（控制理论与控制工程专业论文）智能恒温培养振荡器的研究.pdf

l 学位论文的主要创新点 一、提出了一种自调整模糊控制与p i d 控制相结合的改进算法，并将 该算法实际应用到了生物医学实验用智能恒温培养振荡器的控制中。 实验结果表明该算法具有良好的控制性能，能完全满足系统性能的设 计要求。 二、利用变频技术对电机进行控制，并采用p w m 型变频调速方法， 既能很好满足系统的控制要求，又在很大程度上节约了能源，具有良 好的应用前景。 三、设计了u s b 高速通信模块，将全程温度、速度、时间等数据实 现u s b 数据传输、下载、上位机自动成图等数据处理功能。 摘要 本文阐述了智能恒温培养振荡器的电气控制系统的软件和硬件的设计。它主 要包括恒温箱体的温度控制和电机的变频调速控制以及u s b 数据下载功能，实现 了仪器的智能化。温度控制是整个设计的核心。在温度控制中，根据实际需要， 采用a v ra t m e g a l 2 8 单片机、铂电阻p t l 0 0 构成温度采集系统，使其在硬件上能达 到很高的精度。通过采用自校j 下模糊控制与数字p i d 控制相结合控制算法的方法， 可使温控精度在4 6 0 。c 范围内达到0 2 ，并可实现温度设定值的循环可调。 为了提高精度，本设计还利用软件对测量精度进行自校准；在变频调速控制中， 主要以a v ra t m e g a l 2 8 单片机为核心，采用p w m 型变频调速使电机在3 0 、6 0 0 r p m 连 续可调。此外，设计中还加入了光电隔离措施及电机过流自动保护和超限报警功 能，以增强系统的安全性能。在u s b 通信模块中，主要以c h 3 7 5 b 为核心，实现系 统全程温度、数据、时间等信息的数据存储和传输，以便供上位机成图软件使用。 本文依据实际工程背景，针对系统的总体结构及硬件设计、控制算法等关键 问题进行了探讨。首先，按照系统提出的技术要求，依据可靠性高、实用性强、 操作方便的设计原则，合理设计了温控系统和变频调速系统的总体结构。在对系 统温度控制算法实现过程中，通过软件设计提高运算精度，通过硬件设计改善系 统的测控精度，使该控制策略具有良好的控制精度和很强的鲁棒性，实验结果表 明该设计完全达到了系统要求的技术指标。其次，针对系统的加热$ j j 冷过程的 复杂性，如时变特性和时滞特性，基于温控算法对控制策略进行了自寻优设计， 大大增强系统对被控对象自适应性能。 关键词：单片机，p i d ，模糊控制，温度控制，变频，自校j 下，u s b 通信 a b s t r a c t t h i se s s a yg i v e sad e t a i l e da c c o u n to ft h ed e s i g no ft h es o f ta n dh a r dw a r e so f i n t e l l i g e n tc o n s t a n tt e m p e r a t u r ec u l t u r ei n s t r u m e n t se l e c t r i cc o n t r o ls y s t e m i tm a i n l y i n c l u d e st h et e m p e r a t u r ec o n t r o lo fc o n s tt e m p e r a t u r eb o x ，t h ev a r i a b l ef r e q u e n c y c o n t r o lf o rs i n g l e p h a s em o t o r ，a n du s bd a t ad o w n l o a df u n c t i o nt oa c h i e v ei n t e l l i g e n t i n s t r u m e n t a n dt h et e m p e r a t u r ec o n t r o li st h ec o r eo fw h o l ed e s i g n i nt e m p e r a t u r e c o n t r o l ，t h et e m p e r a t u r ec o l l e c t i n gs y s t e mi sc o m p o s e do f a v rm e g a l 2 8s c m ， p l a t i n u mr e s i s t o r sp t 10 0t og e ts u c hh i g h p r e c i s i o no nt h eh a r dw a r e s u s i n gt h e c o n t r o la l g o r i t h mw i t hc o m b i n i n gs e l f - a d j u s tf u z z yc o n t r o lw i t hd i g i t a lp i dc o n t r o l ， t h et e m p e r a t u r ec a nb ec o n t r o l l e dw i t h i nt h er a n g eo f4 6 0 。cw i t hap r e c i s i o no f 0 2 。ca n du n i n t e r r u p t e da d j u s ta b i l i t yo ft e m p e r a t u r es e t t i n gi sr e a l i z e d i no r d e r t o e n h a n c et h ep r e c i s i o n ，t h i sd e s i g np r o p o s e st h a ts o f t w a r es h o u l db ee m p l o y e d t oc a l t y o na d j u s t m e n to fm e a s u r e dp r e c i s i o n ；a n dm e a n w h i l ei tc a l l sf o rt h ea p p l i c a t i o no f t h ep h o t o e l e c t r i ci n s u l a t i o n ，t h eo v e re l e c t r i cc u r r e n tp r o t e c t i o na n da l a r ms oa st o e n h a n e et h es e c u r i t yp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m i nt h eu s bc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ， c h 3 7 5 bi st h ec o r et os t o r ea n dt r a n s m i tt h ew h o l et e m p e r a t u r ed a t a ，s p e e dd a t aa n d t i m ei n f o r m a t i o no ft h es y s t e mi no r d e rt om e e tt h eh o s tc o m p u t e rm a p p i n gs o f t w a r e b a s e do nt h ep r a c t i c e si ne n g i n e e r i n g ，i nt h i sp a p e rs o m ek e yt e c h n o l o g i c a l p r o b l e m sa r ed e e p l yd i s c u s s e d i nd e s i g n i n gt h ew h o l es t r u c t u r e sa n dh a r d w a r ea n d d e s i g n i n gc o n t r o l l i n ga l g o r i t h mf o rt h i ss y s t e m f i r s t ，c o n s i d e r i n gt h et e c h n o l o g i c a l r e q u i r e m e n t so ft h es y s t e ma n db a s e d o nt h es t u d ya n da b s o r p t i o no fr e l a t i v et h e o r i e s a n dt e c h n o l o g i e sf o rt h ek e yp r o b l e m s ，t h ew h o l es t r u c t u r eo ft e m p e r a t u r ec o n t r o l s v s t e ma n dv a r i a b l ef r e q u e n c yc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e dw h i c h i ss a t i s f i e df o rt h e r e q u i r e m e n t so fh i g hr e l i a b i l i t y ，p r a c t i c a l i t ya n dc o n v e n i e n c eo p e r a t i o n s i nt h e p r o c e s so fm a k i n gt e m p e r a t u r ec o n t r o lr e a l i z e d ，c a l c u l a t i n gp r e c i s i o ni si m p r o v e db y t h es v s t e mp r e c i s i o n t h i ss t r a t e g yi so fe x c e l l e n ta c c u r a c ya n ds t r o n gr o b u s t n e s s t h e a d j u s t i n gr e s u l t sp r o v e t h a tt h er e q u i r e m e n to ft e c h n o l o g yo ft h es y s t e mi ss a t i s f i e di n e s s e n c e n e x t ，c o n s i d e r i n gt h ec o m p l e x i t yo f t h eh e a t i n ga n dc o o l i n gp r o c e s so f t h e s y s t e m ，s u c ha st h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h et i m ec h a n g ea n dd e l a y ，t h ec o n t r o l l i n g s t r a t e g yh a st ob ed e s i g n e dt os e lf - o p t i m i z a t i o nb a s e do nt e m p e r a t u r ec o n t r o l a l g o r i t h m ，a n de n h a n c e st h es e l f - a d a p t a t i o no fs y s t e mg r e a t l y k e y w o r d s ：s c m ，p i d ，f u z z yc o n t r o l ，t e m p e r a t u r ec o n t r o l ，v a r i a b l ef r e q u e n c y ，s ei f - a d j u s t ，u s b c o m m u n i c a t i o n s 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景和意义1 1 2 国内外研究现状2 1 3 作者完成的主要工作3 第二章智能恒温培养振荡器的控制系统简介5 2 1 智能恒温培养振荡器的组成5 2 2 控制系统硬件的主要组成部件及选型要求6 2 2 1 系统主控单元简介6 2 2 2 电源的选择及其主要参数7 2 2 3 加热、制冷器件的选择及其主要参数8 2 2 4 温度传感器的选择及其主要参数9 2 2 5 电机的选择及其主要参数1 2 2 3 系统功能及性能要求1 4 第三章智能恒温培养振荡器系统硬件实现1 5 3 1 硬件控制电路的设计思想1 5 3 2 硬件控制电路的总体结构设计1 6 3 3 硬件控制电路的模块设计1 8 3 3 1 电源模块的设计1 8 3 3 2 系统主控单元核心电路的设计1 9 3 3 3 内腔温度检测电路1 9 3 3 4 室温检测模块2 1 3 3 5 实时时钟电路2 l 3 3 6 系统存储器的扩展2 2 3 3 7 键盘及碌示模块2 2 3 3 8u s b 通信模块的设计2 3 3 3 9 蜂鸣报警电路2 5 3 3 1 0p w m 型变频调速系统的控制电路2 6 3 3 1l 电机测速接口电路3 3 3 3 1 2 加热、制冷，风扇驱动控制电路3 3 第四章智能恒温培养振荡器系统软件实现3 5 4 1g c c a v r 及a v rs t u d i o 简介3 5 4 2 检测电路的软件设计3 6 4 2 1 电机的速度检测设计3 6 4 2 2 内腔温度检测模块设计3 8 4 2 3 环境温度检测传感器读 j 控制设计4 0 4 3 电机控制电路的软件设计4 3 4 4 人机界面的软件设计4 6 4 5 系统时钟读取模块的软件设计4 7 4 6 系统存储器的扩展单兀的软件设计4 8 2 5 5 5 5 9 0 3 3 3 4 5 7 9 1 5 5 5 5 5 5 6 6 6 6 6 6 6 6 7 一 一 一 一 一计果 一 一 一 一 一 一 一 一 一一 一 一程设效 一 一 一 一 一 一 一 一 一一 一 一过的制 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一一构计器控 一 一一 一 一 一 一 一 第一章绪论 第一章绪论 2 0 世纪5 0 年代初期，仪器仪表取得了重大突破，数字技术的出现使各种数 字仪器得以问世，把模拟仪器的精度、分辨度与测量速度提高了几个量级，为实 现测试自动化打下了良好的基础。2 0 世纪6 0 年代中期，测量技术又一次取得了 进展，计算机的引入，使仪器的功能发生了质的变化，从个别电量的测量转变成 测量整个系统的待征参数，从单纯的接收、显示转变为控制、分析、处理、计算 与显示输出，从用单个仪器进行测量转变成用测量系统进行测量。2 0 世纪7 0 年 代，计算机技术在仪器仪表中的进一步渗透，使电子仪器在传统的时域与频域之 外，又出现了数据域( d a t a d o m a i n ) 测试。2 0 世纪8 0 年代，由于微处理器被用到 仪器中，仪器前面板开始朝键盘化方向发展，过去直观的用于调节时基或幅度的 旋转度盘，选择电压电流等量程或功能的滑动开关，通、断开关键己经消失。测 试时，可用丰富的计算机程序来高速测试，不同于传统独立仪器模式的个人仪器 已经得到了发展。2 0 世纪9 0 年代以来，仪器仪表与测量科学进步取得重大的突 破性进展，这个进展的主要标志是仪器仪表智能化程度的提高，突出表现在微电 子技术的进步将更深刻地影响仪器仪表的发展。心1 1 1 研究背景和意义 在医学领域中，存在着大量的对温度敏感的物品，例如疫苗、血液、生物制 剂等，它们通常要求从生产的首端到使用的末端全程处于相对恒湿的条件下，以 保证其有效性。为了实现这利，条件要求，需要在不同的阶段，如生产、保存、运 输等，采用一系列的制冷及温度监测设备，这些设备的接续使用构成了一个完整 的链条，这就是通常所说的冷。冷链设备配合相应的操作人员与操作规程构成一 个冷链系统。 冷库、冷藏车、冷藏箱、冷藏包等设备是主要的冷链设备，它们保证了储藏 品的低温条件；另一方面，冷链系统要求具有全程的低温环境，如何知道是否达 到这一要求就需要对冷链的全程进行温度的监测和控制，因此温度监测和控制也 是冷链系统不可缺少的重要一环。 在冷链系统的发展初期，温度的监测是依靠监测人员定时读取温度计( 如酒 精、水银温度计) ，并将参数记录到表格中实现的。这种方法不仪要耗费巨大的 人力，而且结果的准确性也f i 能有很好的保障，并且监测的时l 日j 间隔不可能太短， 时矧跨度较大。 随着技术的发展，出现了自动温度记录和控制的仪器，这就极大的改善了人 并根据温度曲线进行实时控制。这种方式大大耗费了人力且很难达到良好的效 果。而这正是智能恒温培养振荡器的优势所在，可以满足实验在多个温度段按实 验精度循环变化，并实时记录温度数据保存在存储器中。一旦应用智能恒温培养 振荡器进行生物实验，实验员需要做的只是设定好温度曲线，并定时通过通信接 口下载实验数据即可，很大程度上降低了实验员的工作强度。因此，智能恒温培 养振荡器具有很强的实用性，应用前景乐观，能产生较大的社会经济效益。 1 2 国内外研究现状 目前，在医学、生物学、制药工程、食品、环保等研究领域，恒温培养振荡 器已广泛应用于对温度、振荡频率、振幅有较高要求的细菌培养、发酵、生物杂 交和生物化学反应、细胞组织研究中。 广东省医疗器械厂研制的l r h 一2 5 0 一z 振荡培养箱，集恒温、光照、振荡功能， 应用于微生物、病毒、藻类、动植物细胞、组织和器官的培养及分子生物学和生 物化学研究的实验设备，可连续调节加热、制冷，以冷热补偿强制对流达到控温 目的，达到了控制的稳定性和精确度，克服了振荡器启动时卡滞现象，控温范围 1 5 、4 5 ，温度波动允许误差1 ，振荡频率1 8 0 、2 8 0 r p m ，光照度 l0 0 0 l x 。 中国科学院南京土壤研究所开发的一种旋转振荡一恒温培养两用箱，由箱 体、水平旋转轴、驱动电机、转盘、压缩机、热交换器、风机、温控传感器和 显示控制模块等构成。该实用型振荡器解决了温度均匀度、波动度和制冷系统的 第一章绪论 设计问题，可广泛应用于科学研究和实验分析中。 美国精骐有限公司开发研制的台式多振幅恒温振荡器，可以实现多段编程变 化控制，对实验过程实现循环、反复、步移、定值、梯度等多种变温调速模式的 恒温振荡培养，采用p i d 反馈控制实现电机、温度的精确控制，实现慢起动均匀 加速，可根据外部环境变化自动调节制冷系数。口1 国内的恒温培养振荡器存在的问题是显而易见的： ( 1 ) 多采用压缩机制冷，利用压缩机制冷和加热装置冷热补偿实现控温目的； ( 2 ) 功耗高，其噪声大，控温波动较大； ( 3 ) 多采用直流电机驱动，成本较高，可靠性不足，不足以充分满足培养振 荡器实验环境的要求。 1 3 作者完成的主要工作 智能恒温培养振荡器主要是结合模糊控制、自适应p i d 调节实现箱体温度 ( 半导体制冷、加热) 、以及单相异步电机转速的控制，以实现精确控温和r 调 速目的；设计了u s b 的通信模块，将全程温度、转速、时间等数据信息实现 u s b 数据传输、下载、自动成图等数据处理功能，以及断电恢复，结合键盘、 液晶显示模块实现智能仪器的丌发。 本文作者在课题的完成过程中主要做了以下几个方面的工作： ( 1 ) 负责系统总体方案的设计，根据设备的工艺要求和企业的实际情况确定 了a t m e g a l 2 8 微控制器对整个系统进行控制，通过u s b 的数据传输，同时采甩上 位机数据处理软件对本系统数据进行处理、分析、成图，提高了整个系统的运行 可靠性和稳定性； ( 2 ) 根据半导体制冷单元的温度制冷加热特点，建立温度控制数学模型确定 控制策略，参与算法的编程等； ( 3 ) 根据单相异步电机的旋转性能，建立速度控制数学模型，并实现对其精 确调速的控制算法； ( 4 ) 根据工艺要求完成硬件设备的选型； ( 5 ) 完成整个系统软件的设计和调试。 天津工业人学硕十学位论文 第二章智能恒温培养振荡器的控制系统简介 第二章智能恒温培养振荡器的控制系统简介 2 1 智能恒温培养振荡器的组成 智能恒温培养振荡器一般由半导体加热制冷装置( 包括散热器、冷凝器等组 成) 、内外风机、恒温箱体、电机、实验架、控制器和驱动器组成。半导体加热 制冷装置分别起加热和制冷作用，位于恒温箱体的进出风口处，当需要调节箱体 内的温度时，通过内外j x l 机将热风或者冷风吹入恒温箱体内从而改变箱体内的温 度。实验架用于固定各种实验器件( 如各种烧杯、烧瓶、培养皿等) ，其下面有 一转动电机的传动机构与其相连，通过控制器调节转动电机速度，进行振荡器的 振荡频率的调节。控制器和驱动器为整个智能恒温培养振荡器的电控部分，它也 是系统的核心器件，也是本课题所研究的主要任务所在。振荡器工作时，箱体内 的传感器测得的温度模拟信号经运算放大器，a d 转换电路送入系统控制器，在 控制期内与设定值进行比较，通过相应的控制算法产生相应的控制信号输出至系 统驱动器，实现风机和半导体制冷器件、转动机构的精确控制，达到精确控温调 速的目的。智能恒温培养振荡器系统结构示意图如图2 一l 所示。 图2 - 1智能恒温培养振荡器系统结构示意图 天津一i ：业人学硕十学位论文 2 2 控制系统硬件的主要组成部件及选型要求 2 2 1 系统主控单元简介 系统的主控单元采用a v r 系列单片机a t m e g a l 2 8 。 a v r 单片机是著名的a t m e l 公司设计生产的，其a t t i n y 、a t 9 0 平i a t m e g a 系列分 属低、中、高档产品。其原理框图如图2 - 2 所示。 a v r 单片机具有如下特点： ( 1 ) 处理速度快 a v r 单片机在单一时钟周期内执行功能强大的指令，每m h z 可实现阶段m i p s 的处理能力，是具有最高m i p s m w 能力的8 位单片机。 a v r 单片机采用了大型快速存取寄存器文件和快速单周期指令。其快速存取 r i s c 寄存器文件由3 2 个通用工作寄存器组成。a v r 用3 2 个通用寄存器代替累加器， 避免了传统的累加器与存储器之间的数据传送，可在一个时钟周期内执行一条指 令来访问两个独立的寄存器，代码效率比常规c i s c 微控制器高l o 倍。a v r 单片机 是用一个时钟周期执行一条指令的，即在执行前一条指令时就取出下一条指令， 然后以一个周期执行指令( 与d s p 类似) ，是8 位单片机中第一种真j 下的r i s c 单片 机。 ( 2 ) 片内资源丰富 a v r 单片机内资源丰富，是一种高集成度的单片机。其包括：1 k 2 5 6 k 字节 可下载的f l a s h 存储器。6 4 4 k 字节e e p r o m ，1 2 8 、8 k 字节r a m ，5 、8 6 条通用i 0 线、 3 2 个通用工作寄存器、模拟比较器、定时器计数器、可编程异步串行口、内部 及外部中断、带内部晶振的可编程看门狗定时器、s p i 串行口、1 0 位a d 转换器以 及闲置模式和掉电模式两个可选择的省电模式。 ( 3 ) 保密性好 a v r 单片机具有高度保密性。程序存储器f l a s h 具有多重密码保护锁死( l o c k ) 功能，很难被解密。 ( 4 ) 可重复擦写及在系统编程i s p ( i n s y s t e mp r o g r a m m i n g ) a v r 单片机的程序存储空间采用f l a s h 技术，可重复擦写1 0 0 0 以上( 新的a v r 单片机 可重复擦写10 0 0 0 以上) 。而且设计者不必将单片机从系统上拆下来拿到编程器上 烧录，可直接在电路板上进行在线下载，以实现程序修改、烧录等操作，方便产 品的开发和升级。 ( 5 ) 工作电压范爿宽、功耗低 工作电压范围为1 8 、6 v ，具有休眠省电功能( p o w e rd o w n ) 及闲置( id le ) 低功 耗功能。一般耗电为1 、2 5 m a ；典型功耗情况，w d l 关闭时为l o o n a 。 第- 二章智能恒温培养振荡器的控制系统简介 ( 6 ) 支持j t a g 仿真 新的a v ra t m e g a l 6 以上型号的单片机具有j t a g 边界扫描、仿真、编程功能， 不会造成以往仿真通过，脱机不行的现象。 ( 7 ) 与c 语言的完美配合 a v r 单片机在设计时充分考虑了c 语占的特点，而且在丌发过程与一著名的 生产c 编译器的软件公司合作，所以a v r 单片机与c 语言的配合十分完美。另外， 著名的开源软件c 编译器g c c 也有面向a v r 的编译器w l n a v r ，这也为a v r 单片机的c 开发提供更大空间。因此，有人将a v r 单片机称为“面向c 语言”的单片机。h 1 嘞p b ?嘲- ，口f 图2 2a t m e g a l 2 8 原理框图 2 2 2 电源的选择及其主要参数 由于设备加热、制冷部件采用半导体加热制冷片，其单片电流达6 8 a ，本 天津：- 业人学硕十学位论文 系统采用双片制冷片进行温度控制，其最高电流可达1 6 a ，因此仪器供电采用北 京市华南星辉电子有限公司的h s 一3 0 0 p - 1 2 型a c d c 开关电源( a c l1 0 2 2 0 v 输入， d c l 2 v 2 5 a 输出，精度l ，纹波1 5 0 m y ，效率8 3 ) ，如图2 - 3 所示。 图2 - 3h s - 3 0 0 p - 1 2 型a c d c 开关电源 2 2 3 加热、制冷器件的选择及其主要参数 现在市场上的加热制冷器件有很多，但是对于恒温振荡器来讲，主要是通过 对设备内腔的气体加热、制冷，通过内腔的气体热、冷循环，从而达到对仪器内 的各种烧杯、培养皿内的培养对象进行温度控制的目的，因此现在的恒温振荡器 的加热、制冷方式有两种类型： ( 1 ) 加热管加热，压缩机制冷； ( 2 ) 半导体制冷片加热，压缩机制冷。 对于第一种情况的加热管加热装置，交流供电，所需的安装空间较大，而且 对于箱体内的空间气体加热，加热管的使用效率较低，因此不宜采用加热管加热； 对于第二种情况，由于半导体制冷片正向导通实现制冷，反向导通实现制热， 直流1 2 v 供电，最大温差可达6 0 ，足以满足设备指标，因此采用半导体制冷 片来实现加热过程；但是采用压缩机来实现制冷，交流供电，功耗较大，尤其对 于温度的精确控制，控制周期长，不适于频繁通断，重启时问长，且压缩机体积 庞大，对于原本就有限的实验室空| 日j ，仪器的小型化是必然趋势，因此不采用压 缩机制冷。 第二章智能恒温培养振荡器的控制系统简介 由于设备的技术指标要求控温范围在4 。c 6 0 。c ，对于室温在o 。c 4 0 。c 的地 区，采用最大温差可达6 0 的半导体制冷片，完全可以满足实际需要。因此， 设备采用t e c l 系列半导体制冷组件，i m a x = 8 5 a ，v m a x = 1 5 7 v ，t m a x = 7 7 ， 如图2 4 所示。半导体制冷片在工作过程中，一面制冷，一面制热，冈此需要在 其两面安装大型散热片，以使制冷片工作过程中不致于损坏，且振荡器内腔空间 较大，单片半导体制冷片不足以满足仪器制冷制热要求，因此设备采用双片半导 体制冷片，其安装后的实物如图2 5 所示。 图2 4t e c l 系列半导体制冷片 图2 5 双片制冷片安装图 2 2 4 温度传感器的选择及其主要参数 温度是一个基本的物理量，自然界中的一切过程无不与温度密切相关。 温度传感器是应用最广，也是最早丌发的一类传感器。在半导体技术的支 持下，本世纪相继丌发了半导体热电偶传感器、p n 结温度传感器和集成温 度传感器；与之相应，根扼波与物质的相互作用规律，卡h 继开发了声学温 度传感器、红外传感器和微波传感器。 天津工业人学硕十学位论文 智能恒温培养振荡器在不同温度场合中的运行情况和制冷制热的工作 性能是不同的，例如室温在2 0 时，要求振荡器控制温度达3 0 5 。c ，振荡 器需要加热1 0 5 ；但是如果室温在3 5 ，则振荡器需要制冷4 5 来达 到工作要求。在振荡器运行过程中，对于振荡器内腔的温度控制有着非常 高的要求，但是对于振荡器所处的环境温度的测量同样显得非常有必要， 这对提高振荡器的控制性能，工作效率有非常大的作用。因此，在振荡器 的设计中，需要采用两个温度传感器来显示振荡器内腔温度和室温的采集。 现在的温度传感器有四种主要类型：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测 器( r t d ) 和i c 温度传感器。 由于振荡器内腔温度的控制精度要求较高，达0 2 ，因此需要温度 采集的实时性非常好，响应速度快，设计采用模拟输出类型的温度传感器； 而室温的采集要求较低，每半个小时采集一次，实时性要求较低，为设计 方便，节省单片机资源，采用数字输出的i c 温度传感器。 ( 1 ) 两种不同材质的导体，如在某点互相连接在一起，对这个连接点加 热，在它们不加热的部位就会出现电位差。这个电位差的数值与不加热部 位测量点的温度有关，也和这两种导体的材质有关。这种现象可以在很宽 的温度范围内出现，如果精确测量这个电位差，再测出不加热部位的环境 温度，就可以准确知道加热点的温度。由于它必须有两种不同材质的导体， 所以称之为“热电偶”。不同材质做出的热电偶使用于不同的温度范围， 它们的灵敏度也各不相同。热电偶的灵敏度是指加热点温度变化l 时，输 出电位差的变化量。对于大多数金属材料支撑的热电偶而言，这个数值大 约在5 4 0 u r 之间。一般热电偶传感器的灵敏度比较低，容易受到环境干 扰信号的影响，也容易受到f j 置放大器温度漂移的影i 句，因此不适合测量 微小的温度变化。对于温度控制精度比较高的场合，不适于选用热电偶传 感器。 ( 2 ) 热敏电阻是开发早、种类多、发展较成熟的敏感元器件。热敏电阻 由半导体陶瓷材料组成，利用其电阻随温度的变化而变化的原理。若电子 和空穴的浓度分别为n 、p ，迁移率分别为“，、 。，则半导体的电导为： 仃= q ( n u 。+ p “p ) 因为刀、p 、“一“。都是依赖温度t 的函数，所以电导是温度的函数， 因此可由测量电导而推算出温度的高低，并能做出电阻一温度特性曲线。这 就是半导体热敏电阻的工作原理。但足其主要用来测量温度精度要求不高的 应用场合，例如汽车的冷却液传感器，冈此不适于选用热电偶传感器。 ( 3 ) 电阻式温度检测器( r 1 d ，r e s i s t a n c et e m p e r a t u r ed e t e c t o r ) 是一种物 第二章智能恒温培养振荡器的控制系统简介 质材料作成的电阻，它会随温度的上升而改变电阻值，如果它随温度的上升而电 阻值也跟着上升就称为j 下电阻系数，如果它随温度的上升而电阻值反而下降就称 为负电阻系数。大部分电阻式温度检测器是以金属作成的，其中以铂( p t ) 作成的 电阻式温度检测器，最为稳定，耐酸碱、不会变质、线性度较高，最受q 2 _ q k 界采 用。 p t l 0 0 温度感测器是一种以铂( p t ) 作成的电阻式温度检测器，属于正电阻系 数，其电阻和温度变化的关系式如下：r = r 。( 1 + a t )其中a = 0 0 0 3 9 2 ，r 。为 1 0 0 q ( 在o 。c 的电阻值) ，丁为摄氏温度，因此铂作成的电阻式温度检测器，又 称为p t l 0 0 。 v o = 2 5 5 m a xl o o ( 1 + 0 0 0 3 9 2 t ) = 0 2 5 5 + t 1 0 0 0 由于p t l 0 0 是一种广泛应用的测温元件，在一5 0 “6 0 0 。c 范围内具有其他任 何温度传感器无可比拟的优势，包括高精度、稳定性好、抗干扰能力强等，因此 在振荡器内腔温度控制模块中采用f t 1 0 0 作为温度传感器，如图2 6 所示p w l 0 0 温度传感器及其安装实物图。 静 蘩 图2 - 6p t l 0 0 温度传感器及其安装实物图 ( 4 ) i c 温度传感器又包括模拟输出和数字输出两种类型。根据设计要 求，采用d s l 8 8 2 0 温度传感器作为室温采集系统，该传感器采用美国d a l l a s 公司生产的d s l 8 8 2 0 可组网数字温度传感器芯片封装而成，具有耐磨耐碰，体 积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域， 其独特的单线接口方式，使得d s l 8 8 2 0 在与微处理器连接时仅需要一条口线即可 实现微处理器与d s l 8 8 2 0 的双向通讯，有效的节省了处理器的资源利用，测温范 围一5 5 + 1 2 5 ，固有测温分辨率0 5 。c ，满足设计要求，如图2 - 7 所示 d s l 8 8 2 0 及其封装图。 天津1 ：业人学硕七学位论文 瘩 川 图2 7i ) s 1 8 8 2 0 及其封装图 2 2 5 电机的选择及其主要参数 ”毳 嘞霪 霪 电机是依据电磁感应定律实现电能的转换或传递的一种电磁装置。按工 作电源种类划分：可分为直流电机和交流电机。直流电机调速性能优越，易 平滑调速，这个是交流电机无法取代的，且直流电动机过载能力较强，热动和制 动转矩较大。但是直流电机换向困难，还会产生火花，寿命短，要经常维护，价 格要昂贵一些。交流电机在低转速输出大转矩的情况下可以加装减速机，而且随 着变频器控制算法的完善，除了e m c 问题，在其余问题上交流变频传动多是占优 或可媲美直流电机的。而在大多数的实验室内，一般只有2 2 0 v 单相交流电源供 电。智能恒温培养振荡器要求转速在3 0 r p n r - - 9 0 0 r p m ，控制精度达1 r p m ，且在 低速情况下要求平稳输出足够大的转矩以带动皮带减速轮旋转，综合考虑电机价 格、后期维护、软件设计等原因，振荡器采用电容起动运转式单相异步电动机。 单相异步电动机( s i n g l e p h a s ea s y n c h r o n o u sm o t o r ) 是靠2 2 0 v 单相交流电 源供电的一类电动机，它适用于只有单相电源( s i n g l e - p h a s ep o w e r ) 的小型工业 设备和家用电器中。 单相异步电动机的工作原理：在交流电机中，当定子绕组通过交流电流时， 建立了电枢磁动势，它对电机能量转换和运行性能都有很大影响。所以单相交流 绕组通入单相交流产生脉振磁动势，该磁动势可分解为两个幅值相等、转速相反 的旋转磁动势和，从而在气隙中建立正转和反转磁场和。这两个旋转磁场切割转 子导体，并分别在转子导体中产生感应电动势和感应电流。 该电流与磁场相互作用产生正、反电磁转矩。正向电磁转矩企图使转子正转； 反向电磁转矩企图使转子反转。这两个转矩叠加起来就是推动电动机转动的合成 转矩。他们的大小与转差率的关系和三相异步电动机的情况是一样的。若电动机 的转速是以，则 秀j燃 蓉 图2 8 单相异步电动机的t - s 曲线 ( 1 ) ，z = 0 ，s = l ，t = 疋+ z = 0 ，说明单相异步电动机无启动转矩，如不采取 鑫 其他措施，电动机不能启动。 ( 2 ) 当s l 时，t 0 ，t 无固定方向，它取决于s 的正、负。 ( 3 ) 由于反向转矩存在，使合成转矩也随之减小，故单相异步电动机的过载 能力较低。6 1 本系统所用的电机为y y 9 0 6 0 型电容运行的单相异步电动机，功率6 0 w ，电 压2 2 0 v a c ，频率5 0 h z ，电流0 6 0 a ，启动转矩3 4 3 m n m ，额定转矩4 4 l m n m ，额 定转速1 3 0 0 r p m 。由于工作绕组m 和副绕组a 的轴线在空问相隔9 0 度电角度， 因此副绕组a 需串联一个工作电容后再与工作绕组并接于电源。单相异步电动机 的启动电容正是为了向电机提供9 0 度的磁场使转子旋转，本系统所采用的启动 电容为4 u f 2 7 5 v a c ，其接法如图2 9 所示。 酒蓿 黑黑 图2 - 9 电容运转草棚异步电动机接法 天津工业大学硕士学位论文 2 3 系统功能及性能要求 智能恒温培养振荡器系统所要实现的主要功能有： ( 1 ) 箱体内温度的精确控制； ( 2 ) 转动电机的变频调速控制； ( 3 ) 现场实时数据的采集； ( 4 ) 可编程曲线控制； ( 5 ) u s b 的数据通信； ( 6 ) 实验数据的实时存储； ( 7 ) 故障信号的检测、处理和报警。 智能恒温培养振荡器系统的性能要求： ( 1 ) 温度调节范围：4 6 0 ； ( 2 ) 转动电机调速范围：3 0 6 0 0 r p m ； ( 3 ) 稳态温度的控制精度：0 2 ； ( 4 ) 箱体内温度均匀度：l ； ( 5 ) 温度、转速调节时间：3 0 m i n 。 第二章智能恒温培养振荡器系统硬什实现 第三章智能恒温培养振荡器系统硬件实现 本课题所研制的智能恒温培养振荡器主要是实现对振荡器内的温度、转速、 振荡频率、振幅进行精确控制，通过模糊算法，结合p i d 控制实现对不同环境的 控制对象进行精确控制，并将其过程数据进行传输、存储至上位机成图软件，进 行温度、转速数据的处理、存储、打印，可生成使用人员所需的各种表格、趋势 曲线等。 3 1 硬件控制电路的设计思想 控制系统中，控制器的硬件是软件实施的一个重要环节，系统硬件控制电路 设计的性能好坏直接影响到控制器的性能。因此在系统总体设计时，主要遵从以 下几点： ( 1 ) 系统可靠性的设计：在设计过程中，首要考虑的因素是系统的可靠性。 毒 由于生物、化学实验是一个长期、连续运转过程，要求设备长时间连续运行，通 常在半个月以上。因此，这就对硬件设计的可靠性提出较高的要求。为了达到可 靠性要求，在设计时采取得措施主要有：a 在达到控制指标的情况下，尽可能的 简化硬件设计，避免繁杂的硬件控制；b 在系统硬件设计过程中，尽量采用一些 非常成熟的，经过多长期实验验证的典型硬件电路，对于其中的元器件的选择， 尽可能的采用标准、通用、可靠厂商的元器件；c 元器件的降额设计，这一点非 常的重要，如：整流后的直流电源的滤波电容的耐压至少应有一倍的冗余；d 容 差与漂移设计，这主要是在信号调理电路中要考虑的；e 系统抗干扰设计，包括 数字电路、模拟电路的设计，硬件、软件滤波，p c b 的布局、布线等； 此外，在硬件电路的设计过程中还应注意尽量减少元件的数量，使用集成度 较高的元件或模块。这既符合抗干扰的需要，也符合可靠性原则。当然，也不能 盲目地追求新奇器件，还要考虑其性能价格比、厂商的货源供应、可靠性等问题， 以便于后期的批量生产。h 。 ( 2 ) 系统的可扩展性设计：除了非常成熟、专用的控制系统，如变频器、p l c 等，大部分控制系统在研发过程中会碰到控制算法的选择和反复修改，特殊用户 提出新的功能要求等问题。因此在控制器的设计时，应充分考虑控制器的扩展性 和适应性，这就要求在设计控制器时其硬件资源留有一定裕量，以便后期的软件 硬件升级和扩展，使系统功能在总体方案不变的情况可进行调整和修改。 虽然系统的控制对象主要为生物、化学实验，任务需求明确，但作为产品应 有较大的应用范围，因此，设计时也应该充分结合一般实验过程中的温度对象的 天津工业人学硕士学位论文 ，使系统对一般实验过程的温度对象具有很强适应能力，也使仪器的使用客 体更加的开放。 此外，为了适应实验过程的数据记录需要，实现无人值守的实验过程，以及 过程中的数据处理、运算更加的方便、快捷，在系统中还设计采用u s b 通信 ，利用u 盘的便携性，保证仪器在全部运行过程中，能够将全部的温度、转 时间等数据记录下来，利用上位机成图软件，实现自动成图、数据存储、处 打印等功能。 ( 3 ) 工业环境的适应性设计：对于本系统主要是考虑电磁干扰和环境温度变 控制器的影响，因此在设计时采用了各种抗干扰措施。对受温度影响较大的 调理部分采用低温度系数部件，风冷、仪器底盘散热等措施，尽量减小温漂。 测量电路上尽量采用差动形式，元件布局要合理，以提高抗外界电磁干扰的能力。 3 2 硬件控制电路的总体结构设计 根据系统的功能需要，整个仪器以单片机为控制核心，在其周边扩展其它的 功能模块。整个系统的硬件控制系统构成如图3 - 1 所示。 图3 1 系统结构框图 人机界面主要负责仪器的各个参数的诊定和显示，例如设定温度、设定速度、 温度校正、启动转矩校正、时钟设定、丌关机定时等，以及所要显示的具体信息， 它是实验人员操作仪器的主要平台；内温检测主要是p t l 0 0 检测电路，输出模拟 电压信号