白芳　王明華　黃瑞琴

【摘 要】熔點儀是測量有機結(jié)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(jié)構(gòu)和軟件程序設(shè)計，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測定系統(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)簡單，軟件算法科學(xué)的特點，能夠低成本高精度的實現(xiàn)對溫度的控制。實驗結(jié)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(guān)鍵詞】集成；智能；熔點儀；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

我國在醫(yī)藥、化學(xué)試劑、香料、印染等行業(yè)迅速發(fā)展，有機結(jié)晶物熔點的測量問題在這些行業(yè)中經(jīng)常涉及到。晶體物質(zhì)的純度對產(chǎn)品的質(zhì)量起決定性作用。直接測量晶體物質(zhì)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(zhì)的熔點來判斷它的純度。熔點是物質(zhì)固有的重要的理化參數(shù)，是物質(zhì)相變轉(zhuǎn)化過程的特征溫度，在有機化學(xué)工業(yè)中，熔點的測量是分析物質(zhì)特性的基本手段。我國有機化學(xué)工業(yè)不斷發(fā)展，但輕化工業(yè)在檢測手段方面卻存在不少薄弱環(huán)節(jié)，尤其在制藥行業(yè)，更需要加強檢測手段。因此開發(fā)了自動化程度較高的測量有機結(jié)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(xiàn)，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(jié)合外圍相應(yīng)的必要電路以實現(xiàn)對被測有機化合物的初熔溫度和終熔溫度的顯示和數(shù)據(jù)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(jié)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(yīng)用戶不同需求，既節(jié)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(tǒng)設(shè)計

熔點儀使用液晶顯示，分體設(shè)計，并設(shè)計了軟件與硬件接口，用來輔助PID參數(shù)的整定和校準[4]本系統(tǒng)采用加熱攪拌和控制電路的分離設(shè)計，減小了電機和旋轉(zhuǎn)磁鐵對控制電路的干擾，該系統(tǒng)以單片機為核心，主要包括AD轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的設(shè)定及存儲、單片機與LCD接口，溫度控制等幾部分。該系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定，功耗低，較好的實現(xiàn)了熔點儀所要求的各項功能，所以該系統(tǒng)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(tǒng)、攪拌系統(tǒng)，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(nèi)的傳溫液中，其底部有一磁力攪拌器，它勻速旋轉(zhuǎn)使傳溫液各點溫度均勻一致，傳溫液的加熱由儀器內(nèi)的微機程序控制器控制，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行熔點測定，整個系統(tǒng)實現(xiàn)了全閉環(huán)的自動控制。鍵盤可以實現(xiàn)溫度預(yù)置、調(diào)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(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

2.1 鉑電阻電橋電路設(shè)計

在電路控制系統(tǒng)中，輸入部分起到重要作用，同時還需根據(jù)環(huán)境值對傳感器及軟件設(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。將鉑電阻作為一個橋臂，串聯(lián)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(lián)電阻的精度、傳感器的線性度以及激勵電壓E的穩(wěn)定性。

我們選用的C8051F020單片機帶有內(nèi)置的可編程增益放大器，為了充分利用單片機的內(nèi)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(lián)電阻R選用精密電阻，穩(wěn)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(diào)零電壓U0由單片機內(nèi)部DA值提供。

2.2 穩(wěn)壓源E的設(shè)計

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

在電路中用兩個硅平面穩(wěn)壓二極管2DW234，將電壓穩(wěn)定在12.4V左右，這個電壓不需要很準確，但需要穩(wěn)定。因為穩(wěn)定的激勵電壓E是通過滑動變阻器調(diào)節(jié)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(wěn)定性。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。在中斷子程序中完成PID控制運算功能，所有復(fù)雜運算都封裝為子函數(shù)的形式，每個子程序都有相應(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(tǒng)采用了一種改進的位置式PID算法，并論述其軟件程序?qū)崿F(xiàn)方法。通過試驗建立被控對象與溫度控制系統(tǒng)間的數(shù)學(xué)模型，即通過連續(xù)多點開環(huán)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(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，以實現(xiàn)對溫度的高精度控制。在軟件設(shè)計上采用中斷程序和主程序并行運行的結(jié)構(gòu)。在中斷程序內(nèi)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(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(xiàn)象，線性升溫精度可以控制在0.5%以內(nèi)，實現(xiàn)了低成本，高精度的溫度控制。

5 結(jié)論

系統(tǒng)經(jīng)實驗驗證，在動態(tài)及穩(wěn)態(tài)性能方面均表現(xiàn)良好。該控制系統(tǒng)采用了改進的PID算法，實現(xiàn)了精確控溫，不僅節(jié)約了硬件資源，同時還克服了人工對系統(tǒng)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(shù)字熔點儀的研制[M].光學(xué)儀器，第6卷第1期.

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

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

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

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

[責任編輯：王偉平]