半微量相平衡系统控制器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及半微量相平衡与萃取平衡实验装置，具体涉及一种半微量相平衡系统 控制器。
【背景技术】
[0002] 半微量分析法是一种比较常见的分析方法，介于微量分析和常量分析之间。从保 护人类生存环境，节约能源与资源的角度出发，要求化学工作者以绿色化学的理念进行实 验与实验技术的设计。在稀有、稀散和贵金属的分离纯化过程中经常遇到溶液的相平衡与 多相萃取平衡问题，在进行化学实验中常采用半微量分析法。
[0003] 目前，国内的半微量相平衡化学反应装置是由有机玻璃载体、微型交流电机、自制 平衡管、微型继电器、温度计、水银接点温度计，有机玻璃水槽等组成。在物理或者化学反应 过程中，要通过温度计来测量并观察容器内水的温度。水银接点温度计作为温控开关与继 电器相连，然后控制加温装置；常用的加温装置为100W的钨丝灯泡；通过微型交流电机带 动有机玻璃载体旋转。现有的半微量相平衡化学反应装置主要是手动控制，存在如下缺点： 温度检测精度低、温度控制精度低以及自动化程度低。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种半微量相平衡系统控制器。
[0005] 为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
[0006] 该控制器包括温度检测电路、温度设定电路、光电耦合电路、加热驱动电路、搅拌 电机驱动电路、电机调速用A/D电压采集电路、液晶显示接口电路以及核心处理单元电路， 所述温度检测电路、温度设定电路、光电耦合电路、电机调速用A/D电压采集电路以及液晶 显示接口电路分别与核心处理单元电路相连，加热驱动电路和搅拌电机驱动电路分别与光 电耦合电路相连。
[0007] 所述核心处理单元电路包括型号为STC12C5A60S2的单片机。
[0008] 所述温度检测电路包括DS18B20数字温度传感器，DS18B20数字温度传感器的信 号线DQ与所述单片机的一个I/O 口相连，并且所述信号线DQ接上拉电阻到所述单片机的 VCC引脚。
[0009] 所述温度设定电路包括74LS08芯片以及温度加键ADD、温度减键MINUS和确定键 OK三个功能按键，所述温度加键ADD和温度减键MINUS分别与所述单片机的两个I/O 口对 应相连，所述温度加键ADD和温度减键MINUS分别与74LS08芯片的一组与门输入端的两端 对应相连，74LS08芯片的与门输出端与所述单片机的外部中断源7^70相连，确定键OK与 所述单片机的外部中断源_相连。
[0010] 所述A/D电压采集电路使用电位器作为分压元件，电位器的动触点引出端与所述 单片机的A/D转换端口相连，电位器的两个静触点分别与单片机的VCC引脚和GND引脚对 应相连，两个静触点之间并联去耦电容组。
[0011] 所述光电耦合电路包括光电耦合器HCPL2630、PNP型三极管Ql以及PNP型三极管 Q2,所述PNP型三极管Ql以及PNP型三极管Q2的基极分别与所述单片机的PffM波输出端口 相连，所述PNP型三极管Ql以及PNP型三极管Q2的发射极分别与光电耦合器HCPL2630的 输入端对应相连，所述PNP型三极管Ql以及PNP型三极管Q2的集电极与所述单片机的GND 引脚相连，光电耦合器HCPL2630的输出端CONl、C0N2分别与加热驱动电路以及搅拌电机驱 动电路对应相连；所述加热驱动电路包括第一过流保护电路和第一驱动电路，光电耦合器 HCPL2630的输出端CONl接第一过流保护电路中带过流保护的栅极驱动芯片IR2125的IN 引脚，该带过流保护的栅极驱动芯片IR2125的HO引脚与第一驱动电路中MOS管IRFB3806 的栅极相连；所述搅拌电机驱动电路包括第二过流保护电路和第二驱动电路，光电耦合器 HCPL2630的输出端C0N2接第二过流保护电路中带过流保护的栅极驱动芯片IR2125的IN 引脚，该带过流保护的栅极驱动芯片IR2125的HO引脚与第二驱动电路中MOS管IRFB3806 的栅极相连。
[0012] 所述控制器还包括电源供电电路，电源供电电路包括24V直流电源转5V直流电源 电路以及24V直流电源转12V直流电源电路，所述24V直流电源转5V直流电源电路为温度 检测电路、温度设定电路、所述A/D电压采集电路、液晶显示接口电路以及核心处理单元电 路供电；所述24V直流电源转12V直流电源电路为光电耦合电路、搅拌电机驱动电路和加热 驱动电路供电。
[0013] 所述控制器采用模糊PID控制算法进行温度调节，具体包括以下步骤：若当 前时刻k的设定温度为setT，实测温度为realT，则计算出当前时刻k的误差e(k)= setT-realT，误差变化率ec = e (k)-e (k-1)，k-1表示上一时刻，然后将误差e (k)和误差变 化率ec进行模糊化处理并按照模糊规则库中的模糊规则整定PID参数的增量Λ Κρ、Λ Ki 以及Λ Kd，对所得到的Λ Κρ、Λ Ki以及Λ Kd进行解模糊化处理，进一步计算得到当前时 刻k的PID参数Kp、Ki以及Kd的精确值，然后根据增量式PID算法计算得到当前的控制量 U(k) 〇
[0014] 所述模糊PID控制算法中：
[0015] 误差e (k)的基础论域为[-3, 3]，模糊化为{NB，NM，NS, Z，PS，PM, PB}七个等级，并 建立三角形隶属函数；
[0016] 误差变化率ec的基础论域为[-3, 3]，模糊化为{NB，NM，NS, Z，PS, PM, PB}七个等 级，并建立三角形隶属函数；
[0017] Kp参数的基础论域为[-0· 3, 0· 3]，模糊化为{NB，NM，NS, Z，PS, PM, PB}七个等级， 并建立三角形隶属函数；
[0018] Ki参数的基础论域为[-0· 06, 0· 06]，模糊化为{NB，NM，NS, Z，PS, PM, PB}七个等 级，并建立三角形隶属函数；
[0019] Kd参数的基础论域为[-3, 3]，模糊化为{NB，NM，NS, Z，PS，PM, PB}七个等级，并建 立三角形隶属函数。
[0020] 本发明的有益效果体现在：本发明结合半微量相平衡系统对环境温度精度和均匀 性的要求，通过核心处理单元电路与温度检测电路、温度设定电路、光电耦合电路、加热驱 动电路、搅拌电机驱动电路、A/D电压采集电路、液晶显示接口电路紧密配合，可以通过A/D 采样结果自动调节电机转速，使液体受热均匀，并可以实现容器内环境温度的自动、高精度 检测和调节，能够控制反应容器中温度在15~60°C的某个温度点恒温连续48小时，以保证 半微量相平衡系统的完整反应能准确完成，并实现了半微量相平衡系统化学反应过程数字 化控制以及数字化显示。
【附图说明】
[0021] 图1为本发明的结构原理框图。
[0022] 图2为本发明所述温度检测电路示意图。
[0023] 图3为本发明所述温度设定电路示意图。
[0024] 图4为本发明所述液晶显不接口电路不意图。
[0025] 图5为本发明所述A/D电压采集电路示意图。
[0026] 图6为本发明所述光电親合电路不意图。
[0027] 图7为本发明所述加热驱动电路示意图。
[0028] 图8为本发明外部结构示意图。
[0029] 图9为程序流程图。
[0030] 图10为模糊PID控制算法流程图。
[0031] 图11为模糊PID控制算法中误差e(k)的隶属函数图。
[0032] 图12为模糊PID控制算法中误差变化率ec的隶属函数图。
[0033] 图13为模糊PID控制算法中Kp参数的隶属函数图。
[0034] 图14为模糊PID控制算法中Ki参数的隶属函数图。
[0035] 图15为模糊PID控制算法中Kd参数的隶属函数图。
【具体实施方式】
[0036] 下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。
[0037] 参见图1，本发明所述半微量相平衡系统控制器主要包括：温度检测电路、温度设 定电路、光电耦合电路、加热驱动电路、搅拌电机驱动电路、A/D电压采集电路、液晶显示接 口电路、电源供电电路以及核心处理单元电路。本发明以STC12C5A60S2单片机为核心处 理元件，与各部分功能电路紧密配合实现了半微量相平衡系统容器内温度的自动检测和调 整，通过直流加热实现容器中温度能够在15~60度的某个温度点恒温连续48小时保持稳 定，电机带动搅拌器使液体受热均匀，以保证能准确完成半微量相平衡系统的完整反应。该 控制器能够实现半微量相平衡系统化学反应过程数字化控制，数字化显示，高精度测量，该 系统性能稳定，温度测量精度高，温度控制精度高，自动化程度高。
[0038] 参见图2,所述温度检测电路使用数字温度传感器DS18B20,经过防水铠装处理之 后可直接浸入液体内测量温度。DS18B20是一条口线（DQ)通信，使用过程中不需要任何外 围元件支持，将DQ与所述单片机的PL 7端口（I/O 口）相连，并且DQ接上拉电阻R16到 所述单片机的VCC引脚，就可实现单片机与数字温度传感器DS18B20之间相互通信。由于 温度传感器采用外部电源供电的方式，不需要强上拉电阻，所以使用5. 1ΚΩ的上拉电阻。 DS18B20 引脚 3 接 VCC，DS18B20 引脚 1 接 GND。
[0039] 参见图3,所述温度设定电路共包含三个功能按键以及电阻Rl(K)KQ )、 R2(10KQ)、R3(10KQ)，单片机控制系统中需要三个功能键，温度加键"ADD"，温度减键 "MINUS"，确定键"0K"，单片