基于光譜微型檢測室互補(bǔ)溫度控制器設(shè)計(jì)

魏康林， 呂 聰， 周 豐， 戴賢明

(1.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002; 2.三峽大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

目前，微型檢測室在環(huán)境、材料、醫(yī)藥、生化等諸多領(lǐng)域有著廣泛而重要的應(yīng)用，特別是光學(xué)光譜分析的測量方面。運(yùn)用光譜分析相比于傳統(tǒng)的檢測方式，實(shí)驗(yàn)方法上具有檢測時(shí)間短、操作簡單的特點(diǎn)，測量結(jié)果上有誤差小、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。但光譜類分析儀器對(duì)外界穩(wěn)定性要求很高，其中檢測室恒溫控制是測試處理和檢測的重要條件之一。經(jīng)所在團(tuán)隊(duì)開發(fā)儀器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:溫度上升10 ℃，光強(qiáng)波動(dòng)會(huì)對(duì)檢測結(jié)果造成5 %左右的誤差。所以溫度精確控制是保證樣品檢測重復(fù)性和準(zhǔn)確度滿足要求的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)一種基于加熱棒快速加熱和帕爾貼穩(wěn)定恒溫的樣品檢測室氣浴恒溫系統(tǒng)[1]。測試發(fā)現(xiàn)，該溫度控制系統(tǒng)能夠有效提高檢測準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性，滿足光譜分析類的微型檢測室對(duì)溫度控制的要求。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

溫度控制系統(tǒng)主要由信號(hào)采集電路、微控器、帕爾貼驅(qū)動(dòng)電路、加熱棒驅(qū)動(dòng)電路組成[2]。通過微控器設(shè)定目標(biāo)溫度，利用數(shù)字溫度傳感器讀取實(shí)際溫度，比較產(chǎn)生誤差值。根據(jù)誤差值大小來驅(qū)動(dòng)加熱棒，再調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制(pulse width modulation,PWM)波形，推動(dòng)溫度控制執(zhí)行驅(qū)動(dòng)器金屬氧化物半導(dǎo)體(metal-oxide semiconductor,MOS)管，輸出命令使TEC進(jìn)行加熱或制冷，從而使樣品室的溫度向設(shè)定的目標(biāo)溫度值靠近。微控器每間隔一定時(shí)間讀取一次數(shù)據(jù)，對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)閉環(huán)控制，方便根據(jù)具體需求精確控制

樣品反應(yīng)室的溫度。整體系統(tǒng)中，微控器利用模糊比例—積分—微分(proportional integral differential,PID)算法控制帕爾貼起恒溫調(diào)節(jié)作用，相對(duì)于加熱棒的大功率加熱效應(yīng)，微控器設(shè)定溫差等級(jí)單獨(dú)控制加熱棒，形成加熱棒和帕爾貼的雙加熱互補(bǔ)體系，便于調(diào)節(jié)[3]。如圖1所示。

圖1 溫度控制整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件部分

硬件電路主要有三大模塊：傳導(dǎo)熱敏電阻驅(qū)動(dòng)、加熱棒驅(qū)動(dòng)、帕爾貼驅(qū)動(dòng)。

1)DS18B20為測溫芯片。電阻熱感應(yīng)快、靈敏度高，可準(zhǔn)確反饋溫度數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)上采用三線制，減少了外部硬件電路，具有低成本和易使用的特點(diǎn)[4]。

2)加熱棒為主要加熱器件，選型根據(jù)開關(guān)電源容量分配和器件經(jīng)濟(jì)性，采用12 V/40 W的加熱棒。圖2為加熱棒的驅(qū)動(dòng)電路，微控器的命令經(jīng)過光耦隔離器，然后傳輸繼電器引腳導(dǎo)通來控制加熱棒是否工作。電路中光耦PC817來阻斷上下級(jí)電路的信號(hào)干涉和保護(hù)減小過電壓的影響。

圖2 加熱棒驅(qū)動(dòng)電路

3)帕爾貼負(fù)責(zé)恒溫精確控制，主要利用帕爾帖效應(yīng)進(jìn)行電熱轉(zhuǎn)換。即帕爾貼通以不同方向的電流時(shí),可對(duì)與其相接觸的物體制冷或制熱;當(dāng)電流導(dǎo)向確定時(shí),溫差大小與其工作電流大小成正比。

帕爾貼驅(qū)動(dòng)電路采用MOS管組成H橋，然后根據(jù)微控器輸出不同的PWM波[5]，再經(jīng)過自舉電路升壓至MOS管的導(dǎo)通電壓，來確定帕爾貼工作方向和導(dǎo)通時(shí)間，快速調(diào)節(jié)溫度，達(dá)到目標(biāo)要求[6]。如圖3所示。

圖3 帕爾貼驅(qū)動(dòng)電路

設(shè)計(jì)實(shí)體是被金屬銅槽包裹反應(yīng)皿，銅相比水浴加熱速度提高很多，受熱相對(duì)均勻。加熱棒在金屬槽底部，右邊緊貼帕爾貼。加熱棒底部設(shè)計(jì)更有利于傳熱，不會(huì)影響測量部分的光學(xué)檢測。帕爾貼起恒溫調(diào)節(jié)作用，置于金屬槽兩側(cè)且均加了散熱風(fēng)扇，設(shè)計(jì)簡單，功耗也大大減少。

3 系統(tǒng)控制算法

微控器采用STM32芯片應(yīng)用的是嵌入式設(shè)計(jì)的ARM Cortex—M3內(nèi)核，時(shí)鐘頻率高、計(jì)算速度快、引腳多可以拓展多種外設(shè)，有利于后續(xù)計(jì)算處理應(yīng)用開發(fā)[7]。

3.1 溫差等級(jí)快速升溫處理

實(shí)驗(yàn)累積的經(jīng)驗(yàn)得知，加熱棒具有升溫速率高、溫控滯后性大、不易精確控制的特點(diǎn)。本文利用檢測溫度差值大小來控制加熱棒的工作時(shí)間。

首先，STM32系統(tǒng)啟動(dòng)，對(duì)應(yīng)引腳時(shí)鐘端口初始化，然后設(shè)定目標(biāo)溫度值，并讀取DS18B20傳輸溫度信號(hào)，計(jì)算兩者的溫度差。為了對(duì)應(yīng)微型檢測室實(shí)際工作需求，并根據(jù)實(shí)際測試結(jié)果，將不同的溫度差分3個(gè)模塊等級(jí)驅(qū)動(dòng)加熱棒，各模塊驅(qū)動(dòng)時(shí)間差控制加熱棒效果。使實(shí)際溫度大約與目標(biāo)溫度在±3 ℃差值裕度，然后關(guān)閉加熱棒驅(qū)動(dòng)體系。系統(tǒng)開始利用模糊PID算法來調(diào)節(jié)帕爾貼的輸出恒溫控制，使溫度調(diào)節(jié)更加精準(zhǔn)的接近目標(biāo)值并維持恒溫[8,9]。如圖4所示。

圖4 溫度控制系統(tǒng)流程

3.2 模糊PID算法恒溫控制

微型檢測室多數(shù)用于反應(yīng)室，既要檢測分析物質(zhì)，又要供物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)。溫度控制對(duì)其分析測量影響很大，須提高對(duì)其控制水平。模糊PID控制不僅具有智能控制自適應(yīng)、自組織的能力，能夠辨識(shí)過程控制參數(shù)、適應(yīng)被控過程參數(shù)的變化，且具有常規(guī)PID控制器結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、可靠性高的特點(diǎn)[10]。

模糊PID參數(shù)自整定控制方式[11]，首先要找出PID 3個(gè)參數(shù)與控制偏差e和偏差斜率ec的關(guān)系。然后制定模糊規(guī)則，系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)不同配對(duì)不同的規(guī)則，來修正PID參數(shù)達(dá)到快速調(diào)整的效果。根據(jù)長期工作經(jīng)驗(yàn)和參考文獻(xiàn)[12,13]可以獲得以下規(guī)則：

1)當(dāng)系統(tǒng)的偏差e較大時(shí)，為加速系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度，比例參數(shù)P取較大值，為了避免超調(diào)響應(yīng)，積分參數(shù)I設(shè)為0；這時(shí)的微分參數(shù)D可根據(jù)具體系統(tǒng)來調(diào)節(jié)大小。

2)當(dāng)系統(tǒng)的偏差e適中時(shí)，參數(shù)P取較小值來減小超調(diào)反應(yīng)，參數(shù)I適當(dāng)，這時(shí)微分參數(shù)D會(huì)對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)速度產(chǎn)生極大影響，參考文獻(xiàn)和根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來調(diào)節(jié)。

3)當(dāng)系統(tǒng)的偏差e很小時(shí)，參數(shù)P和參數(shù)I取大值，設(shè)置參數(shù)D與偏差斜率ec成反比。

結(jié)合參數(shù)自整定原則和設(shè)計(jì)儀器的溫度控制原理[14]，確定輸入輸出量的論域偏差e、偏差斜率ec和ΔKP的論域?yàn)閧-3，-2，-1，0，1，2，3}，而ΔKI和ΔKD的論域?yàn)閧-0.3,-0.2,-0.1,0,0.1,0.2,0.3},各個(gè)數(shù)字代表{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，其隸屬度函數(shù)均采用三角形隸屬函數(shù)。如圖5所示。

圖5 隸屬函數(shù)

根據(jù)隸屬函數(shù)，參考溫度PID的文獻(xiàn)[15]得出模糊控制規(guī)則庫，系統(tǒng)按照反饋回來的數(shù)值應(yīng)用隸屬函數(shù)模糊化，對(duì)照模糊控制規(guī)則庫判定修正值的模糊量，最后解模糊輸出準(zhǔn)確修正值對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行修改，達(dá)到控制要求。

4 系統(tǒng)測試

4.1 溫度控制精確度

為測試微型檢測室的溫度控制是否符合要求，設(shè)定溫度控制在42 ℃。將反應(yīng)完全的待測樣品放入系統(tǒng)中對(duì)其進(jìn)行溫度調(diào)控，觀測時(shí)間為8 min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為0～8 min內(nèi)每間隔1 min對(duì)應(yīng)的溫度為22.8，30.6，36.3，39.3，40.6，41.6，41.8，41.8，41.8 ℃。表明,所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)溫度誤差小于0.2 ℃ ,滿足一般微型檢測室的要求。系統(tǒng)設(shè)定值為42 ℃，測量的溫度量為反應(yīng)皿中液體的實(shí)際反應(yīng)溫度，對(duì)比會(huì)有誤差的存在。該誤差與檢測物體溫度差異、控制算法、外界溫度有關(guān)。

4.2 同類型溫度控制的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

圖6為現(xiàn)有的水浴溫度控制曲線。設(shè)定溫度為41 ℃，1 min測1次，大約在25 min左右溫度逐漸穩(wěn)定。系統(tǒng)溫度誤差控制在0.5 ℃以內(nèi)。采用大功率帕爾貼進(jìn)行調(diào)控，溫度調(diào)節(jié)時(shí)間太長，影響后續(xù)的反應(yīng)和實(shí)驗(yàn)測量。

圖6 水浴恒溫控制

圖7為本文提出的互補(bǔ)溫度控制系統(tǒng)效果，溫控設(shè)置為42 ℃，由于溫度變化相對(duì)迅速，而且穩(wěn)定時(shí)長較短，所以20 s記錄1次數(shù)據(jù)，大約350 s左右溫度就迅速穩(wěn)定，相比水浴溫度控制系統(tǒng)，穩(wěn)定速度提升70 %，而且溫度控制精度也相對(duì)較高。

圖7 互補(bǔ)溫度控制

5 結(jié) 論

提出并設(shè)計(jì)了一種新型氣浴恒溫控制系統(tǒng),基于加熱棒快速加熱和帕爾貼精確恒溫溫度控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:這種新型加熱棒帕爾貼互補(bǔ)系統(tǒng)的優(yōu)勢,可以根據(jù)不同,環(huán)境調(diào)節(jié)溫度迅速達(dá)到要求，可以減少檢測器皿中反應(yīng)的溫度波動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)快速恒溫的目標(biāo)。同時(shí)，相比于傳統(tǒng)的溫度控制微系統(tǒng),提出的溫度控制可以快速實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、節(jié)省時(shí)間，滿足一般檢測儀器對(duì)溫度精確快速控制的要求，加快后續(xù)的操作流程，減少了實(shí)驗(yàn)誤差。