集成一體化智能熔點(diǎn)儀的研究

白芳　王明華　黃瑞琴

【摘 要】熔點(diǎn)儀是測(cè)量有機(jī)結(jié)晶物熔點(diǎn)的常用儀器，介紹了一種集成一體化的智能熔點(diǎn)儀的硬件電路結(jié)構(gòu)和軟件程序設(shè)計(jì)，控溫軟件算法方面，在深入研究各種PID算法的基礎(chǔ)上建立了一種適合熔點(diǎn)測(cè)定系統(tǒng)的算法，明顯提高了PID系數(shù)整定的效果，縮短了調(diào)試周期。該儀器具有硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，軟件算法科學(xué)的特點(diǎn)，能夠低成本高精度的實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示控溫精度達(dá)到±0.2℃，線性升溫誤差不超過(guò)0.5%，且各項(xiàng)指標(biāo)符合國(guó)家藥典標(biāo)準(zhǔn)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】集成；智能；熔點(diǎn)儀；C8051F020；PID調(diào)節(jié)；溫度控制

【Abstract】Melting point measurement instrument is the most used equipment in the melting point of the organic crystals.This paper introduced an integrated intelligent instrument of the melting point for the hardware circuit and software program design， In-depth study of various PID algorithms， Significantly increased the coefficient of PID coefficients tuning effect and shortening the debugging cycle.The configuration of hardware is simple， the software algorithms scientific， the instrument can achieve low-cost high-precision temperature control. The temperature control accuracy of ± 0.2 ℃， linear warming error does not exceed 0.5%，and all criterion consistent with national Pharmacopoeia standards，with some practical value.

【Key words】Integration； Intelligent；Melting point instrument； C8051F020； PID modulation； Temperature control

0 引言

我國(guó)在醫(yī)藥、化學(xué)試劑、香料、印染等行業(yè)迅速發(fā)展，有機(jī)結(jié)晶物熔點(diǎn)的測(cè)量問(wèn)題在這些行業(yè)中經(jīng)常涉及到。晶體物質(zhì)的純度對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量起決定性作用。直接測(cè)量晶體物質(zhì)的純度又有一定困難，所以在實(shí)際操作中通過(guò)測(cè)量晶體物質(zhì)的熔點(diǎn)來(lái)判斷它的純度。熔點(diǎn)是物質(zhì)固有的重要的理化參數(shù)，是物質(zhì)相變轉(zhuǎn)化過(guò)程的特征溫度，在有機(jī)化學(xué)工業(yè)中，熔點(diǎn)的測(cè)量是分析物質(zhì)特性的基本手段。我國(guó)有機(jī)化學(xué)工業(yè)不斷發(fā)展，但輕化工業(yè)在檢測(cè)手段方面卻存在不少薄弱環(huán)節(jié)，尤其在制藥行業(yè)，更需要加強(qiáng)檢測(cè)手段。因此開(kāi)發(fā)了自動(dòng)化程度較高的測(cè)量有機(jī)結(jié)晶物熔點(diǎn)的儀器——熔點(diǎn)儀[1]。

近年來(lái)，各種高性能的智能化熔點(diǎn)儀不斷出現(xiàn)，智能化和測(cè)量精度不斷地提高，但價(jià)格也較貴。集成一體化智能熔點(diǎn)儀，硬件電路非常簡(jiǎn)潔，其核心控制電路只有一個(gè)（SOC級(jí)）芯片[2]，因此極大的降低了硬件成本，本智能熔點(diǎn)采用了C8051F020單片機(jī)作為其核心部件，結(jié)合外圍相應(yīng)的必要電路以實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)有機(jī)化合物的初熔溫度和終熔溫度的顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及有機(jī)化合物的升溫和降溫，并且可對(duì)其溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，從而使得儀器成本更低廉，測(cè)量更準(zhǔn)確，使用更方便。采用單片機(jī)軟硬件結(jié)合進(jìn)行控制，運(yùn)用其強(qiáng)大的可編程和運(yùn)算功能，充分利用單片機(jī)的軟硬件資源，適應(yīng)用戶不同需求，既節(jié)約了微型單片機(jī)資源，也加強(qiáng)了人機(jī)交互性，因此具有一定的實(shí)用價(jià)值[3]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

熔點(diǎn)儀使用液晶顯示，分體設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)了軟件與硬件接口，用來(lái)輔助PID參數(shù)的整定和校準(zhǔn)[4]本系統(tǒng)采用加熱攪拌和控制電路的分離設(shè)計(jì)，減小了電機(jī)和旋轉(zhuǎn)磁鐵對(duì)控制電路的干擾，該系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，主要包括AD轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的設(shè)定及存儲(chǔ)、單片機(jī)與LCD接口，溫度控制等幾部分。該系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定，功耗低，較好的實(shí)現(xiàn)了熔點(diǎn)儀所要求的各項(xiàng)功能，所以該系統(tǒng)有很高的實(shí)用價(jià)值。

熔點(diǎn)儀主要由微控制器（單片機(jī)）、溫度傳感器、加熱系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)，鍵盤(pán)和LCD顯示等幾部分組成。熔點(diǎn)儀的加熱爐絲和測(cè)溫鉑電阻由支架支撐直接浸在燒杯內(nèi)的傳溫液中，其底部有一磁力攪拌器，它勻速旋轉(zhuǎn)使傳溫液各點(diǎn)溫度均勻一致，傳溫液的加熱由儀器內(nèi)的微機(jī)程序控制器控制，使其能根據(jù)使用者的要求快速升溫到預(yù)設(shè)值，待放入樣品后按要求等速升溫進(jìn)行熔點(diǎn)測(cè)定，整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全閉環(huán)的自動(dòng)控制。鍵盤(pán)可以實(shí)現(xiàn)溫度預(yù)置、調(diào)零、升溫速率選擇等功能，LCD屏實(shí)時(shí)顯示傳溫液的溫度值。

熔點(diǎn)儀的主要目的是記錄所檢測(cè)樣品的初熔和終熔兩個(gè)溫度值，利用儀器鍵盤(pán)上的初熔、終熔兩個(gè)按鍵可以記錄這兩個(gè)溫度值。系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 鉑電阻電橋電路設(shè)計(jì)

在電路控制系統(tǒng)中，輸入部分起到重要作用，同時(shí)還需根據(jù)環(huán)境值對(duì)傳感器及軟件設(shè)置相應(yīng)預(yù)設(shè)值[5]。在選用鉑電阻（Pt100）作為傳感器的溫度采集電路中，一般都選用全橋路。將鉑電阻作為一個(gè)橋臂，串聯(lián)一個(gè)電阻作為電橋的另一個(gè)臂。當(dāng)溫度改變時(shí)，鉑電阻阻值隨之改變，鉑電阻兩端的輸出電壓隨之改變。此時(shí)電路中的主要誤差來(lái)自于橋臂串聯(lián)電阻的精度、傳感器的線性度以及激勵(lì)電壓E的穩(wěn)定性。

我們選用的C8051F020單片機(jī)帶有內(nèi)置的可編程增益放大器，為了充分利用單片機(jī)的內(nèi)部資源，我們的溫度采集電路是一個(gè)類似于全橋的電路，橋臂串聯(lián)電阻R選用精密電阻，穩(wěn)定的激勵(lì)電壓E由電路保證。差放正輸入U(xiǎn)i隨著溫度的改變?cè)龃螅{(diào)零電壓U0由單片機(jī)內(nèi)部DA值提供。

2.2 穩(wěn)壓源E的設(shè)計(jì)

激勵(lì)電壓E的穩(wěn)定性直接影響到信號(hào)采集的穩(wěn)定性，所以有必要從硬件電路上，保證激勵(lì)電壓E的穩(wěn)定性。

在電路中用兩個(gè)硅平面穩(wěn)壓二極管2DW234，將電壓穩(wěn)定在12.4V左右，這個(gè)電壓不需要很準(zhǔn)確，但需要穩(wěn)定。因?yàn)榉€(wěn)定的激勵(lì)電壓E是通過(guò)滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)出來(lái)，三極管（NPN）的作用相當(dāng)于電壓跟隨器，增加了電路的負(fù)載能力，即激勵(lì)電壓電路中電流改變時(shí)，電壓E不至于改變。從而保證激勵(lì)電壓E的穩(wěn)定性。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在軟件程序中，采用主程序和中斷程序獨(dú)立運(yùn)行的模式，中斷采用定時(shí)器溢出方式，主程序中主要完成數(shù)據(jù)采樣、濾波、誤差校準(zhǔn)、判鍵等功能，主程序?yàn)橹袛喑绦蛱峁?zhǔn)確的采樣數(shù)據(jù)。在中斷子程序中完成PID控制運(yùn)算功能，所有復(fù)雜運(yùn)算都封裝為子函數(shù)的形式，每個(gè)子程序都有相應(yīng)的形參，調(diào)用子函數(shù)前只要給相應(yīng)的參數(shù)賦值即可。PID是比例、積分、微分控制的簡(jiǎn)稱，是自動(dòng)化控制中歷史最長(zhǎng)，生命力最強(qiáng)的基本控制方法之一。本系統(tǒng)采用了一種改進(jìn)的位置式PID算法，并論述其軟件程序?qū)崿F(xiàn)方法。通過(guò)試驗(yàn)建立被控對(duì)象與溫度控制系統(tǒng)間的數(shù)學(xué)模型，即通過(guò)連續(xù)多點(diǎn)開(kāi)環(huán)溫度控制，測(cè)得被控對(duì)象的自然散熱功率P0（P0=K1*T ），其中T為被控對(duì)象溫度的AD值，系數(shù)K1由最小二乘法線性回歸得到，在此基礎(chǔ)上采用積分分離、微分滯后的PID算法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的高精度控制。在軟件設(shè)計(jì)上采用中斷程序和主程序并行運(yùn)行的結(jié)構(gòu)。在中斷程序內(nèi)完成偏差計(jì)算，基本功率，比例，積分、微分相計(jì)算，最后對(duì)溫度進(jìn)行控制，其中基本功率由開(kāi)環(huán)自然升溫得到，即用固定功率加熱到溫度不再上升為止，得到P0=K1T，其中T為被控對(duì)象溫度的AD值，系數(shù)K1由最小二乘法線性回歸得到。以P0為基本功率，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行PID控制，可得到較好的控制效果。

4 實(shí)驗(yàn)及分析

試驗(yàn)過(guò)程中溫度勻速上升，無(wú)回落現(xiàn)象，線性升溫精度可以控制在0.5%以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了低成本，高精度的溫度控制。

5 結(jié)論

系統(tǒng)經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在動(dòng)態(tài)及穩(wěn)態(tài)性能方面均表現(xiàn)良好。該控制系統(tǒng)采用了改進(jìn)的PID算法，實(shí)現(xiàn)了精確控溫，不僅節(jié)約了硬件資源，同時(shí)還克服了人工對(duì)系統(tǒng)的不良影響，獲得了較好的控制效果。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：王偉平]