半微量相平衡系統(tǒng)控制器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及半微量相平衡與萃取平衡實驗裝置，具體涉及一種半微量相平衡系統(tǒng) 控制器。
【背景技術(shù)】
[0002] 半微量分析法是一種比較常見的分析方法，介于微量分析和常量分析之間。從保 護人類生存環(huán)境，節(jié)約能源與資源的角度出發(fā)，要求化學(xué)工作者以綠色化學(xué)的理念進行實 驗與實驗技術(shù)的設(shè)計。在稀有、稀散和貴金屬的分離純化過程中經(jīng)常遇到溶液的相平衡與 多相萃取平衡問題，在進行化學(xué)實驗中常采用半微量分析法。
[0003] 目前，國內(nèi)的半微量相平衡化學(xué)反應(yīng)裝置是由有機玻璃載體、微型交流電機、自制 平衡管、微型繼電器、溫度計、水銀接點溫度計，有機玻璃水槽等組成。在物理或者化學(xué)反應(yīng) 過程中，要通過溫度計來測量并觀察容器內(nèi)水的溫度。水銀接點溫度計作為溫控開關(guān)與繼 電器相連，然后控制加溫裝置；常用的加溫裝置為100W的鎢絲燈泡；通過微型交流電機帶 動有機玻璃載體旋轉(zhuǎn)?，F(xiàn)有的半微量相平衡化學(xué)反應(yīng)裝置主要是手動控制，存在如下缺點： 溫度檢測精度低、溫度控制精度低以及自動化程度低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種半微量相平衡系統(tǒng)控制器。
[0005] 為達到上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：
[0006] 該控制器包括溫度檢測電路、溫度設(shè)定電路、光電耦合電路、加熱驅(qū)動電路、攪拌 電機驅(qū)動電路、電機調(diào)速用A/D電壓采集電路、液晶顯示接口電路以及核心處理單元電路， 所述溫度檢測電路、溫度設(shè)定電路、光電耦合電路、電機調(diào)速用A/D電壓采集電路以及液晶 顯示接口電路分別與核心處理單元電路相連，加熱驅(qū)動電路和攪拌電機驅(qū)動電路分別與光 電耦合電路相連。
[0007] 所述核心處理單元電路包括型號為STC12C5A60S2的單片機。
[0008] 所述溫度檢測電路包括DS18B20數(shù)字溫度傳感器，DS18B20數(shù)字溫度傳感器的信 號線DQ與所述單片機的一個I/O 口相連，并且所述信號線DQ接上拉電阻到所述單片機的 VCC引腳。
[0009] 所述溫度設(shè)定電路包括74LS08芯片以及溫度加鍵ADD、溫度減鍵MINUS和確定鍵 OK三個功能按鍵，所述溫度加鍵ADD和溫度減鍵MINUS分別與所述單片機的兩個I/O 口對 應(yīng)相連，所述溫度加鍵ADD和溫度減鍵MINUS分別與74LS08芯片的一組與門輸入端的兩端 對應(yīng)相連，74LS08芯片的與門輸出端與所述單片機的外部中斷源7^70相連，確定鍵OK與 所述單片機的外部中斷源_相連。
[0010] 所述A/D電壓采集電路使用電位器作為分壓元件，電位器的動觸點引出端與所述 單片機的A/D轉(zhuǎn)換端口相連，電位器的兩個靜觸點分別與單片機的VCC引腳和GND引腳對 應(yīng)相連，兩個靜觸點之間并聯(lián)去耦電容組。
[0011] 所述光電耦合電路包括光電耦合器HCPL2630、PNP型三極管Ql以及PNP型三極管 Q2,所述PNP型三極管Ql以及PNP型三極管Q2的基極分別與所述單片機的PffM波輸出端口 相連，所述PNP型三極管Ql以及PNP型三極管Q2的發(fā)射極分別與光電耦合器HCPL2630的 輸入端對應(yīng)相連，所述PNP型三極管Ql以及PNP型三極管Q2的集電極與所述單片機的GND 引腳相連，光電耦合器HCPL2630的輸出端CONl、C0N2分別與加熱驅(qū)動電路以及攪拌電機驅(qū) 動電路對應(yīng)相連；所述加熱驅(qū)動電路包括第一過流保護電路和第一驅(qū)動電路，光電耦合器 HCPL2630的輸出端CONl接第一過流保護電路中帶過流保護的柵極驅(qū)動芯片IR2125的IN 引腳，該帶過流保護的柵極驅(qū)動芯片IR2125的HO引腳與第一驅(qū)動電路中MOS管IRFB3806 的柵極相連；所述攪拌電機驅(qū)動電路包括第二過流保護電路和第二驅(qū)動電路，光電耦合器 HCPL2630的輸出端C0N2接第二過流保護電路中帶過流保護的柵極驅(qū)動芯片IR2125的IN 引腳，該帶過流保護的柵極驅(qū)動芯片IR2125的HO引腳與第二驅(qū)動電路中MOS管IRFB3806 的柵極相連。
[0012] 所述控制器還包括電源供電電路，電源供電電路包括24V直流電源轉(zhuǎn)5V直流電源 電路以及24V直流電源轉(zhuǎn)12V直流電源電路，所述24V直流電源轉(zhuǎn)5V直流電源電路為溫度 檢測電路、溫度設(shè)定電路、所述A/D電壓采集電路、液晶顯示接口電路以及核心處理單元電 路供電；所述24V直流電源轉(zhuǎn)12V直流電源電路為光電耦合電路、攪拌電機驅(qū)動電路和加熱 驅(qū)動電路供電。
[0013] 所述控制器采用模糊PID控制算法進行溫度調(diào)節(jié)，具體包括以下步驟：若當(dāng) 前時刻k的設(shè)定溫度為setT，實測溫度為realT，則計算出當(dāng)前時刻k的誤差e(k)= setT-realT，誤差變化率ec = e (k)-e (k-1)，k-1表示上一時刻，然后將誤差e (k)和誤差變 化率ec進行模糊化處理并按照模糊規(guī)則庫中的模糊規(guī)則整定PID參數(shù)的增量Λ Κρ、Λ Ki 以及Λ Kd，對所得到的Λ Κρ、Λ Ki以及Λ Kd進行解模糊化處理，進一步計算得到當(dāng)前時 刻k的PID參數(shù)Kp、Ki以及Kd的精確值，然后根據(jù)增量式PID算法計算得到當(dāng)前的控制量 U(k) 〇
[0014] 所述模糊PID控制算法中：
[0015] 誤差e (k)的基礎(chǔ)論域為[-3, 3]，模糊化為{NB，NM，NS, Z，PS，PM, PB}七個等級，并 建立三角形隸屬函數(shù)；
[0016] 誤差變化率ec的基礎(chǔ)論域為[-3, 3]，模糊化為{NB，NM，NS, Z，PS, PM, PB}七個等 級，并建立三角形隸屬函數(shù)；
[0017] Kp參數(shù)的基礎(chǔ)論域為[-0· 3, 0· 3]，模糊化為{NB，NM，NS, Z，PS, PM, PB}七個等級， 并建立三角形隸屬函數(shù)；
[0018] Ki參數(shù)的基礎(chǔ)論域為[-0· 06, 0· 06]，模糊化為{NB，NM，NS, Z，PS, PM, PB}七個等 級，并建立三角形隸屬函數(shù)；
[0019] Kd參數(shù)的基礎(chǔ)論域為[-3, 3]，模糊化為{NB，NM，NS, Z，PS，PM, PB}七個等級，并建 立三角形隸屬函數(shù)。
[0020] 本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：本發(fā)明結(jié)合半微量相平衡系統(tǒng)對環(huán)境溫度精度和均勻 性的要求，通過核心處理單元電路與溫度檢測電路、溫度設(shè)定電路、光電耦合電路、加熱驅(qū) 動電路、攪拌電機驅(qū)動電路、A/D電壓采集電路、液晶顯示接口電路緊密配合，可以通過A/D 采樣結(jié)果自動調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，使液體受熱均勻，并可以實現(xiàn)容器內(nèi)環(huán)境溫度的自動、高精度 檢測和調(diào)節(jié)，能夠控制反應(yīng)容器中溫度在15~60°C的某個溫度點恒溫連續(xù)48小時，以保證 半微量相平衡系統(tǒng)的完整反應(yīng)能準確完成，并實現(xiàn)了半微量相平衡系統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)過程數(shù)字 化控制以及數(shù)字化顯示。
【附圖說明】
[0021] 圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理框圖。
[0022] 圖2為本發(fā)明所述溫度檢測電路示意圖。
[0023] 圖3為本發(fā)明所述溫度設(shè)定電路示意圖。
[0024] 圖4為本發(fā)明所述液晶顯不接口電路不意圖。
[0025] 圖5為本發(fā)明所述A/D電壓采集電路示意圖。
[0026] 圖6為本發(fā)明所述光電親合電路不意圖。
[0027] 圖7為本發(fā)明所述加熱驅(qū)動電路示意圖。
[0028] 圖8為本發(fā)明外部結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029] 圖9為程序流程圖。
[0030] 圖10為模糊PID控制算法流程圖。
[0031] 圖11為模糊PID控制算法中誤差e(k)的隸屬函數(shù)圖。
[0032] 圖12為模糊PID控制算法中誤差變化率ec的隸屬函數(shù)圖。
[0033] 圖13為模糊PID控制算法中Kp參數(shù)的隸屬函數(shù)圖。
[0034] 圖14為模糊PID控制算法中Ki參數(shù)的隸屬函數(shù)圖。
[0035] 圖15為模糊PID控制算法中Kd參數(shù)的隸屬函數(shù)圖。
【具體實施方式】
[0036] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做詳細說明。
[0037] 參見圖1，本發(fā)明所述半微量相平衡系統(tǒng)控制器主要包括：溫度檢測電路、溫度設(shè) 定電路、光電耦合電路、加熱驅(qū)動電路、攪拌電機驅(qū)動電路、A/D電壓采集電路、液晶顯示接 口電路、電源供電電路以及核心處理單元電路。本發(fā)明以STC12C5A60S2單片機為核心處 理元件，與各部分功能電路緊密配合實現(xiàn)了半微量相平衡系統(tǒng)容器內(nèi)溫度的自動檢測和調(diào) 整，通過直流加熱實現(xiàn)容器中溫度能夠在15~60度的某個溫度點恒溫連續(xù)48小時保持穩(wěn) 定，電機帶動攪拌器使液體受熱均勻，以保證能準確完成半微量相平衡系統(tǒng)的完整反應(yīng)。該 控制器能夠?qū)崿F(xiàn)半微量相平衡系統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)過程數(shù)字化控制，數(shù)字化顯示，高精度測量，該 系統(tǒng)性能穩(wěn)定，溫度測量精度高，溫度控制精度高，自動化程度高。
[0038] 參見圖2,所述溫度檢測電路使用數(shù)字溫度傳感器DS18B20,經(jīng)過防水鎧裝處理之 后可直接浸入液體內(nèi)測量溫度。DS18B20是一條口線（DQ)通信，使用過程中不需要任何外 圍元件支持，將DQ與所述單片機的PL 7端口（I/O 口）相連，并且DQ接上拉電阻R16到 所述單片機的VCC引腳，就可實現(xiàn)單片機與數(shù)字溫度傳感器DS18B20之間相互通信。由于 溫度傳感器采用外部電源供電的方式，不需要強上拉電阻，所以使用5. 1ΚΩ的上拉電阻。 DS18B20 引腳 3 接 VCC，DS18B20 引腳 1 接 GND。
[0039] 參見圖3,所述溫度設(shè)定電路共包含三個功能按鍵以及電阻Rl(K)KQ )、 R2(10KQ)、R3(10KQ)，單片機控制系統(tǒng)中需要三個功能鍵，溫度加鍵"ADD"，溫度減鍵 "MINUS"，確定鍵"0K"，單片