集成一體化智能熔點儀的研究

白芳　王明華　黃瑞琴

【摘 要】熔點儀是測量有機結晶物熔點的常用儀器，介紹了一種集成一體化的智能熔點儀的硬件電路結構和軟件程序設計，控溫軟件算法方面，在深入研究各種PID算法的基礎上建立了一種適合熔點測定系統的算法，明顯提高了PID系數整定的效果，縮短了調試周期。該儀器具有硬件結構簡單，軟件算法科學的特點，能夠低成本高精度的實現對溫度的控制。實驗結果顯示控溫精度達到±0.2℃，線性升溫誤差不超過0.5%，且各項指標符合國家藥典標準，具有一定的實用價值。

【關鍵詞】集成；智能；熔點儀；C8051F020；PID調節；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

我國在醫藥、化學試劑、香料、印染等行業迅速發展，有機結晶物熔點的測量問題在這些行業中經常涉及到。晶體物質的純度對產品的質量起決定性作用。直接測量晶體物質的純度又有一定困難，所以在實際操作中通過測量晶體物質的熔點來判斷它的純度。熔點是物質固有的重要的理化參數，是物質相變轉化過程的特征溫度，在有機化學工業中，熔點的測量是分析物質特性的基本手段。我國有機化學工業不斷發展，但輕化工業在檢測手段方面卻存在不少薄弱環節，尤其在制藥行業，更需要加強檢測手段。因此開發了自動化程度較高的測量有機結晶物熔點的儀器——熔點儀[1]。

近年來，各種高性能的智能化熔點儀不斷出現，智能化和測量精度不斷地提高，但價格也較貴。集成一體化智能熔點儀，硬件電路非常簡潔，其核心控制電路只有一個（SOC級）芯片[2]，因此極大的降低了硬件成本，本智能熔點采用了C8051F020單片機作為其核心部件，結合外圍相應的必要電路以實現對被測有機化合物的初熔溫度和終熔溫度的顯示和數據存儲以及有機化合物的升溫和降溫，并且可對其溫度進行實時顯示，從而使得儀器成本更低廉，測量更準確，使用更方便。采用單片機軟硬件結合進行控制，運用其強大的可編程和運算功能，充分利用單片機的軟硬件資源，適應用戶不同需求，既節約了微型單片機資源，也加強了人機交互性，因此具有一定的實用價值[3]。

1 系統設計

熔點儀使用液晶顯示，分體設計，并設計了軟件與硬件接口，用來輔助PID參數的整定和校準[4]本系統采用加熱攪拌和控制電路的分離設計，減小了電機和旋轉磁鐵對控制電路的干擾，該系統以單片機為核心，主要包括AD轉換、數據的設定及存儲、單片機與LCD接口，溫度控制等幾部分。該系統硬件電路結構簡單，穩定，功耗低，較好的實現了熔點儀所要求的各項功能，所以該系統有很高的實用價值。

熔點儀主要由微控制器（單片機）、溫度傳感器、加熱系統、攪拌系統，鍵盤和LCD顯示等幾部分組成。熔點儀的加熱爐絲和測溫鉑電阻由支架支撐直接浸在燒杯內的傳溫液中，其底部有一磁力攪拌器，它勻速旋轉使傳溫液各點溫度均勻一致，傳溫液的加熱由儀器內的微機程序控制器控制，使其能根據使用者的要求快速升溫到預設值，待放入樣品后按要求等速升溫進行熔點測定，整個系統實現了全閉環的自動控制。鍵盤可以實現溫度預置、調零、升溫速率選擇等功能，LCD屏實時顯示傳溫液的溫度值。

熔點儀的主要目的是記錄所檢測樣品的初熔和終熔兩個溫度值，利用儀器鍵盤上的初熔、終熔兩個按鍵可以記錄這兩個溫度值。系統的總體框圖如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

2 硬件系統設計

2.1 鉑電阻電橋電路設計

在電路控制系統中，輸入部分起到重要作用，同時還需根據環境值對傳感器及軟件設置相應預設值[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。將鉑電阻作為一個橋臂，串聯一個電阻作為電橋的另一個臂。當溫度改變時，鉑電阻阻值隨之改變，鉑電阻兩端的輸出電壓隨之改變。此時電路中的主要誤差來自于橋臂串聯電阻的精度、傳感器的線性度以及激勵電壓E的穩定性。

我們選用的C8051F020單片機帶有內置的可編程增益放大器，為了充分利用單片機的內部資源，我們的溫度采集電路是一個類似于全橋的電路，橋臂串聯電阻R選用精密電阻，穩定的激勵電壓E由電路保證。差放正輸入Ui隨著溫度的改變增大，調零電壓U0由單片機內部DA值提供。

2.2 穩壓源E的設計

激勵電壓E的穩定性直接影響到信號采集的穩定性，所以有必要從硬件電路上，保證激勵電壓E的穩定性。

在電路中用兩個硅平面穩壓二極管2DW234，將電壓穩定在12.4V左右，這個電壓不需要很準確，但需要穩定。因為穩定的激勵電壓E是通過滑動變阻器調節出來，三極管（NPN）的作用相當于電壓跟隨器，增加了電路的負載能力，即激勵電壓電路中電流改變時，電壓E不至于改變。從而保證激勵電壓E的穩定性。

3 軟件系統設計

在軟件程序中，采用主程序和中斷程序獨立運行的模式，中斷采用定時器溢出方式，主程序中主要完成數據采樣、濾波、誤差校準、判鍵等功能，主程序為中斷程序提供準確的采樣數據。在中斷子程序中完成PID控制運算功能，所有復雜運算都封裝為子函數的形式，每個子程序都有相應的形參，調用子函數前只要給相應的參數賦值即可。PID是比例、積分、微分控制的簡稱，是自動化控制中歷史最長，生命力最強的基本控制方法之一。本系統采用了一種改進的位置式PID算法，并論述其軟件程序實現方法。通過試驗建立被控對象與溫度控制系統間的數學模型，即通過連續多點開環溫度控制，測得被控對象的自然散熱功率P0（P0=K1*T ），其中T為被控對象溫度的AD值，系數K1由最小二乘法線性回歸得到，在此基礎上采用積分分離、微分滯后的PID算法，以實現對溫度的高精度控制。在軟件設計上采用中斷程序和主程序并行運行的結構。在中斷程序內完成偏差計算，基本功率，比例，積分、微分相計算，最后對溫度進行控制，其中基本功率由開環自然升溫得到，即用固定功率加熱到溫度不再上升為止，得到P0=K1T，其中T為被控對象溫度的AD值，系數K1由最小二乘法線性回歸得到。以P0為基本功率，在此基礎上進行PID控制，可得到較好的控制效果。

4 實驗及分析

試驗過程中溫度勻速上升，無回落現象，線性升溫精度可以控制在0.5%以內，實現了低成本，高精度的溫度控制。

5 結論

系統經實驗驗證，在動態及穩態性能方面均表現良好。該控制系統采用了改進的PID算法，實現了精確控溫，不僅節約了硬件資源，同時還克服了人工對系統的不良影響，獲得了較好的控制效果。

【參考文獻】

[1]范德興，吳爾樺.WRS-1數字熔點儀的研制[M].光學儀器，第6卷第1期.

[2]鮑可進.C8051F020單片機原理及應用[M].中國電力出版社，2005.09.

[3]張新榮，常波，徐保國.三相反應式步進電機智能控制系統設計[J].機械設計與制造，2014（3）：241-243.

[4]孫傳友，孫曉斌，漢澤西，等.測控系統原理與設計[M].北京航空航天大學出版社，2002（4）.

[5]許鵬程，陳健，張文峰，等.智能一體紗窗的系統設計[J].機械設計與制造工程，2013，42（9）：42-45.

[責任編輯：王偉平]