chip， and the dual band temperature control technology is adopted. The temperature control target can be achieved quickly and stably， and the machine can work in 3 minutes. Based on the temperature control system， an aerosol heat generator based on evaporation and condensation principle is developed successfully. The aerosol heat generator reaches the required temperature in 165 seconds and finally remains at 400℃， realizing fast and high precision temperature control.

Keywords： aerosol; heat generator; dual band temperature control; closed loop control

氣溶膠發(fā)生器作為空氣過(guò)濾系統(tǒng)檢測(cè)的關(guān)鍵設(shè)備被廣泛應(yīng)用于空氣過(guò)濾系統(tǒng)的檢測(cè)，氣溶膠發(fā)生器根據(jù)其原理分為氣溶膠冷發(fā)生器及氣溶膠熱發(fā)生器[3]。氣溶膠熱發(fā)生器是根據(jù)蒸發(fā)冷凝的原理[1]，溫度控制則是氣溶膠熱發(fā)生器的關(guān)鍵技術(shù)之一。基于此，本文設(shè)計(jì)了一種雙波段溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)溫度快速上升并穩(wěn)定。

1 嵌入式控制電路設(shè)計(jì)

1.1 溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

在氣溶膠熱發(fā)生器控制系統(tǒng)中，由于溫度高達(dá)400℃，因此需要采用高溫?zé)犭娕迹疚倪x用PT100熱電阻，PT100是一種應(yīng)用廣泛的測(cè)溫元件，在-50℃-600℃的范圍內(nèi)具有其他溫度傳感器更佳的優(yōu)勢(shì)，其精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等[4]，本文采用橋式測(cè)溫電路，如圖1。

本設(shè)計(jì)通過(guò)調(diào)整可變電阻R7實(shí)現(xiàn)清零標(biāo)定，輸出信號(hào)可直接進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。

1.2 AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

AD轉(zhuǎn)換芯片是本文設(shè)計(jì)的溫控系統(tǒng)的核心部件之一，其轉(zhuǎn)換精度、可靠性直接影響后續(xù)的控制系統(tǒng)控制精確度、穩(wěn)定度等，本文采用AD7685作為AD轉(zhuǎn)換的主芯片，如圖2。

AD7685是一款16位、電荷再分配、逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），采用2.3V至5.5V單電源（VDD）供電。AD7685內(nèi)置一個(gè)低功耗、高速、16位無(wú)失碼采樣ADC、一個(gè)內(nèi)部轉(zhuǎn)換時(shí)鐘和一個(gè)多功能串行接口端口，還集成了一個(gè)低噪聲、寬帶寬、短孔徑延遲的采樣保持電路。在CNV上升沿，AD7685對(duì)IN+與IN-之間的模擬輸入電壓差進(jìn)行采樣，范圍從0V至REF。基準(zhǔn)電壓（REF）由外部提供，最高可設(shè)置為電源電壓。

SPI兼容串行接口還能夠利用SDI輸入，將幾個(gè)ADC以菊花鏈形式連結(jié)到單三線式總線上，或提供一個(gè)可選的忙閑指示功能。采用獨(dú)立電源VIO時(shí)，AD7685與1.8V、2.5V、3V或5V邏輯兼容。

本文采用3.3V數(shù)字邏輯電平電源，為提高采樣精度，采用ADI公司的高精度參考電壓芯片ADR445作為AD轉(zhuǎn)換芯片的參考電位及供電，如圖3。

1.3 主控MCU電路設(shè)計(jì)

主控MCU芯片選用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103RB

T6，STM32F103RBT6采用ARM32位Cortex-M3內(nèi)核，最高工作頻率72MHz，存儲(chǔ)器訪問(wèn)周期可達(dá)1.25DMips/MHz。

1.4 加熱器控制電路

本文設(shè)計(jì)的氣溶膠熱發(fā)生器系統(tǒng)采用100W加熱器，以實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)有功率的情況下快速實(shí)現(xiàn)溫度上升，并采用固態(tài)繼電器作為加熱器開(kāi)關(guān)控制元件，固態(tài)繼電器優(yōu)于傳統(tǒng)的機(jī)械式繼電器，其具有響應(yīng)速度快、無(wú)點(diǎn)接觸火花、應(yīng)用簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)固態(tài)繼電器對(duì)加熱器進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng)控制，減少外圍部件，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。本文還采用了光電耦合器將強(qiáng)電與弱點(diǎn)控制隔離，防止加熱器部分的強(qiáng)電部分對(duì)MCU控制回路的弱電部分產(chǎn)生干擾，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性及溫度控制的精度。如圖4。

2 控制程序編寫(xiě)

系統(tǒng)控制加熱過(guò)程主要分為兩個(gè)階段，第一個(gè)階段為快速升溫過(guò)程，當(dāng)溫度達(dá)到第一臨界點(diǎn)前，加熱器全功率加熱。當(dāng)溫度達(dá)到第一臨界點(diǎn)后，開(kāi)始PID精確控制加熱器加熱，此過(guò)程對(duì)溫度升高速度要求降低，但對(duì)溫度的穩(wěn)定性及精度要求提高。當(dāng)溫度達(dá)到第二臨界點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)確認(rèn)惰性氣體氣壓，當(dāng)氣壓達(dá)到需求時(shí)，開(kāi)啟油管閥門(mén)，此時(shí)發(fā)生器噴嘴將噴出氣溶膠顆粒。

3 系統(tǒng)測(cè)試

通過(guò)本文設(shè)計(jì)的氣溶膠熱發(fā)生器的關(guān)鍵部分之一——溫控系統(tǒng)，設(shè)定目標(biāo)值為400℃，第一臨界值為320℃，第二臨界值為360℃，具體溫度時(shí)間曲線如圖5。

由圖5可以看出，加熱器全功率加熱時(shí)，溫度在62秒達(dá)到第一臨界點(diǎn)，在94秒達(dá)到第二臨界點(diǎn)，此時(shí)即可進(jìn)行打開(kāi)油閥進(jìn)行發(fā)霧。之后的時(shí)間，溫度則緩慢接近設(shè)置目標(biāo)400℃。

4 結(jié)論

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，通過(guò)本文設(shè)計(jì)的雙波段溫度控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)溫度的快速上升到第一臨界點(diǎn)，在啟用PID溫控系統(tǒng)后，溫度上升速度減慢，但仍然很快達(dá)到第二臨界點(diǎn)，之后溫度緩慢逼近設(shè)置目標(biāo)溫度400℃，且溫度穩(wěn)定、精度高，達(dá)到既定目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

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[3]陳亮.用蒸發(fā)冷凝法發(fā)生準(zhǔn)單分散亞微米氣溶膠的實(shí)驗(yàn)研究[D].北京：清華大學(xué)，2008.

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