智能恒温培养振荡器的研究(研究生毕业设计论文).doc

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1、智能恒温培养振荡器的研究 The Research Of Intelligent Constant Temperature Culture Instrument 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USB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AVR ATmega128单片机、铂电阻PT1OO构成温度采集系统，使其在硬件 上能达到很高的精度。通过采用自校正模糊控制与数字PID控制相结合控制算法 的方法，可使温控精度在460范围内达到，并可实现温度设定值

2、的循2 . 0 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AVR ATMega128单片机为核心，采用PWM型变频调速使电机在 30600rpm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USB通信模块中，主要以CH375B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

3、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/ 制冷过程的复杂性，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，PID，模糊控制，温度控制，变频，自校正，USB 通信 Abstract This essay gives a detailed account of the design of the soft and hard wares

4、of Intelligent constant temperature culture instruments electric control system. It mainly includes the temperature control of const temperature box , the variable frequency control for single-phase motor, and USB data download function to achieve intelligent instrument. And the temperature control

5、is the core of whole design. In temperature control, the temperature collecting system is composed of AVR Mega128 SCM, platinum resistors PT100 to get such high-precision on the hard wares. Using the control algorithm with combining self-adjust fuzzy control with digital PID control, the temperature

6、 can be controlled within the range of 460with a precision of and uninterrupted adjust ability of temperature setting is realized. In order to 2 . 0 enhance the precision, this design proposes that software should be employed to carry on adjustment of measured precision; And meanwhile it calls for t

7、he application of the photoelectric insulation, the over electric current protection and alarm so as to enhance the security performance of the system. In the USB communication module, CH375B is the core to store and transmit the whole temperature data, speed data and time information of the system

8、in order to meet the host computer mapping software. Based on the practices in engineering ,in this paper some key technological problems are deeply discussed in designing the whole structures and hardware and designing controlling algorithm for this system. First, considering the technological requ

9、irements of the system and based on the study and absorption of relative theories and technologies for the key problems, the whole structure of temperature control system and variable frequency control system is designed which is satisfied for the requirements of high reliability, practicality and c

10、onvenience operations. In the process of making temperature control realized, calculating precision is improved by the system precision. This strategy is of excellent accuracy and strong robustness. The adjusting results prove that the requirement of technology of the system is satisfied in essence.

11、 Next, considering the complexity of the heating and cooling process of the system, such as the characteristics of the time change and delay, the controlling strategy has to be designed to self-optimization based on temperature control algorithm , and enhances the self-adaptation of system greatly.

12、Keywords: SCM, PID, fuzzy control, temperature control, variable frequency, se lf-adjust, USB Communications 目目 录录 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 II 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.

13、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 .12 2.3 系统功能及性能要求 .14 第三章 智能恒温培养振荡器系统硬件实现.15 3.1 硬件控制电路的设计思想 .15 3.2 硬件控制电路的总体结构设计 .16 3.3 硬件控制电路的模块设计 .18 3.3.1 电源模块的设计 .18 3.3.2 系统主控单元核心电路的设计 .19 3.3.3 内腔温度检测电路 .19 3.3.4 室温检测模块 .21 3.3.5 实时时钟电路 .21 3.3.6 系统存储器的扩展 .22 3.3.7 键盘及显示模块 .22 3.3.8 USB 通信模块的设计23 3.

14、3.9 蜂鸣报警电路 .25 3.3.10 PWM 型变频调速系统的控制电路.26 3.3.11 电机测速接口电路 33 3.3.12 加热、制冷，风扇驱动控制电路 33 第四章 智能恒温培养振荡器系统软件实现.35 4.1 GCCAVR 及 AVR STUDIO简介 .35 4.2 检测电路的软件设计 .36 4.2.1 电机的速度检测设计 .36 4.2.2 内腔温度检测模块设计 .38 4.2.3 环境温度检测传感器读写控制设计 .40 4.3 电机控制电路的软件设计 .43 4.4 人机界面的软件设计 .46 4.5 系统时钟读取模块的软件设计 .47 4.6 系统存储器的扩展单元的软

15、件设计 .48 4.7 USB 通信模块的软件设计52 4.8 温度控制部分的软件设计 .55 4.8.1 温度模糊控制原理 .55 4.8.2 温度模糊控制器的结构 .55 4.8.3 温度模糊控制器的设计过程 .55 4.8.4 位置式 PID 温度控制器的设计 .59 4.8.5 模糊 PID 温度控制器控制效果 .60 III 第五章 系统的抗干扰措施.63 5.1 系统干扰的来源 .63 5.2 硬件抗干扰措施 .63 5.3 软件干扰问题及相应处理 .64 第六章 结论.65 参考文献.67 发表论文及参加科研情况.69 致谢.71 第一章 绪论 1 第一章 绪论 20 世纪 50

16、 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。20 世纪 60 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。 20 世纪 70 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(Datadomain)测试。20 世纪 80 年代，由 于微处理器被用到

17、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。20 世纪 90 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。 12 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

18、实现这种条件要求，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。这种方法不仅要耗费巨大 的人

19、力，而且结果的准确性也不能有很好的保障，并且监测的时间间隔不可能 太短，时间跨度较大。 2 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 人工操作的弊端，也对冷链系统的发展起到了促进作用。现在，形形色色的温 度控制仪器几乎成了冷链系统不可或缺的设备。 各种技术的进步使人们对温度控制仪器也提出了更高的要求，除了基本的 温度控制功能外，人们还希望它在外形上能够更小巧，便于携带；在功能上能 够更强大，提供多种方式的数据处理方法；在使用上更方便，只需要简单的操 作即可完成；在工作时间上更持久，具有低功耗的特点。本课题的研究正是以 上述几点为基本出发点，着力于开发出一种符合当今技术潮

20、流的新型温度控制 设备。 温智能恒温培养振荡器是一种先进的控温设备，它在生物实验、化工实验、 医疗实验中有着广泛的应用。尤其是在生物实验方面，随着近几年生物科学的 兴起，生物实验仪器的需求越来越大，成为仪器仪表行业一股异军突起的力量。 而其中的恒温实验设备更是最常见的生物实验设备，本课题的面向对象主要就 是生物实验，当然它也可以应用于其他相关行业的温度实验。生物实验往往需 要较长的时间周期(一般在十五天以上)，被实验的生物液的温度往往需要按一 定的温度曲线变化且精度要求很高(土 0.2 度)，即在实验期间需要高低温的循 环变化。因此，传统生物实验要求实验员二十四小时监测生物液的温度变化， 记录

21、温度数据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

22、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 LRH-250-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 1545，温度波动允许误差1，振荡频率 180280rpm，光照度 第一章 绪论 3 1000LX。 中国科学院南京土壤研究所开发的一种旋转振荡恒温培养两用箱，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

23、型振荡器解决了温度均匀度、波动度和制冷系统 的设计问题，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 PID 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。3 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

24、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 PID 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 调速目的；设计了 USB 的通信模块，将全程温度、转速、时间等数据信息实 现 USB 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开发。 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 ATmega128 微控制器对整个系统进行控制，通过 USB 的数据传输，同时采用 上位机数据处理软件对本系

25、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。 天津工业大学硕士学位论文 4 第二章 智能恒温培养振荡器的控制系统简介 5 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

26、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，通过内外风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，AD 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

27、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 2-1 所示。 系统控制器 系统驱动器 风机 半导体加热制冷 装置 热交换装置 冷却器 实验架 电机 传动机构 进风口 内部温度传感器 外部温度传感器 恒温箱体 图 2-1 智能恒温培养振荡器系统结构示意图 6 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AVR系列单片机ATmega128。 AVR单片机是著名的Atmel公司设计生产的，其ATtiny、AT90和ATmega系列 分属低、中、高档产品。其原理框图如图

28、2-2所示。 AVR单片机具有如下特点： (1)处理速度快 AVR单片机在单一时钟周期内执行功能强大的指令，每MHz可实现阶段MIPS 的处理能力，是具有最高MIPS/mW能力的8位单片机。 AVR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 RISC寄存器文件由32个通用工作寄存器组成。AVR用32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CISC微控制器高10倍。AVR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DS

29、P类似)，是8位单片机中第一种真正的RISC 单片机。 (2)片内资源丰富 AVR单片机内资源丰富，是一种高集成度的单片机。其包括：1K256K字节 可下载的Flash存储器。644K字节EEPROM，1288K字节RAM, 586条通用I/0线、 32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、SPI串行口、10位AD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 AVR单片机具有高度保密性。程序存储器Flash具有多重密码保护锁死(LOCK)功 能，很难被解密。 (4)可重复擦写及在系统编程ISP(

30、In-System Programming) AVR单片机的程序存储空间采用Flash技术，可重复擦写1000以上(新的AVR单片 机可重复擦写10000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)工作电压范围宽、功耗低 工作电压范围为1.86V，具有休眠省电功能(power down)及闲置(idle)低 功耗功能。一般耗电为12.5mA；典型功耗情况，WDT关闭时为100nA。 第二章 智能恒温培养振荡器的控制系统简介 7 (6)支持JTAG仿真 新的AVR ATmega16以上型

31、号的单片机具有JTAG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 AVR单片机在设计时充分考虑了C语言的特点，而且在开发过程与一著名的 生产C编译器的软件公司合作，所以AVR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GCC也有面向AVR的编译器WINAVR，这也为AVR单片机的C 开发提供更大空间。因此，有人将AVR单片机称为“面向C语言”的单片机。4 图2-2 ATmega128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 6-8A，本 8 系统采用双片制冷片进行温度

32、控制，其最高电流可达 16A，因此仪器供电采用 北京市华南星辉电子有限公司的 HS-300P-12 型 AC/DC 开关电源（AC110/220V 输入， DC12V/25A 输出，精度1%，纹波 150mV，效率 83%） ，如图 2-3 所示。 图 2-3 HS-300P-12 型 AC/DC 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： (

33、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 12V 供电，最大温差可达 60，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，重启时间长，且压 第二章 智能恒温培养振荡器的控制系统简介 9 缩机体积庞大，对于原本就有限的实验室空间，仪器的小型化是必

34、然趋势，因 此不采用压缩机制冷。 由于设备的技术指标要求控温范围在 460，对于室温在 040的地 区，采用最大温差可达 60的半导体制冷片，完全可以满足实际需要。因此， 设备采用 TEC1 系列半导体制冷组件，Imax=8.5A，Vmax=15.7V，Tmax=77， 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，因此需要 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 2-4 TEC1 系列半导体制冷片 图 2-5 双片制冷

35、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 ，也是最早开发的一类传感器。在半导体技术的支持 下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、 PN 结温度传感器和集成温度 10 传感器；与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传 感器、红外传感器和微波传感器。 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 20时，要求振荡器控制温度达 30.5，振荡器 需要加热 10.5；但是如果室温在 35，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

36、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(RTD)和 IC 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IC 温度传感器。 (1)两种

37、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1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 540uV/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

38、号的影响，也容易受到前置放大器温度漂移的影响，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、，迁移率分别为、，则半导体的电导为：np n u p u )(q pn punu 因为、都是依赖温度 T 的函数，所以电导是温度的函数，np n u p u 因此可由测量电导而推算出温度的高低，并能做出电阻-温度特性曲线 。这 就是半导体热敏电阻的工作原理 。但是其主要用来测量温度精度要求不高的 应

39、用场合，例如汽车的冷却液传感器，因此不适于选用 热电偶传感器 。 第二章 智能恒温培养振荡器的控制系统简介 11 (3) 电阻式温度检测器(RTD,Resistance Temperature Detector)是一种物 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正电阻系数,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(Pt)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，最受工业界 采用。 PT100 温度感测器是一种以铂(Pt)作成的电阻式温度检测器，属于正电阻 系数

40、，其电阻和温度变化的关系式如下： 其中，)a1 ( 0 TRR00392 . 0 a 为 (在 0的电阻值)，为摄氏温度，因此铂作成的电阻式温度检测 0 R100T 器,又称为 PT100。 1000/255 . 0 )00392 . 0 1 (10055 . 2 0 TTmAV 由于 PT100 是一种广泛应用的测温元件，在-50600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 PT100 作为温度传感器，如图 2-6 所示 PT100 温度传感器及其安装实物图。 图 2-6 PT100 温度传感器及其安装实物图

41、(4) IC 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 DS18B20 温度传感器作为室温采集系统， 该传感器采用美国 DALLAS 公司生产的 DS18B20 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 DS18B20 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 DS18B20 的双向通讯，有效的节省了处理器的资 源利用，测温范围 55125，固有测温分辨率 0.5，满足设计要求， 如图 2-7 所示 DS18B20 及其封装图。 12 图 2-7

42、 DS18B20 及其封装图 2.2.5 电机的选择及其主要参数 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 EMC 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 220V 单相交 流电源供电。智能恒温培养振荡

43、器要求转速在 30rpm900rpm，控制精度达 1rpm，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(single-phase asynchronous motor)是靠 220V 单相交流 电源供电的一类电动机，它适用于只有单相电源(single-phase power)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

44、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，则n 第二章 智能恒温培养振荡器的控制系统简介 13 对正转磁场而言，转差率为：s n nn s 0 0 对反转磁场而言，转差率为：s n nn s 2 0 0 单相异步电动机的 T-s 曲线见下图 2-

45、8 所示： 由图可知单相异步电动机的主要特点有： T 0 20 2 3 1 1 T 2 1 ss2 s T S 图 2-8 单相异步电动机的 T-s 曲线 (1)，说明单相异步电动机无启动转矩，如不采取0, 1, 0 TTTsn 其他措施，电动机不能启动。 (2)当时，无固定方向，它取决于 的正、负。1s0TTs (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。56 本系统所用的电机为 YY90-60 型电容运行的单相异步电动机，功率 60w， 电压 220VAC，频率 50Hz，电流 0.60A，启动转矩 343mN.m，额定转矩 441mN.m，额定转速 1

46、300rpm。由于工作绕组 m 和副绕组 a 的轴线在空间相隔 90 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 90 度的磁场使转子旋转，本系统 所采用的启动电容为 4uF/275VAC，其接法如图 2-9 所示。 图 2-9 电容运转单相异步电动机接法 14 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) USB 的数据通信； (6) 实验数据的实时存储； (7)

47、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：460； (2) 转动电机调速范围：30600rpm； (3) 稳态温度的控制精度：0.2； (4) 箱体内温度均匀度：1； (5) 温度、转速调节时间：30min。 第三章 智能恒温培养振荡器系统硬件实现 15 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 PID 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

48、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。 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

49、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，pcb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。7 (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、 PLC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