集成一体化智能熔点仪的研究

白芳　王明华　黄瑞琴

【摘 要】熔点仪是测量有机结晶物熔点的常用仪器，介绍了一种集成一体化的智能熔点仪的硬件电路结构和软件程序设计，控温软件算法方面，在深入研究各种PID算法的基础上建立了一种适合熔点测定系统的算法，明显提高了PID系数整定的效果，缩短了调试周期。该仪器具有硬件结构简单，软件算法科学的特点，能够低成本高精度的实现对温度的控制。实验结果显示控温精度达到±0.2℃，线性升温误差不超过0.5%，且各项指标符合国家药典标准，具有一定的实用价值。

【关键词】集成；智能；熔点仪；C8051F020；PID调节；温度控制

【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

我国在医药、化学试剂、香料、印染等行业迅速发展，有机结晶物熔点的测量问题在这些行业中经常涉及到。晶体物质的纯度对产品的质量起决定性作用。直接测量晶体物质的纯度又有一定困难，所以在实际操作中通过测量晶体物质的熔点来判断它的纯度。熔点是物质固有的重要的理化参数，是物质相变转化过程的特征温度，在有机化学工业中，熔点的测量是分析物质特性的基本手段。我国有机化学工业不断发展，但轻化工业在检测手段方面却存在不少薄弱环节，尤其在制药行业，更需要加强检测手段。因此开发了自动化程度较高的测量有机结晶物熔点的仪器——熔点仪[1]。

近年来，各种高性能的智能化熔点仪不断出现，智能化和测量精度不断地提高，但价格也较贵。集成一体化智能熔点仪，硬件电路非常简洁，其核心控制电路只有一个（SOC级）芯片[2]，因此极大的降低了硬件成本，本智能熔点采用了C8051F020单片机作为其核心部件，结合外围相应的必要电路以实现对被测有机化合物的初熔温度和终熔温度的显示和数据存储以及有机化合物的升温和降温，并且可对其温度进行实时显示，从而使得仪器成本更低廉，测量更准确，使用更方便。采用单片机软硬件结合进行控制，运用其强大的可编程和运算功能，充分利用单片机的软硬件资源，适应用户不同需求，既节约了微型单片机资源，也加强了人机交互性，因此具有一定的实用价值[3]。

1 系统设计

熔点仪使用液晶显示，分体设计，并设计了软件与硬件接口，用来辅助PID参数的整定和校准[4]本系统采用加热搅拌和控制电路的分离设计，减小了电机和旋转磁铁对控制电路的干扰，该系统以单片机为核心，主要包括AD转换、数据的设定及存储、单片机与LCD接口，温度控制等几部分。该系统硬件电路结构简单，稳定，功耗低，较好的实现了熔点仪所要求的各项功能，所以该系统有很高的实用价值。

熔点仪主要由微控制器（单片机）、温度传感器、加热系统、搅拌系统，键盘和LCD显示等几部分组成。熔点仪的加热炉丝和测温铂电阻由支架支撑直接浸在烧杯内的传温液中，其底部有一磁力搅拌器，它匀速旋转使传温液各点温度均匀一致，传温液的加热由仪器内的微机程序控制器控制，使其能根据使用者的要求快速升温到预设值，待放入样品后按要求等速升温进行熔点测定，整个系统实现了全闭环的自动控制。键盘可以实现温度预置、调零、升温速率选择等功能，LCD屏实时显示传温液的温度值。

熔点仪的主要目的是记录所检测样品的初熔和终熔两个温度值，利用仪器键盘上的初熔、终熔两个按键可以记录这两个温度值。系统的总体框图如图1所示。

图1 系统总体框图

2 硬件系统设计

2.1 铂电阻电桥电路设计

在电路控制系统中，输入部分起到重要作用，同时还需根据环境值对传感器及软件设置相应预设值[5]。在选用铂电阻（Pt100）作为传感器的温度采集电路中，一般都选用全桥路。将铂电阻作为一个桥臂，串联一个电阻作为电桥的另一个臂。当温度改变时，铂电阻阻值随之改变，铂电阻两端的输出电压随之改变。此时电路中的主要误差来自于桥臂串联电阻的精度、传感器的线性度以及激励电压E的稳定性。

我们选用的C8051F020单片机带有内置的可编程增益放大器，为了充分利用单片机的内部资源，我们的温度采集电路是一个类似于全桥的电路，桥臂串联电阻R选用精密电阻，稳定的激励电压E由电路保证。差放正输入Ui随着温度的改变增大，调零电压U0由单片机内部DA值提供。

2.2 稳压源E的设计

激励电压E的稳定性直接影响到信号采集的稳定性，所以有必要从硬件电路上，保证激励电压E的稳定性。

在电路中用两个硅平面稳压二极管2DW234，将电压稳定在12.4V左右，这个电压不需要很准确，但需要稳定。因为稳定的激励电压E是通过滑动变阻器调节出来，三极管（NPN）的作用相当于电压跟随器，增加了电路的负载能力，即激励电压电路中电流改变时，电压E不至于改变。从而保证激励电压E的稳定性。

3 软件系统设计

在软件程序中，采用主程序和中断程序独立运行的模式，中断采用定时器溢出方式，主程序中主要完成数据采样、滤波、误差校准、判键等功能，主程序为中断程序提供准确的采样数据。在中断子程序中完成PID控制运算功能，所有复杂运算都封装为子函数的形式，每个子程序都有相应的形参，调用子函数前只要给相应的参数赋值即可。PID是比例、积分、微分控制的简称，是自动化控制中历史最长，生命力最强的基本控制方法之一。本系统采用了一种改进的位置式PID算法，并论述其软件程序实现方法。通过试验建立被控对象与温度控制系统间的数学模型，即通过连续多点开环温度控制，测得被控对象的自然散热功率P0（P0=K1*T ），其中T为被控对象温度的AD值，系数K1由最小二乘法线性回归得到，在此基础上采用积分分离、微分滞后的PID算法，以实现对温度的高精度控制。在软件设计上采用中断程序和主程序并行运行的结构。在中断程序内完成偏差计算，基本功率，比例，积分、微分相计算，最后对温度进行控制，其中基本功率由开环自然升温得到，即用固定功率加热到温度不再上升为止，得到P0=K1T，其中T为被控对象温度的AD值，系数K1由最小二乘法线性回归得到。以P0为基本功率，在此基础上进行PID控制，可得到较好的控制效果。

4 实验及分析

试验过程中温度匀速上升，无回落现象，线性升温精度可以控制在0.5%以内，实现了低成本，高精度的温度控制。

5 结论

系统经实验验证，在动态及稳态性能方面均表现良好。该控制系统采用了改进的PID算法，实现了精确控温，不仅节约了硬件资源，同时还克服了人工对系统的不良影响，获得了较好的控制效果。

【参考文献】

[1]范德兴，吴尔桦.WRS-1数字熔点仪的研制[M].光学仪器，第6卷第1期.

[2]鲍可进.C8051F020单片机原理及应用[M].中国电力出版社，2005.09.

[3]张新荣，常波，徐保国.三相反应式步进电机智能控制系统设计[J].机械设计与制造，2014（3）：241-243.

[4]孙传友，孙晓斌，汉泽西，等.测控系统原理与设计[M].北京航空航天大学出版社，2002（4）.

[5]许鹏程，陈健，张文峰，等.智能一体纱窗的系统设计[J].机械设计与制造工程，2013，42（9）：42-45.

[责任编辑：王伟平]