熔点仪时序升温控制的关键技术与实验研究

论文摘要

熔点仪,顾名思义,是测量有机结晶物熔点的仪器。有机结晶物的熔点是结晶物固有的、且非常重要的理化参数,是有机结晶物相变转化过程的特征温度。现代有机化学中,结晶物熔点的测量是分析结晶物纯度的基本手段。随着生产质量的提高,晶体物质的纯度对生产过程中产品的质量起着至关重要的作用。但是直接测量晶体物质的纯度又有一定困难,所以在有机结晶物生产过程中通过测量晶体物质的熔点来检测它的纯度,从而确定其是否达到产品质量要求。目前,国内熔点仪精度普遍低于国外产品精度、价格却居高不下,因此急需开发一种高精度、低成本的熔点仪。面对熔点仪的精度和成本这两个问题,本文在深入研究国内外各种熔点仪发展情况的基础上,提出了一种低成本、高精度、线性度好的熔点仪。这种熔点仪具有硬件结构简单,功能齐全等特点。课题选用的核心芯片是由美国德州仪器（TI）公司推出的单片机MSC1210Y5,该单片机自带24位高精度的∑-△型A/D转换器、可编程增益放大器、3倍速度的8051内核、大容量的Flash存储器、支持SPI或I2C总线等多项外围设备。它具有很高的模拟数字集成度,是一款高性能的混合信号芯片。本课题主要研究熔点仪的时序升温控制,在对现有控制算法的基础上选用了一种适合本课题的控温算法,即在数字增量型PID算法的基础上进行了一定的改进和创新。PID参数的整定是通过用LabView设计的上位机来实现的。上位机不仅提高了参数整定的效果,在对滤波处理、实验结果分析等方面都以图表的形式给出,使测试人员更加容易对实验结果进行分析,缩短了整个研发周期。通过对熔点仪时序线性升温控制研究,本课题主要完成了一下几方面工作。1.查阅大量国内外相关资料,选取单片机MSC1210完成硬件电路设计,简化了硬件电路,节约了硬件成本。2.采用通过串口通讯将测得信号传送到上位机进行处理,通过上位机程序辅助完成系数的整定、迅速优化调整PID算法系数、缩短调试周期和提高系数整定的准确性。3.通过对各种算法的比较研究,选用比较适合本课题的数字增量型PID算法。完成熔点控制系统非线性误差的校正,并对仪器时序升温控制进行一定的创新研究。

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摘要

ABSTRACT

第一章绪论

§1-1 引言

§1-2 熔点仪的发展现状

§1-3 本课题主要研究内容

1-3-1 采样分辨率的提高

1-3-2 传感器的选择及电路设计

1-3-3 控温算法的设计

1-3-4 PID 参数的辅助整定及系统误差修正

§1-4 系统要求分析

第二章熔点仪的总体设计

§2-1 仪器的总体设计

2-1-1 仪器机械结构

2-1-2 电路控制部分的总体设计

§2-2 单片机最小系统的设计

2-2-1 MSC1210 简介

2-2-2 电源设计

2-2-3 RS232 接口电路

2-2-4 人机接口电路

§2-3 本章小结

第三章测控模块设计

§3-1 温度测量电路

3-1-1 温度传感器的选择

3-1-2 激励和采样电路的设计

3-1-3 温度测量信号 A/D 转换

§3-2 单片机控制加热电路

§3-3 本章小结

第四章数据处理及系统程序设计

§4-1 下位机程序

4-1-1 程序的下载

4-1-2 主体程序流程

4-1-3 滤波程序设计

4-1-4 PID 调节子程序设计

§4-2 上位机程序

§4-3 本章小结

第五章时序升温控制的重点研究

§5-1 常用温度控制算法的对比

5-1-1 常规 PID 控制器

5-1-2 模糊控制器

5-1-3 Fuzzy-PID 控制器

5-1-4 神经网络 PID 控制器

§5-2 熔点仪温度控制算法及创新

5-2-1 常规PID 算法

5-2-2 本课题中PID 算法的改进

5-2-3 恒温控制的实现

5-2-4 线性升温控制器的设计

§5-3 本章小结

第六章实验结果分析

§6-1 实验结果

§6-2 误差分析

第七章总结与展望

参考文献

致谢

附录

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