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    基于STM32单片机的热脱附仪控制系统设计

    时间：2023-02-20 12:30:44来源：百花范文网本文已影响人

    刘晓利，谭华，王猛

    （1.河北科技工程职业技术大学，河北邢台，054035；
    2.河南牧业经济学院，河南郑州，450046）

    热脱附仪是一种样品前端处理设备，其通过将吸附有待测物体的样品加热，提取样品里面的挥发性和半挥发性组分[1]。热脱附仪工作时样品准确定位和温度精确控制对于样品检测具有重要意义。

    在热脱附仪控制系统中，样品加热热源具有惯性作用，样品加热温度难以精确控制。文献[1]提出了一种将传统 PID 控制算法与 Smith 预估补偿器结合，用于解决土壤热脱附系统中温度滞后环节影响系统稳定性的问题[2]。为热脱附仪控制系统设计提供借鉴。文献[2]设计了一种可用于现场分析的热脱附仪，但仅适用于少量样品的检验，样品处理自动化程度较低[3]。

    综上所述，利用热脱附仪对检测样品前处理，方法可行有效。土壤热脱附系统中温度有效控制可以提高系统的稳定性。

    本文设计的热脱附仪控制系统基于STM32单片机，采用PID算法，确保温度控制可靠性。样品位置采用步进电机驱动，但由于步进电机容易出现丢步和越步，从而造成样品不能准确定位。控制系统采用闭环控制对转盘定位系统干扰进行补偿，实现检测样品的准确对位，提升检测效率。

    热脱附仪主要应用于样品前端处理，其可将吸附有待测物体的样品加热，样品受热后里面的挥发性和半挥发性组分会挥发，然后通过载气（一般为氮气）加压，将加热后挥发出来的待测物体吹出。

    基于STM32单片机的热脱附仪控制系统主要包括转盘定位系统、上下扎针控制系统和推杆加热控制系统。转盘定位系统利用步进电机驱动均匀等距分布样品位置的转盘，步进电机定位决定当前处理样品，因为需要准确定位。上下扎针控制系统控制空心针扎入样品，吹入氮气，将挥发性检测物体取出，其通过步进电机和丝杆导轨控制扎针的上下移动。推杆加热控制系统所控制的推杆上装有加热源，其控制步进电机将推杆送到指定样品位置对样品进行加热。电机的控制和温度控制是本控制系统研究的重点。

    热脱附仪控制系统总体框图如图1所示，系统控制芯片采用 STM32系列单片机。控制系统工作时，设置转盘的位置，通过编码器读取当前位置，若当前位置与实际位置有偏差时，对位置进行脉冲补偿，驱动电机运转至正确的位置。温度传感器采集加热的温度值，送至控制芯片进行数据处理，系统计算采集的温度与设置的温度值之间的偏差，采用 PID 算法中，输出 PWM 值控制加热管的功率，实现温度的控制。

    图1 热脱附仪控制系统总体框图

    硬件电路由单片机电路、电源电路、通信电路、温度采集电路、限位信号采集电路、电机驱动电路、编码器电路等组成。

    2.1 微处理器电路

    热脱附仪控制系统核心功能在微处理器中实现，是控制系统中的重要部分。微处理器采用 STM32F103RCT6芯片，其GPIO 配置串口丰富，可实现多种外设，如：DMA、PWM、传感器、电机控制等外围设置。STM32 芯片及外围电路图如图2所示，由于芯片内部振荡器精确度较低，需要外接 8MHz的外部晶振作为系统时钟源。

    图2 STM32 芯片及外围电路图

    2.2 电源电路

    热脱附仪控制系统需要为微处理器提供3.3V电压以及为控制电路的其他外围电路提供5V电压两种供电电源。电源电路通过LM259提供5V稳定电压，稳压芯片ASM1117-3.3 产生 3.3V 稳定电压。5V电源电路如图3所示，3.3V电源电路如图4所示。

    图3 5V电源电路

    图4 3.3V电源电路

    2.3 温度采集电路

    本设计选用PT100温度传感器采集温度信号，通过电压跟随器隔离前后级电路，送至单片机内部集成的ADC。由于单片机ADC 工作时，需要高频时钟来驱动，可能会对电路产生一定的干扰，因此需要在 ADC 芯片前添加电压跟随器。

    电压跟随器在电路能起到隔离前后级电路，匹配电路阻抗的作用。本文采用LM358构成电压跟随器。电压跟随器电路如图5所示。

    图5 电压跟随器电路

    2.4 电机驱动电路

    本设计选用步进电机驱动样品转盘等运动。由于单片机接口端的信号不足以直接驱动步进电机，选用ULN2003作为电机驱动芯片，电机驱动电路如图6所示。

    图6 电机驱动电路

    使用MDK软件作为系统软件设计的开发环境，对STM32单片机进行一系列的编译与调试。系统的程序主要包括电机控制模块程序、加热控制模块程序。

    3.1 加热控制模块

    加热控制模块完成热脱附仪控制系统加热控制的动作流程控制及各个功能组件状态的监测。本文使用STM32单片机内置的通用定时器TIM1、TIM8产生高精度的PWM输出波形。

    热脱附仪加热控制启动后，STM32 单片机将初始化系统中的各个功能函数，包括系统各参数设置、系统定时器初始化、定时器初始化、ADC初始化等，待各功能函数初始化后，读取温度值并滤波，读取设定温度值，在加热控制模块中收到加热命令执行加热操作时，控制器将读取温度值并进行PID控制，同时发送实时温度，执行温控操作。加热控制利用系统的定时器中断功能在固定周期内采样，并对所采集的温度数据进行滤波处理，获取当前时刻加热的温度值。加热控制程序流程图如图7所示。

    图7 加热控制程序流程图

    3.2 电机控制模块

    主程序采用轮询的方式，主函数扫描处于程序运行还是复位状态，在程序运行状态中，判断当前按钮状态处于运行、手动还是复位。转盘电机确定位置，当转至指定位置，启动扎针电机，开启吹扫并定时，定时时间到，关闭吹扫，开启检漏，开启加热采样操作。在复位状态中，转盘电机、扎针电机、推杆电机找寻原点。电机控制程序流程图如图8所示。

    图8 电机控制程序流程图

    3.3 算法设计

    3.3.1 数据处理算法

    本系统设计的热脱附仪温度控制系统采用PT100温度传感器感知加热温度，通过电路转换将信号转化为电压值通过ADC转为数字信号通过控制系统处理。在此过程中，采样信号可能会受到各种干扰，采集的温度信号不够准确，需要对采集的温度数据进行处理，消除信号中的噪声。数字滤波是处理随机性噪音干扰常用的方法。结合实际情况，本文选用算术平均滤波法对采集的数据进行处理。

    3.3.2 PID控制模块

    在温度控制系统中，将设定的目标温度值与采集到的温度值作比较，计算出此刻温度的偏差值，当采集到的温度值小于设定目标温度值，且偏差比较大时，大功率加热接近目标。当采集到的温度值接近目标值时，计算积分项，并将偏差值和积分项的值输入控制算法子程序中，将其作用于PID 控制器，最后将得到的控制量输出以PWM波的形式输出。

    本文针对热脱附仪取样操作时，样品不能准确定位的问题，样品预加热时，加热温度控制问题等，设计了基于 STM32 单片机的热脱附仪控制系统，主要对系统的软硬件进行设计，还对温度数据和温度控制算法进行研究并在软件中实现。从功能上所设计的热脱附控制系统能够实现样品准确定位，加热温度可靠控制，提高热脱仪检测效率，保证样品温度控制的可靠性。

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