顯微鏡載物臺(tái)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李海龍，樸相范

(延邊大學(xué) 工學(xué)院，吉林 延吉 133002)

顯微鏡載物臺(tái)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李海龍，樸相范

(延邊大學(xué) 工學(xué)院，吉林 延吉 133002)

針對目前顯微鏡載物臺(tái)溫控系統(tǒng)的超調(diào)量大、控制溫度不恒定等明顯缺陷，文中設(shè)計(jì)了一種基于STC12C5608AD單片機(jī)的顯微鏡載物臺(tái)自動(dòng)溫控系統(tǒng)。采用高精度的NTC10KB3950K薄膜熱敏電阻作為溫度傳感器，運(yùn)用模糊自整定PID算法，溫度控制范圍為0～50.0 ℃，溫度控制精度為±0.1 ℃。該溫控系統(tǒng)具有操作簡單、響應(yīng)速度快、超調(diào)量小、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的實(shí)用性。

溫控系統(tǒng)；溫度傳感器；單片機(jī)；模糊自整定PID

傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡只能在常溫下觀測試樣，但在物理、化學(xué)、生物、醫(yī)藥、材料和司法檢驗(yàn)等技術(shù)領(lǐng)域中[1-2]，用顯微鏡觀測試樣對溫度有不同的要求，故而需要一種能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制溫度的顯微鏡來滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。目前常用的低溫顯微鏡基本為大型非固態(tài)系統(tǒng)，采用微機(jī)控制電磁閥以調(diào)節(jié)液氮的輸出從而達(dá)到降溫的目的；但其具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高、升溫效率低等缺點(diǎn)[3]。為了解決這些問題，本文以國內(nèi)外現(xiàn)有發(fā)表文獻(xiàn)為參考依據(jù)，提出了一種以STC12C5608AD單片機(jī)為主控原件，采用ITO玻璃為控溫元件載體的顯微鏡載物臺(tái)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)，并根據(jù)ITO的驅(qū)動(dòng)特性，采用IRF540驅(qū)動(dòng)導(dǎo)電玻璃的加熱功率。本系統(tǒng)采用了自整定的模糊PID控制算法，具有精度高、實(shí)時(shí)性好、簡單易操作等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 系統(tǒng)整體框圖

溫度控制系統(tǒng)硬件部分由單片機(jī)、數(shù)據(jù)采樣電路、ITO電路、鍵盤、液晶顯示屏組成。通過鍵盤來對載物臺(tái)所需要的溫度值進(jìn)行設(shè)定，設(shè)定的溫度值及載物臺(tái)的實(shí)時(shí)溫度變化將由液晶屏顯示。溫度傳感器采用高精度的NTC10KB3950K薄膜熱敏電阻。數(shù)據(jù)采樣電路采集實(shí)時(shí)溫度值，將采集到的溫度值經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后發(fā)送給單片機(jī)并由液晶屏顯示。將實(shí)時(shí)溫度和預(yù)先設(shè)定的溫度之間的差值作為輸入變量，利用積分分離式參數(shù)自整定模糊PID算法計(jì)算并產(chǎn)生控制量，并控制PWM功率驅(qū)動(dòng)電路從而達(dá)到通過ITO對系統(tǒng)進(jìn)行溫度控制。與此同時(shí)，由數(shù)據(jù)采集電路將載物臺(tái)的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)，形成閉環(huán)控制，使載物臺(tái)的溫度能夠達(dá)到設(shè)定值并穩(wěn)定，從而實(shí)現(xiàn)顯微鏡載物臺(tái)溫度的自動(dòng)控制。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

1.2 鉑電阻的非線性校正

鉑電阻因其性能穩(wěn)定、測溫范圍較寬、標(biāo)定簡單且互換性好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各種溫度測量系統(tǒng)中。但與其他測溫元件一樣，鉑電阻的熱電阻與溫度變化之間也存在著非線性的關(guān)系。為了進(jìn)行非線性校正和抵消系統(tǒng)誤差，利用電阻箱測量控制板的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，如表1所示，薄膜傳感器非線性比較嚴(yán)重，需每2 ℃做分段線性修正[4]。對鉑電阻進(jìn)行非線性校正通常有牛頓法、迭代法、插值法、查表法等[5-6]。本文采用分段線性修正方法進(jìn)行校正。分段線性修正方法如式(1)，式(2)和圖3所示。

表1 線性處理分段表

圖2 鉑電阻線性處理分段表

(1)

(2)

圖3 線性插值

2 系統(tǒng)硬件電路及算法設(shè)計(jì)

2.1 溫度測量電路

數(shù)據(jù)采集電路由鉑電阻傳感器，溫度檢測電路及A/D轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成。高精度的NTC10KB3950K薄膜熱敏電阻用于檢測溫度，它的阻值隨溫度的改變而改變。溫度檢測電路根據(jù)鉑電阻的阻值變化轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的電壓變化。A/D轉(zhuǎn)換電路將電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后發(fā)送給單片機(jī)以完成溫度采集的工作。

NTC10KB3950K薄膜熱敏電阻采用兩線制接法，如圖4所示，同電阻R1、R2、R3和可變電阻W1構(gòu)成了惠斯通電橋電路，鉑電阻的阻值隨溫度發(fā)生相應(yīng)的變化，從而電橋的壓差被破壞，使惠斯通電橋也隨之輸出變化的電壓[7-8]。由于電橋輸出的電壓比較小，因而采用差分放大電路對其進(jìn)行放大，其中可變電阻W1和W2的作用是分別對零點(diǎn)和放大倍數(shù)進(jìn)行調(diào)整。本設(shè)計(jì)需要滿足的溫度變化范圍為-10～40 ℃，其電阻的變化范圍為961～1 155 Ω，需將此電阻變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓變化，使其在ADC的輸入電壓0～5 V范圍內(nèi)，并且盡可能的提高精度。

圖4 溫度測量電路

2.2 加熱器驅(qū)動(dòng)電路

光電耦合器的發(fā)光二極管電流和集電極電流偏小時(shí)會(huì)出現(xiàn)不能飽和現(xiàn)象，具體是下降沿較陡，上升沿緩慢，類似電容充放電效果。發(fā)光二極管電流取約10 mA，集電極電流取10 mA以上。

IRF540門極控制電壓要在4 V以上才能使MOS管進(jìn)入飽和狀態(tài)，工作在放大狀態(tài)時(shí)MOS管會(huì)發(fā)熱。加熱片的功率則由STC12C5608AD調(diào)節(jié)PWM口的占空比來進(jìn)行控制，占空比由PID調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，PID控制是通過計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)的，因此它的靈活性很大。運(yùn)用PID可以改善系統(tǒng)品質(zhì)，滿足不同控制系統(tǒng)的需要。

圖5 加熱器驅(qū)動(dòng)電路

2.3 PID算法設(shè)計(jì)

在加熱系統(tǒng)中引入積分量是為了提高溫度的控制精度，本系統(tǒng)采用積分分離式參數(shù)自整定PID控制算法[9-15]，當(dāng)當(dāng)前溫度量與實(shí)驗(yàn)設(shè)定量的差值相差較大時(shí)，將積分常量設(shè)定為0，避免PID運(yùn)算中的積分部分有很大的輸出造成失調(diào)。當(dāng)|e(k)|>ε時(shí)，去掉積分環(huán)節(jié)，只進(jìn)行PD調(diào)節(jié)，當(dāng)|e(k)|<ε時(shí)，再加入積分調(diào)節(jié)，這樣既消除了靜態(tài)誤差，又提高了系統(tǒng)的控制精度，使系統(tǒng)的控制性能得到了大幅改善。

圖5 PID子程序流程圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)環(huán)境：室內(nèi)溫度22 ℃，設(shè)定溫度為37 ℃，導(dǎo)電玻璃加熱電壓24 V(PWM 100%時(shí)加熱電流370 mA)，系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果曲線如圖6所示。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：到35 ℃為止PWM輸出100%，升溫速度約0.6 ℃/s，超過35 ℃控制量開始減小，進(jìn)入加熱—散熱平衡點(diǎn)后占空比約17%，加熱電流約70 mA。超調(diào)量<±0.1 ℃，無震蕩，控制誤差<±0.1 ℃，從21 ℃上升到37 ℃穩(wěn)定點(diǎn)約需要30 s。

從控溫曲線可以看出，系統(tǒng)響應(yīng)快、慣性微小、基本沒有遲滯，升溫速度快(采樣頻率使用2 Hz)，超調(diào)量較小，控溫精度達(dá)到系統(tǒng)要求的 ±0.1 ℃，取得較為理想的效果。對于具有大慣性、大延遲環(huán)節(jié)、難以建立準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型的被控對象，PID 與模糊控制的復(fù)合控制能夠滿足系統(tǒng)要求，具有良好的速度和穩(wěn)態(tài)精度。

圖6 Fuzzy-PID 恒溫控制曲線(37.0 ℃)

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的顯微鏡載物臺(tái)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)，總結(jié)前人的經(jīng)驗(yàn)采用了模糊自整定PID算法精確地控制溫度變化，控制精度達(dá)到了系統(tǒng)要求的±0.1 ℃。與傳統(tǒng)的溫控系統(tǒng)相比，本溫控系統(tǒng)響應(yīng)快，操作簡單，控制溫度恒定，超調(diào)量小，達(dá)到了預(yù)期的效果，且具有電路簡單、工作穩(wěn)定、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，從而提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)能力和市場競爭力。

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Design of Temperature Control System for Microscope Table

LI Hailong, PIAO Xiangfan

(School of Engineering，Yanbian University，Yanji 133002，China)

As the present microscope stage’s automatic temperature control system has its deficiencies of large/big/high overshoot and inconstant temperature controlling, an automatic temperature control system for microscope stage is invented, which is based on STC12C5608AD microcontroller. The system uses the high-precision NTC10KB3950K film thermal resistor as the temperature sensor. And Fuzzy- PID algorithm is applied. What’s more, the control temperature ranges from 0～50.0 ℃. Temperature control precision is less than ±0.1℃. The application result shows that this new system has the advantage of simple operation, fast response, less overshoot, stability and reliability, which means it has certain practicability.

temperature control system; temperature sensor; MCU; fuzzy-PID

2017- 02- 17

國家自然科學(xué)基金(21027009)

李海龍(1992-)，男，碩士研究生。研究方向：電子智能化技術(shù)。樸相范(1962-)，男，教授。研究方向：電子智能化技術(shù)。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.12.028

TP273；TN371

A

1007-7820(2017)12-106-04