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摘 要 介绍一种基于STM32处理器的速热真空脱气系统设计方案。以STM32F103VCT6微控制器为核心，通过对流速、温度、真空度的检测和反馈控制，实现对蒸馏水、去离子水等纯化水快速脱气，同时，通过使用该芯片的FSMC功能配合CPLD的实现TFT屏的人机界面。
【关键词】速热脱气 STM32 真空脱气
【关键词】速热脱气 STM32 真空脱气
1 引言
随着新增了《0931 溶出度与释放度测定法》的2015版《中国药典》发布，市场对药物溶出设备的需求越来越多，而药物溶出所要使用的纯化水必须经过脱气处理，从而使得快速而高效的真空脱气设备也有了广泛的前景。目前市面上的真空脱气设备，多以储罐式为主，都采用加热，循环，抽真空等方式，需要反复循环，脱气时间较长，一旦容量用完则需要重新准备。对于一次性需要大量纯化水的场所，该种方式就存在缺陷。本系统主要介绍了一种能快速加热脱气，脱气效率高，无限量供应的系统。
2 系统的原理及构成
2.1 系统原理
本系统采用加热与脱气膜相结合的方法进行脱气，利用脱气膜的扩散原理将水中的气体去除。工作时，水流在一定的压力下从脱气膜里面通过，而膜外面在真空泵的作用下将气体不断的抽走，并形成一定的负压，这样水中的气体就不断从水中经脱气膜向外溢出，从而达到去除水中气体的目的。而在水进入脱气膜前就预先加热，使得氧气在水中的溶解度降低，增加了脱气效果的有效性。系统原理图如图1。
2.2 系统构成
本系统系统主要有脱气单元、快速加热单元、检测与控制单元和人机界面单元组成。
2.2.1 脱气单元
该单元的材料选型是个关键，本系统选用聚丙烯中空纤维膜，利用该材料的疏水特性，即水不能透过膜壁，而气体可以透过膜壁而改变气体在水中的溶解度。该材质温度耐受范围可以达到0～90℃，使用PH范围1～14，具有较高的化学稳定性，不会对水质产生影响，然后根据水通量、孔隙率和透气率来选择规格尺寸。
2.2.2 快速加热单元
该单元是采用陶瓷半导体PTC材料作发热体，陶瓷PTC 热敏电阻通过掺杂一种化学价较高的材料后，得到了一定数量产生导电性的自由电子。利用其半导体空穴原理，实现电子氧空位，促使电子在场强条件下产生碰撞，使电能转化为热能彻底的水电分离技术。其特点是：真正水电分离、使用安全、热效率高、经久耐用、无明火、耐酸碱等。
2.2.3 检测与控制单元
该单元的主芯片选用意法半导体（STMicroelectronics）STM32F103VCT6作为核心的处理器，主要完成流速、温度、真空度检测，AD转换，通过逻辑分析、判断，输出快速加热单元的PID恒温控制信号、真空泵启停控制信号和电磁阀开合控制信号，同时，显示系统运行状态，实现人机界面的显示和输入。检测与控制单元框图如图2。
本系统分别采用FS21-VL1-300，PT100，MPX2100DP 等检测元件和传感器，对系统的流速、温度和真空度进行采样，信号经过放大和滤波后，使用STM32自带的12位AD进行数模转换，从而得到相应的参数，再根据这些参数对相关部件进行控制。
同时，在根据液体的流速、液体的比热和入口液体温度范围和液体加热目标温度范围等条件，选定加热器的功率后，需要对其进行精准控温，使出口水温符合药典中溶出度试验要求的温度。本系统采用可控硅调压电路，市电经过降压以后，通过过零检测电路，获得一个交流过零中断给STM32，而STM32根据该中断，通过PID算法，计算出可控硅的导通角时间后，启动内部定时器，调整定时时间来开通可控硅，来进行调节控温。
当系统各参数符合特定要求时，将实现纯化水只需一次流过，就能高效脱气，无需循环多次，省时、省力、提高工作效率。
2.2.4 人机界面单元
本系统采用7寸TFT和4线制电阻屏作为最终人机界面单元。单元内部采用ALTERA公司的MAXII CPLD EPM570T144 搭配Winbond公司的W9846G6JH SDRAM的方式驱动RGB接口显示屏，在STM32的16位并行总线接口与RGB接口之间实现转换的同时还提供了一系列实用功能，工作稳定性方面本模块具备超强抗干扰能力，远远超越市场上的SSD1963驱动方案，SSD1963抗干扰差，有死机白屏的风险。
触摸输入上采用4线制电阻屏，虽然现在市场上电容屏已经得到了广泛的运用，但是考虑到本系统服务的对象多为药检所、药厂、化工厂等的检验部门，操作员一般都需要戴手套操作，且容易有液体溅在屏上，目前市面上可以带手套操作的电容屏有限，对所使用的手套也有一定的要求，所以综合考虑，还是选用压触方式的电阻屏比较适合。本系统采用XPT2046四线制电阻触摸屏控制芯片，内含12位分辨率125KHz转换速率逐步逼近型A/D转换器，采用 SPI 3线制接口与STM32通信。
3 系统软件开发环境及结构
3.1 软件开发环境
系统控制软件的开发采用IAR Embedded Workbench for ARM集成开发环境，其集成编辑、编译、链接、软件仿真、硬件调试等功能于一体，是一个易用、高效的软件开发环境。
3.2 软件结构设计
（1）本系统采用ST官方提供的固件函数库V3.50，该函数库是一个固件函数包，它由程序、数据结构和宏组成，包括了微控制器所有外设的性能特征。通过使用本固件函数库，无需深入掌握细节，用户也可以轻松应用每一个外设。因此，使用本固态函数库可以大大减少用户的程序编写时间，进而降低开发成本。
（2）界面显示则采用UCGUI方式来开发，UCGUI是一种嵌入式应用中的图形支持系统。它设计用于为任何使用LCD图形显示的应用提供高效的独立于处理器及LCD控制器的图形用户接口，它适用单任务或是多任务系统环境，并适用于任意LCD控制器和CPU下任何尺寸的真实显示或虚拟显示。它的设计架构是模块化的，由不同的模块中的不同层组成，由一个LCD驱动层来包含所有对LCD的具体图形操作。
在完成UCGUI在STM32芯片上的移植后，就是各驱动模块设计，包括使用STM32的FSMC功能配合CPLD的实现TFT屏显示；使用SPI接口对触摸屏的坐标定位；使用内部AD进行对纯化水的温度、流速，脱气单元的真空度等参数进行转换；使用过零中断和PID算法对快速加热单元进行精准控温；使用GPIO口配合驱动电路控制电磁阀从而改变纯化水流路。
4 结论
基于STM32的速热真空脱气系统，可用于药物研究、制药、化工等行业，完全符合《中国药典》的规定，解决了已有的对真空脱气处理的技术中存在的效率低下、脱气效果差以及成本偏高的问题，可代替人工煮沸法和其他的脱气方法，省时、省力，提高工作效率。
参考文献
[1]白志刚.自动调节系统解析与PID整定[M].北京：化学工业出版社，2012（07）.
[2]刘军.例说STM32[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011（04）.
[3]刘波文.ARM Cortex-M3应用开发实例详解[M].北京：电子工业出版社，2011（02）.
[4]意法半导体.STM32中文参考手册（第10版）[Z].意法半导体（中国）投资公司，2010.
作者单位
浙江泰林生物技术股份有限公司 浙江省杭州市 310052