CN102419281A - 一种近红外光谱样品加热控制器 - Google Patents

一种近红外光谱样品加热控制器 Download PDF

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相秉仁
徐建平
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Abstract

一种近红外光谱样品加热控制器，包括控制器箱体、设置在控制器箱体内的电路电器模块及设置在控制器箱体外侧面上的加热槽、操控面板和电源开关，所述电路电器模块包括单片机及依次连接的电压放大器、继电器、脉冲输出电路模块、加热器、加热模块和AD信号转换器，其中电压放大器的输入端与单片机的输出端相连接，AD信号转换器的输出端与单片机的输入端相连接，单片机上还连接有液晶显示器。本发明采用先进的微电脑控制芯片、先进的专家PID控制算法和模糊控制混合方式，具有高精度的自整定功能，而且温度传感器为热电阻，测量范围大，测量精度高，动态性能较好，温度上升快，稳态误差小，并且具有结构简单可靠、制造方便及成本低等优点。

Description

一种近红外光谱样品加热控制器
技术领域
本发明涉及一种样品加热控制器，特别是一种近红外光谱样品加热控制器。
背景技术
近红外光谱仪（Near Infrared，NIR）是介于可见光（Vis）和中红外（MIR）之间的电磁辐射波，美国材料检测协会（ASTM）将近红外光谱区定义为780-2526nm的区域，是人们在吸收光谱中发现的第一个非可见光区。近红外光谱区与有机分子中含氢基团（OH、NH、CH）振动的合频和各级倍频的吸收区一致，通过扫描样品的近红外光谱，可以得到样品中有机分子含氢基团的特征信息，而且利用近红外光谱技术分析样品具有方便、快速、高效、准确和成本较低，不破坏样品，不消耗化学试剂，不污染环境等优点，因此该技术受到越来越多人的青睐。
近红外光谱分析技术经过了近半个世纪的发展历程现已经成为新世纪里的最有应用前途的分析技术之一，许多国家现已建立了专门的科研力量进行相关应用领域仪器设备的研发，降低仪器成本且保持足够的分析性能成为当今近红外仪器研制的主导方向。
然而，由于近红外光谱段吸收谱极复杂,信号比较弱,被广泛用于各行精准检测的推进速度总是很迟缓，而且现有近红外光谱无配套加热器，即使有外加热器，但是这些加热器通常存在抗干扰性弱、可靠性低、升温时间长以及温度控制精度低等诸多问题。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在的问题和不足，提供一种抗干扰能力强、可靠性高、升温时间短、温度控制精度高及测量精度高的近红外光谱样品加热控制器。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明所述的近红外光谱样品加热控制器，包括控制器箱体、设置在控制器箱体内的电路电器模块及设置在控制器箱体外侧面上的加热槽、操控面板和电源开关，其特征在于所述电路电器模块包括单片机及依次连接的电压放大器、继电器、脉冲输出电路模块、加热器、加热模块和AD信号转换器，其中电压放大器的输入端与单片机的输出端相连接，AD信号转换器的输出端与单片机的输入端相连接，所述单片机上还连接有液晶显示器。
为了确保数据保护功能的可靠性强，断电可保存，上述单片机为高集成度的混合信号***MCU芯片，该芯片的内部设有一个8K+128字节的FLASH存储器。
为了减少传统继电器出现机械故障的机率，以确保加热控制器的正常使用，上述继电器为固态继电器。
为了保护电路不受损害且能自身产生振荡，上述控制器箱体内设置有看门狗定时器和时钟振荡器。
本发明具有如下有益效果：
1、采用先进的微电脑控制芯片、先进的专家PID控制算法和模糊控制混合方式，具有高精度的自整定功能；
2、温度传感器为热电阻，测量范围大，测量范围为-200~600℃，而且可测范围还可扩展；
3、测量精度高，能达到0.1℃；
4、动态性能较好，超调不超过2%，调节时间控制小于300s；
5、温度上升快，上升时间小于60s；
6、稳态误差小；
7、具有结构简单可靠、制造方便及成本低等优点。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
附图说明
图1为本发明的正面结构示意图。
图2为本发明的背面结构示意图。
图3为本发明的顶面结构示意图。
图4为本发明的电路电器模块方框示意图。
图5为本发明的软件流程图。
具体实施方式
如图1-图4所示，本发明所述的近红外光谱样品加热控制器，包括控制器箱体1、设置在控制器箱体1内的电路电器模块及设置在控制器箱体1外侧面上的加热槽2、操控面板3和电源开关4，其中电路电器模块包括单片机及依次连接的电压放大器、继电器、脉冲输出电路模块、加热器、加热模块和AD信号转换器，其中电压放大器的输入端与单片机的输出端相连接，AD信号转换器的输出端与单片机的输入端相连接，并且单片机上还连接有液晶显示器。其中，加热器为电炉丝或其它可加热的载体，而加热槽2设置在控制器箱体1的顶面上。为了确保数据保护功能的可靠性强，断电可保存，单片机为高集成度的混合信号***MCU芯片，该芯片的内部设有一个8K+128字节的FLASH存储器，而且单片机配置有P0 、P1、 P2 、P3四个I/O接口，其中P0为输出信号接口，P1为液晶数据接口，P2为液晶控制接口，P3为输入信号接口，如图4所示，电压放大器的输入端是与P0输出信号接口相连接，AD信号转换器是与P3输入信号接口相连接。而继电器为固态继电器（SSR），由于固态继电器具有隔离功能的无触点电子开关，在开关过程中无机械接触部件，因此大大减少了传统继电器出现机械故障的机率，而且还具有逻辑电路兼容，输入功率小，灵敏度高，控制功率小，噪声低和工作频率高等特点。为了保护电路不受损害且能自身产生振荡，控制器箱体1内设置有看门狗定时器和时钟振荡器，其中看门狗定时器用来控制输出脉宽比例，采用时钟振荡器实现内部晶振，有利于确保始终与AD信号转换器同步。并且AD信号转换器为14位的模数转换器，由3MHz的单电源供电；输入参考噪声0.36LSB；内置精密采样保持电路和参考基准电压；+5V电源供电，功耗低；数字输出采用二进制编码，可直接供单片机使用。使用时，加热器接收脉冲输出电路模块的输出信号及供能，为样品加热，当在加热设备加热或待加热时，加热模块上的温度传感器采集到温度信号传给AD信号转换器，AD信号转换器将从加热器模块接收来温度信号并转化为单片机可识别的信号后，输入给单片机，单片机接收到AD信号转换器传出的信号，通过比较测量值与设定值做出判断，并发出下一指令。而脉冲输出电路模块是采用反馈模式，将负电压输入给电压放大器，通过反向放大令电压放大器输出给震荡电路，该震荡电路包含整流电路、三角波和方波转换电路，最后产生一个方波交流输出，通过一个功率变压器转换低压电源给电炉丝供电，从而达到加热的效果，而且该振荡电路具有震荡波形稳定、可供大功率输出、负反馈采集输出信号等优点，配合单片机的算法可精确控制加热输出，由于变压器转换低压电源给电炉丝加热，有效防止因直接加220VAC容易烧断电炉丝产生故障。此外，操控面板及电源开关是设置在控制器箱体1的前面板11上，其中操控面板3包括设置温度显示区（SV）31、测量温度显示区（PV）32及人机交互区33，并且人机交互区33有四个指示灯，分别是OUT1、OUT2、ALM1和ALM2，两个输出指示灯和两个报警指示灯，用来设置报警用和显示输出情况用；而且还设置有四个操作键：设定键-在设定状态时，保存参数的新设定值，而正常状态时，切换设定值和自动/手动状态切换的界面；增加键-在设定状态时，用于增加设定值，自动状态时可直接增加输出比例，显示给定值状态时可直接增加给定值，长按可快速增加（三级速度）；减少键-在设定状态时，用于减小设定值，自动状态时可直接减小输出比例，显示给定值状态时可直接减小给定值，长按可快速减小（三级速度）；移位键-在设定状态时，用于自动和手动状态之间的无扰动切换。此外，控制器箱体1的后面板12上设置有供电电源接口5、温度传感器接口6及加热电源输出接口7。
本发明中的单片机，其控制程序采用C语言编写，简单可靠。如图5所示，本发明的软件运作流程如下：
（1）单片机初始化，根据具体情况设置给定值（SV值）；
（2）初始化结束后即给***电路通电，加热模块上的传感器开始工作，将采集到的信号传递给AD信号转换器，数字化后传给单片机处理，同时液晶显示测量值（PV值），单片机处理程序段Compare（）用来比较PV与SV大小差距；
（3）当PV<SV时，调用Control（）代码段，通过Compare（）代码段的返回值和自整定出的参数，来调节输出脉宽比例，加热器按指令进行为样品加热，实现快速、小超调和稳定控温的目的；
（4）当PV=SV时，通过Compare（）代码段的返回值和自整定出的参数，调节出另一输出脉宽比例，以控制平衡和稳定输出比例目的；
(5)当PV>SV时，调用Control（）代码段，通过Compare（）代码段的返回值和自整定出的参数，停止输出加热指令，加热器停止为样品加热。
本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。

Claims (6)

1.一种近红外光谱样品加热控制器，包括控制器箱体（1）、设置在控制器箱体（1）内的电路电器模块及设置在控制器箱体（1）外侧面上的加热槽（2）、操控面板（3）和电源开关（4），其特征在于所述电路电器模块包括单片机及依次连接的电压放大器、继电器、脉冲输出电路模块、加热器、加热模块和AD信号转换器，其中电压放大器的输入端与单片机的输出端相连接，AD信号转换器的输出端与单片机的输入端相连接，所述单片机上还连接有液晶显示器。
2.根据权利要求1所述近红外光谱样品加热控制器，其特征在于上述单片机为高集成度的混合信号***MCU芯片，该芯片的内部设有一个8K+128字节的FLASH存储器。
3.根据权利要求1所述近红外光谱样品加热控制器，其特征在于上述继电器为固态继电器。
4.根据权利要求1所述近红外光谱样品加热控制器，其特征在于上述控制器箱体（1）内设置有看门狗定时器和时钟振荡器。
5.根据权利要求1所述近红外光谱样品加热控制器，其特征在于上述操控面板（3）及电源开关（4）设置在控制器箱体（1）的前面板（11）上，其中操控面板（3）包括设置温度显示区（31）、测量温度显示区（32）及人机交互区（33）。
6.根据权利要求1所述近红外光谱样品加热控制器，其特征在于上述控制器箱体（1）的后面板（12）上设置有供电电源接口（5）、温度传感器接口（6）及加热电源输出接口（7）。
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