基于嵌入式系統的氣溶膠熱發生器的關鍵技術研究

陳建 梁鳳飛 胡增 孫吉勇

摘? 要：文章是基于嵌入式系統對氣溶膠熱發生器的關鍵技術——溫控系統的研究，以高速MCU為主控芯片，搭建溫度控制系統閉環回路，采用雙波段溫度控制技術，可快速達到溫度控制目標并穩定，實現開機3分鐘即可工作，基于該溫度控制系統，順利開發了基于蒸發冷凝原理的氣溶膠熱發生器，經過測試，氣溶膠熱發生器在165秒達到所需溫度并最終保持在400℃，實現溫度的快速高精度控制。

關鍵詞：氣溶膠;熱發生器;雙波段溫度控制;閉環控制

中圖分類號：X513? ? ?? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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

氣溶膠發生器作為空氣過濾系統檢測的關鍵設備被廣泛應用于空氣過濾系統的檢測，氣溶膠發生器根據其原理分為氣溶膠冷發生器及氣溶膠熱發生器[3]。氣溶膠熱發生器是根據蒸發冷凝的原理[1]，溫度控制則是氣溶膠熱發生器的關鍵技術之一。基于此，本文設計了一種雙波段溫度閉環控制系統，實現溫度快速上升并穩定。

1 嵌入式控制電路設計

1.1 溫度檢測電路設計

在氣溶膠熱發生器控制系統中，由于溫度高達400℃，因此需要采用高溫熱電偶，本文選用PT100熱電阻，PT100是一種應用廣泛的測溫元件，在-50℃-600℃的范圍內具有其他溫度傳感器更佳的優勢，其精度高、穩定性好、抗干擾能力強等[4]，本文采用橋式測溫電路，如圖1。

本設計通過調整可變電阻R7實現清零標定，輸出信號可直接進入AD轉換芯片轉換成數字信號。

1.2 AD轉換電路設計

AD轉換芯片是本文設計的溫控系統的核心部件之一，其轉換精度、可靠性直接影響后續的控制系統控制精確度、穩定度等，本文采用AD7685作為AD轉換的主芯片，如圖2。

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

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

本文采用3.3V數字邏輯電平電源，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轉換芯片的參考電位及供電，如圖3。

1.3 主控MCU電路設計

主控MCU芯片選用意法半導體公司的STM32F103RB

T6，STM32F103RBT6采用ARM32位Cortex-M3內核，最高工作頻率72MHz，存儲器訪問周期可達1.25DMips/MHz。

1.4 加熱器控制電路

本文設計的氣溶膠熱發生器系統采用100W加熱器，以實現在現有功率的情況下快速實現溫度上升，并采用固態繼電器作為加熱器開關控制元件，固態繼電器優于傳統的機械式繼電器，其具有響應速度快、無點接觸火花、應用簡單方便等優點。通過固態繼電器對加熱器進行直接驅動控制，減少外圍部件，提高系統穩定性。本文還采用了光電耦合器將強電與弱點控制隔離，防止加熱器部分的強電部分對MCU控制回路的弱電部分產生干擾，影響系統的穩定性及溫度控制的精度。如圖4。

2 控制程序編寫

系統控制加熱過程主要分為兩個階段，第一個階段為快速升溫過程，當溫度達到第一臨界點前，加熱器全功率加熱。當溫度達到第一臨界點后，開始PID精確控制加熱器加熱，此過程對溫度升高速度要求降低，但對溫度的穩定性及精度要求提高。當溫度達到第二臨界點時，系統確認惰性氣體氣壓，當氣壓達到需求時，開啟油管閥門，此時發生器噴嘴將噴出氣溶膠顆粒。

3 系統測試

通過本文設計的氣溶膠熱發生器的關鍵部分之一——溫控系統，設定目標值為400℃，第一臨界值為320℃，第二臨界值為360℃，具體溫度時間曲線如圖5。

由圖5可以看出，加熱器全功率加熱時，溫度在62秒達到第一臨界點，在94秒達到第二臨界點，此時即可進行打開油閥進行發霧。之后的時間，溫度則緩慢接近設置目標400℃。

4 結論

根據實驗結果可知，通過本文設計的雙波段溫度控制系統，實現溫度的快速上升到第一臨界點，在啟用PID溫控系統后，溫度上升速度減慢，但仍然很快達到第二臨界點，之后溫度緩慢逼近設置目標溫度400℃，且溫度穩定、精度高，達到既定目標。

參考文獻：

[1]Stahlhofen W，Gebhart J，Roth C. Generation and propertiesof a condensation aerosol of di-2-ethylhexyl-sebacate（DES）-III：Experimental investigations into the process ofaerosol formation.? Journal of Aerosol Science，1976：30-33.

[2]Baron P A，Willeke K. Aerosol Measurement：Principles，Techni

ques，and Applications，2001：52-55.

[3]陳亮.用蒸發冷凝法發生準單分散亞微米氣溶膠的實驗研究[D].北京：清華大學，2008.

[4]朱煒敏，劉瑾，楊海馬.高精度恒溫控制系統的設計[J].測控技術，2017（04）：89-92.