Design and Implementation of Dual-mode Intelligent Calorimeter System

王延峰1　熊　明1　丁國(guó)強(qiáng)1　馬軍霞2

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院電氣信息工程學(xué)院1,河南 鄭州　450002；鄭州輕工業(yè)學(xué)院軟件學(xué)院2,河南 鄭州　450002)

雙模式智能控制量熱儀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

Design and Implementation of Dual-mode Intelligent Calorimeter System

王延峰1熊明1丁國(guó)強(qiáng)1馬軍霞2

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院電氣信息工程學(xué)院1,河南 鄭州450002；鄭州輕工業(yè)學(xué)院軟件學(xué)院2,河南 鄭州450002)

摘要：量熱儀是測(cè)量煤炭、石油等可燃物質(zhì)發(fā)熱量的一類重要儀器，其測(cè)量精度直接影響著經(jīng)濟(jì)效益。為了提高量熱儀的測(cè)量精度，設(shè)計(jì)一種基于STM32芯片的雙模式智能量熱儀。量熱儀采用具有高增益、高分辨率、低漂移特性的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，設(shè)計(jì)了四路Pt1000溫度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。利用智能PID跟蹤控制技術(shù)提高控制精度，能在恒溫式和絕熱式兩種測(cè)量模式中自由切換。試驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)量熱儀的高精度測(cè)量，達(dá)到歐洲CER標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：智能量熱儀雙模式控制恒溫式絕熱式STM32芯片分段式PID跟蹤控制算法

Abstract：Calorimeter is an instrument for measuring the calorific value of coal, petroleum and other combustible materials; its measurement accuracy directly affects the economic benefits. To improve the measurement accuracy of calorimeter, the dual mode intelligent calorimeter based on STM32 chip is designed. This calorimeter adopts the A/D converter featuring high gain, high resolution, and low drift, 4-channel Pt1000 temperature sensors is used for data acquisition, the control accuracy is enhanced by adopting intelligent PID tracking control technology, the instrument can be switched over between two modes, i.e., thermostatic and adiabatic modes. The test results show that the design can implement high accurate measurement of calorimeter, and achieve CER European standard.

Keywords：Intelligent calorimeterDual-mode controlThermostatic modeAdiabatic modeSTM32 chip

Segmented PID tracking control algorithm

0引言

現(xiàn)階段我國(guó)煤炭利用率較低，浪費(fèi)和污染嚴(yán)重，煤炭燃燒運(yùn)行和設(shè)備安全問(wèn)題比較突出[1]。采用先進(jìn)的煤質(zhì)檢測(cè)方法和設(shè)備可以解決煤炭使用中的疑難問(wèn)題[2-3]，也可以在節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)、增加產(chǎn)煤量和提高經(jīng)濟(jì)效益方面發(fā)揮極其重要的作用。

針對(duì)量熱儀的市場(chǎng)需求以及現(xiàn)階段量熱儀操作復(fù)雜、工作量多、容易產(chǎn)生偶然誤差和計(jì)算錯(cuò)誤的狀況[4]，設(shè)計(jì)了一種操作簡(jiǎn)單、高效、測(cè)量精度高的雙模式智能控制量熱儀系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32芯片為主控制單元，采用嚴(yán)格密封包圍工藝結(jié)構(gòu)，利用分段PID控制原理，設(shè)計(jì)了量熱儀的內(nèi)、外筒水溫自動(dòng)跟蹤控制算法[5]，并利用觸摸屏實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地顯示內(nèi)外筒水溫。測(cè)試結(jié)果表明，該雙模式智能量熱儀的性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

1硬件設(shè)計(jì)

1.1　實(shí)現(xiàn)方案

根據(jù)市場(chǎng)用戶調(diào)研結(jié)果，目前量熱儀試驗(yàn)操作員普遍希望量熱儀操作簡(jiǎn)單、高效，試驗(yàn)工作量盡量減少，由此提出如圖1所示的系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)方案。整個(gè)量熱儀系統(tǒng)由試驗(yàn)主機(jī)、溫度采集與轉(zhuǎn)換電路、控制器、觸摸屏等部分構(gòu)成。

圖1　系統(tǒng)實(shí)施方案圖

1.2　控制器芯片選擇

智能量熱儀系統(tǒng)采用了STM32F103主控芯片[6]。STM32處理器是在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的基于Cortex-M3內(nèi)核的系列處理器，它以先進(jìn)的Cortex-M3為內(nèi)核，可以在更高的代碼密度下依舊保持高性能。STM32處理器在內(nèi)核水平上搭載了一個(gè)向量中斷控制器，顯著加強(qiáng)了中斷的快速反應(yīng)能力。它的功耗也是很低的。

控制器主要控制4路Pt1000溫度傳感器采集內(nèi)、外筒水溫度數(shù)據(jù)，精確控制加熱棒加熱動(dòng)作，控制外筒水溫度實(shí)時(shí)跟蹤內(nèi)筒水溫度的變化，實(shí)時(shí)控制量熱儀的工作狀態(tài)，檢測(cè)燃燒物質(zhì)的燃燒狀態(tài)等。此外，它還能夠與觸摸屏進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信，顯示工作狀態(tài)，與打印機(jī)實(shí)時(shí)通信，完成試驗(yàn)結(jié)果的打印。

1.3　A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

提高儀器測(cè)量精度的關(guān)鍵在于獲得精確的溫度數(shù)據(jù)。量熱儀的溫度傳感部分由工業(yè)常用的Pt1000溫度傳感器組成。Pt1000溫度傳感器測(cè)量獲得的數(shù)據(jù)是模擬量，并且其信號(hào)極其微弱，一般都是幾個(gè)微安左右。由于噪聲信號(hào)的影響，往往導(dǎo)致其測(cè)試的真實(shí)溫度數(shù)據(jù)無(wú)法正常讀取，或者獲得的溫度數(shù)值是不穩(wěn)定的，隨時(shí)間跳動(dòng)，導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法準(zhǔn)確獲得內(nèi)外筒水溫度的變化值，從而導(dǎo)致控制器無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算燃燒物質(zhì)的發(fā)熱量[7]?？紤]到微機(jī)控制單元接收和處理溫度數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)采集速度較慢，并且要求噪聲影響極低。因此本項(xiàng)目利用一種新型高精度24位A/D轉(zhuǎn)換芯片CS5534，設(shè)計(jì)了一種4路溫度數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換電路。

CS5532芯片[8]是美國(guó)Cirrus Logic公司推出的一種具有極低噪聲的、多通道Δ-Σ型模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器。由于其采用電荷平衡技術(shù)和極低噪聲的可編程增益斬波穩(wěn)定測(cè)量放大器，可得到高達(dá)24位分辨率的輸出結(jié)果，精度高，動(dòng)態(tài)特性寬，是其他類型轉(zhuǎn)換器所無(wú)法比擬的。其內(nèi)部有一個(gè)完整的自校正系統(tǒng)，可進(jìn)行自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)，消除A/D芯片本身的零點(diǎn)誤差和漂移誤差以及系統(tǒng)通道的失調(diào)和增益誤差。該芯片廣泛適用于工業(yè)過(guò)程控制、稱重儀器、便攜式儀表及其他高分辨率測(cè)量應(yīng)用領(lǐng)域的單/雙極性小信號(hào)場(chǎng)合。

CS5534芯片在本系統(tǒng)中的接線圖如圖2所示，它與圖3所示的AQW225N光耦隔離器件一起組成了4路溫度數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換電路(圖3只給出其中的2路)。

圖2　CS5534芯片的接線圖

圖3　4路Pt1000熱電偶的數(shù)據(jù)采集電路圖

本系統(tǒng)中需要STM32完成4路Pt1000溫度傳感器的數(shù)據(jù)采集與傳送控制等操作，A/D數(shù)據(jù)采集通道的選擇、初始化操作、功能與時(shí)鐘設(shè)置、A/D通道的讀寫操作、采集數(shù)據(jù)計(jì)算等。

1.4　觸摸屏

觸摸屏的作用是通過(guò)觸摸點(diǎn)檢測(cè)裝置接收觸摸信息，并將其轉(zhuǎn)換成觸點(diǎn)坐標(biāo)發(fā)送給CPU，同時(shí)接收、執(zhí)行CPU發(fā)來(lái)的命令。本系統(tǒng)采用威綸通公司的MT8000觸摸屏，它與控制器采用Modbus協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。觸摸屏系統(tǒng)采用組態(tài)軟件設(shè)計(jì)，具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)、歷史數(shù)據(jù)查詢、故障報(bào)警等功能，并能將內(nèi)外筒水溫度狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)畫顯示。

2軟件設(shè)計(jì)

2.1　系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)操作過(guò)程如圖4所示。

圖4　智能量熱儀工作流程圖

系統(tǒng)開(kāi)始之后，首先按序檢測(cè)量熱儀的工作狀態(tài)，檢測(cè)樣品熱值、質(zhì)量、點(diǎn)火熱(用于引燃測(cè)量物質(zhì)所發(fā)出的熱量，可以進(jìn)行人工設(shè)定)、外筒溫度等數(shù)據(jù)是否為空以及點(diǎn)火回路是否有故障，若熱值、質(zhì)量等數(shù)據(jù)為空或點(diǎn)火回路有故障則返回重新開(kāi)始，否則繼續(xù)下一步。然后進(jìn)行試驗(yàn)，開(kāi)始點(diǎn)火，若點(diǎn)火失敗則返回，否則進(jìn)行試驗(yàn)下一步，檢測(cè)燃燒物質(zhì)的燃燒狀態(tài)，采集溫度，計(jì)算發(fā)熱量。最后將計(jì)算結(jié)果在觸摸屏顯示并保存。

2.2　系統(tǒng)溫度控制算法設(shè)計(jì)

建立穩(wěn)定的絕熱環(huán)境條件也是提高儀器測(cè)量精度的關(guān)鍵之一。傳統(tǒng)的恒溫式量熱儀[9]設(shè)備無(wú)法精確隔絕內(nèi)外筒之間的熱傳導(dǎo)，導(dǎo)致燃燒物質(zhì)燃燒發(fā)熱時(shí)，內(nèi)筒吸收熱量的同時(shí)會(huì)和外筒水進(jìn)行熱交換，從而導(dǎo)致內(nèi)筒水溫度變化量不能準(zhǔn)確反映燃燒物質(zhì)的發(fā)熱量。在本項(xiàng)目中采取高精度A/D數(shù)據(jù)采集電路，能夠保證采集到穩(wěn)定的溫度數(shù)據(jù)，利用PID控溫算法實(shí)現(xiàn)控溫性能的穩(wěn)定性和可靠性。

恒溫式測(cè)量模式中采用瑞-方公式，計(jì)算時(shí)能夠最大限度消除熱損失的影響。絕熱式測(cè)量模式中，使外筒水溫度能夠?qū)崟r(shí)跟蹤內(nèi)筒水溫度的變化過(guò)程，使內(nèi)外筒之間的溫度盡量相等;或者即使有微小的溫度差異，由于熱傳導(dǎo)的惰性，也不會(huì)影響內(nèi)筒水溫度的變化量反映燃燒物質(zhì)的發(fā)熱量，使測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確。

為了合理地處理系統(tǒng)響應(yīng)速度(即加熱速度)與系統(tǒng)穩(wěn)定性之間的矛盾，我們把溫度控制分為兩個(gè)階段，PID調(diào)節(jié)Ⅰ段與Ⅱ段，如圖5所示。

圖5　溫度控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程示意圖

① PID調(diào)節(jié)Ⅰ段

在Ⅰ階段，因?yàn)闇貐^(qū)的溫度距離設(shè)定值還很遠(yuǎn)，為了加快加熱速度，固態(tài)繼電器(SSR)與發(fā)熱管處于滿負(fù)荷輸出狀態(tài)，只有當(dāng)溫度上升速度超過(guò)控制參數(shù)“加速速率α”，SSR才關(guān)閉輸出?！凹铀偎俾师痢泵枋龅氖菧囟仍趩挝粫r(shí)間的跨度，反映的是溫度升降的快慢，如圖5所示。用“加速速率”限制溫升過(guò)快，是為了降低溫度進(jìn)入PID調(diào)節(jié)區(qū)的慣性，避免首次到達(dá)溫度設(shè)定值(SV)時(shí)超調(diào)過(guò)大。

在這個(gè)階段，當(dāng)占空比K=0時(shí), SSR關(guān)閉；當(dāng)占空比K=100%時(shí),SSR全速輸出。此時(shí)，PID調(diào)節(jié)器不起作用，僅由“加速速率”控制溫升快慢。

② PID調(diào)節(jié)Ⅱ段

在這個(gè)階段，PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)輸出，根據(jù)偏差值計(jì)算占空比(0~100%)，保證偏差(實(shí)際溫度與設(shè)定值SV的差值)趨近于零,即使系統(tǒng)受到外部干擾時(shí)，也能使系統(tǒng)回到平衡狀態(tài)。

由于控制對(duì)象升溫時(shí)，其特性變化較大，若采用一組固定的PID參數(shù)，則各溫區(qū)的控制效果不能兼顧，控制效果較差。因此，關(guān)鍵問(wèn)題在于設(shè)計(jì)出一個(gè)PID參數(shù)，隨溫區(qū)的不同而自動(dòng)調(diào)整到最佳值。因此，設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)PID控制算法。

在常規(guī)控制系統(tǒng)中，PID 控制是迄今為止算法比較簡(jiǎn)單、功能比較完善、效果比較好的一種控制算法，其一般形式為：

u(n)=KPe(n)+KI∑e(n)+KDΔe(n)

(1)

本設(shè)計(jì)利用位置式PID算法，將溫度傳感器采樣輸入作為當(dāng)前輸入，然后與設(shè)定值進(jìn)行相減，得到偏差e(n)，然后再對(duì)之進(jìn)行PID運(yùn)算產(chǎn)生輸出結(jié)果fout，然后讓fout控制定時(shí)器的時(shí)間，進(jìn)而控制加熱器。為了方便PID運(yùn)算，建立一個(gè)PID的結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)類型，該數(shù)據(jù)類型用于保存PID運(yùn)算所需要的P、I、D系數(shù)，以及設(shè)定值，歷史誤差的累加和等信息。

整個(gè)測(cè)溫范圍分為平衡階段和升溫階段2個(gè)溫區(qū)，在平衡階段僅接通水槽中的小加熱棒，PID控制算法驅(qū)動(dòng)該加熱棒與制冷壓縮機(jī)工作狀態(tài)平衡，其平衡溫度點(diǎn)由系統(tǒng)工作需要設(shè)定；在試樣燃燒階段接通大加熱棒，通過(guò)PID控制算法參數(shù)的調(diào)節(jié)作用控制外筒水溫度迅速跟蹤內(nèi)筒水溫度的變化過(guò)程，從而達(dá)到消除內(nèi)外筒之間水的熱交換。

3試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)人員利用力克儀器技術(shù)有限公司提供的原型機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)研究，驗(yàn)證雙模式智能量熱儀的各項(xiàng)功能。儀器絕熱式操作過(guò)程(恒溫式操作過(guò)程不詳加說(shuō)明)如下。

① 通過(guò)水槽加水，儀器上電后，根據(jù)環(huán)境溫度傳感數(shù)值，加熱棒或者壓縮機(jī)自動(dòng)工作來(lái)調(diào)整水槽的水溫度值，使水溫和環(huán)境溫度平衡(此時(shí)內(nèi)筒底部的閥門沒(méi)有打開(kāi))，外筒和水槽是連通的。

② 當(dāng)水槽和外筒的水溫和環(huán)境溫度達(dá)到一致的時(shí)候，打開(kāi)內(nèi)筒底部的閥門進(jìn)水，直至內(nèi)筒壁的水位計(jì)，自動(dòng)關(guān)閉閥門，內(nèi)筒水和外筒水環(huán)境斷開(kāi)。此時(shí)，為了滿足外筒水溫高于內(nèi)筒水溫1～1.5K的國(guó)標(biāo)要求，加熱棒開(kāi)始加熱工作，檢測(cè)內(nèi)外筒水溫是否達(dá)到一致，若達(dá)到，停止加熱。

③ 儀器開(kāi)始平衡攪拌5min工作，內(nèi)筒水溫度保持不變，外筒水在加熱棒和壓縮機(jī)的共同作用下始終沿著內(nèi)筒水溫度改變。

④ 5min時(shí)氧彈倉(cāng)中試樣點(diǎn)火，內(nèi)筒水溫度急劇上升，此時(shí)水槽中的1 000W加熱棒檢測(cè)到內(nèi)筒水溫度上升信號(hào)后，開(kāi)始加熱工作，通過(guò)外筒與水槽的水循環(huán)。該信號(hào)立刻被外筒水溫度傳感探頭檢測(cè)到，外筒水溫度開(kāi)始隨內(nèi)筒水溫度急劇上升。

絕熱式、恒溫式內(nèi)外筒溫度曲線分別如圖6、圖7所示。

圖6　絕熱式內(nèi)外筒溫度曲線圖

圖7　恒溫式內(nèi)外筒溫度曲線圖

試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)如表1和表2所示，表1為絕熱式測(cè)量模式的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，表2為恒溫式測(cè)量模式的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。從表1可以看出測(cè)量試驗(yàn)樣品的熱容量變化幅度不大，表明量熱儀穩(wěn)定可靠、精確度高。

表1　絕熱式測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2　恒溫式測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種新型的雙模式智能量熱儀系統(tǒng)。該系統(tǒng)引入分段式PID控制算法，有效提高了控制精度和測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性；采用觸摸屏操作系統(tǒng)，有效減小了整個(gè)設(shè)備的體積，減低了設(shè)備的成本；能在恒溫式和絕熱式兩種測(cè)量模式中自由切換，提高了設(shè)備操作簡(jiǎn)便性。試驗(yàn)結(jié)果表明，該儀器性能穩(wěn)定、重復(fù)性好、準(zhǔn)確度高，且操作方便。

參考文獻(xiàn)

[1] 國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T213-2003煤的發(fā)熱量測(cè)定方法[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2003.

[2] 李平,姬建偉,宋家友. C8051F350在恒溫式自動(dòng)量熱儀設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].傳感器與微系統(tǒng),2007,26(10):111-113.

[3] 單勇,徐廣立.智能自動(dòng)量熱儀的應(yīng)用[J].山東煤炭科技，2009(1):59-60.

[4] 劉輝,馬凌云,何東陸.一種煤炭自動(dòng)量熱儀的設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化,2007(6):97-99.

[5] 吳艷敏,郭凌云,丁國(guó)強(qiáng).新型絕熱式智能量熱儀的研制[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013,39(11):139-141.

[6] 羅超,景林,易金聰.基于STM32的便攜式海量溫濕度記錄儀設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2012,38(12):83-86.

[7] 譚建豪,章兢.石英晶體量熱儀測(cè)溫系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)[J].中國(guó)儀器儀表,2007(2):39-43.

[8] 申仲濤.基于CS5534的成組接地線電阻測(cè)試系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2009,25(62):288-290.

[9] 蔣偉,趙書俊,徐航，等.基于S3C2410的恒溫式自動(dòng)量熱儀設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2010(15):203-205.

中圖分類號(hào)：TP216；TP273+.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201503022

國(guó)家自然科學(xué)基金地區(qū)聯(lián)合資助項(xiàng)目(編號(hào)：U1204603)；

鄭州輕工業(yè)學(xué)院博士基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：2011BSJJ00048)。

修改稿收到日期：2014-08-12。

第一作者王延峰(1973-)，男，2007年畢業(yè)于華中科技大學(xué)，獲博士學(xué)位，副教授；主要從事DNA計(jì)算、智能優(yōu)化計(jì)算的研究。