CN108195481B - 一种带自诊断功能的菌种发酵温度测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带自诊断功能的菌种发酵温度测量装置及方法，主要包括：信号采集模块、信号放大模块、信号处理模块、控制信号输出模块、控制信号输入模块和通讯模块；本发明的一种带自诊断功能的菌种发酵温度测量装置及方法，可以通过输入自诊断信号后，方便、快捷的通过数值显示直接给出；用于保证温度准确度的校正功能，完全通过信号处理模块用代码的形式智能完成，并将校正参数自动保持在信号处理模块中，以实现自诊断功能、实现智能校正、实时显示信号以及温度测量准确的优点。
Description
技术领域
本发明涉及温度测控领域，具体地，涉及一种带自诊断功能的菌种发酵温度测量装置及方法。
背景技术
在一些发酵领域，如菌种发酵，为保证菌种的生长速度和品质，发酵温度的准确控制至关重要。
而要保证温度准确控制的首要前提是能对发酵温度进行准确、无误的测量。目前温度测量多采用温度传感器加智能仪表的方式。但是不足之处是日常性判断仪表测量温度的准确性时需要使用特定温度的媒介；温度的校正过程繁琐，容易产生人为误差；能保证测量精度的智能仪表价格昂贵等。为克服以上的不足，本发明专利使用嵌入式技术，将温度测量、校正的过程算法化，并用代码实现了相应的功能。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种带自诊断功能的菌种发酵温度测量装置及方法，以实现自诊断功能、实现智能校正、实时显示信号以及温度测量准确的优点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种带自诊断功能的菌种发酵温度测量装置，主要包括：
信号采集模块、信号放大模块、信号处理模块、控制信号输出模块、控制信号输入模块和通讯模块；
所述信号采集模块将采集的温度信号与自诊断信号传输至所述信号放大模块，所述信号放大模块将放大后的信号传输至信号处理模块进行信息的再加工处理；
所述控制信号输入模块，用于处理与温度有关的除PT100外的所有输入信号；
控制信号输出模块，用于输出基于温度而做出的控制决策信号；
通讯模块，与所述信号处理模块进行信息交互，并向人机界面、计算机或它方嵌入式控制器提供通讯信息。
进一步地，所述信号采集模块包括PT100温度信号模块和自诊断信号模块。
进一步地，所述信号处理模块采用的中央处理器是STM32F030；
信号处理模块通过运行算法代码来实现保证温度准确度的校正功能，并将校正参数自动保持在信号处理模块中，以便输出和保存。
进一步地，所述信号采集模块和信号放大模块包括：
铂热电阻PT100，所述铂热电阻PT100一端连接接线端子J2的3脚的一端，所述铂热电阻PT100的另一端均接接线端子J2的2脚和1脚的一端，所述接线端子J2的3脚另一端分别连接电阻R100的一端以及开关K1的1脚，所述接线端子J2的2脚另一端接电阻R14的一端，所述接线端子J2的1脚另一端接地，所述电阻R100另一端接开关K1的2脚，所述开关K1的1脚还分别连接电阻R11以及电阻R15的一端，所述电阻R14的另一端分别连接电阻R12以及电阻R16的一端，所述电阻R11的另一端接U3的3脚，所述U3的3脚接2.5V电压，所述U3的2脚接地，所述U3的1脚接滑动变阻器R9的c端，所述滑动变阻器R9的a端连接电阻R10的一端，所述电阻R10的另一端接VCC，所述滑动变阻器R9的b端接地，所述电阻R12的另一端连接电阻R11的另一端，所述电阻R15的另一端分别连接放大器U4的2脚以及电阻R18的一端，所述电阻R18的另一端接地，所述电阻R16另一端分别连接放大器U4的3脚以及电阻R17的一端，所述电阻R17的另一端接放大器U4的1脚，所述放大器U4的4脚分别连接电容C10的一端以及VCC，所述电容C10的另一端接地，所述放大器U4的11脚接地，所述放大器U4的1脚还连接电阻R19的一端，所述电阻R19的另一端分别连接稳压二极管D2的阴极以及STM32的ADC端，所述稳压二极管D2的阳极分别连接电容C15的一端以及地，所述电容C15的另一端接STM32的ADC端。
进一步地，所述测量装置还包括电源模块。
进一步地，一种带自诊断功能的菌种发酵温度测量方法，具体包括：
步骤100：采用三线制的电桥测温法进行测温，并确定电桥参数；
步骤200：根据实际需求确定温度范围来选择合适的放大倍数后，确定电路中的参数；
步骤300：在代码中通过算法对装置进行校正，获取R校准和ADC校准，并消除PT100的线电阻；
步骤400：通过实验找出温度的偏差值，并在代码加入偏移量来T偏差来校正PT100的测量温度，从而实现温度的准确测量。
进一步地，所述步骤200具体包括：
对于测量菌种发酵温度，这里确定10倍的放大。运放的电阻选取要不干扰输出采集端的电压，前面的电桥电阻大概是110R左右，这里选取47k和470K的电阻；这样连接在采样电桥上时，几乎不会引起电桥上的分压电阻的电压值。运放的电源采用单相3.3V；
整个电路确定下来后，电桥看作两个分压电路，运放结果是放大分压电路的压差值，从而可以得到下面的公式：
VDD是电桥电压和AD的参考电压；A是放大器的放大倍数；ADC是当前AD测量值；ADC_MAX是ADC的最大范围值。
进一步地，所述步骤300具体包括：
理论上是可以直接通过公式(1)直接计算出当前的RPT的电阻值的，然后根据这个电阻值查表就可以得到当前的温度值；
从公式可以看到，测温的精度取决于R11,R12和R14的电阻值，理论上讲是这样的，但是由于PT100上还有线电阻，通过上面的公式难以消除；
下面给出如何消除线电阻的方法，因为硬件的消除有线电阻的做法一方面增加成本，另一方面操作繁琐，这里通过代码校准来消除PT100的线电阻；
校准时，公式为如下的形式：
测量时，公式的形式变为：
这里假设ADC校准＞ADC当前，把上面两式相减就可以得到如下，
进一步简化就是：
最后就变成了这样：
这里R当前就是PT100测温时的电阻值，R校准就是校准时候的PT100的电阻值，R当前-R校准就是当前温度下的温度变化值，这里已经和R14没有关系了，PT100上的线电阻在校准和当前温度下是一个固定值，也被减掉了，这样就消除了PT100的线电阻；
公式(6)可以进一步写成如下的形式：
上面就是PT100电阻测温时候的电阻值，根据电阻值查表，就可以得到当前温度了，即根据R当前查表，就可以知道T当前的温度值。
进一步地，所述步骤400具体包括：
不过这里由于设备有诊断功能和PT100在零度时的阻值并不是准确的100Ω，需要进行温度校正；
由于发酵温度的准确测量至关重要，这里当装置进入诊断模式，不接PT100，J2的1,2脚短接，开关K1接通后将引入高精度低温漂的标准电阻R100＝100Ω来测量装置温度的准确性；如果装置一切正常，此时显示的温度需是0度；
这里引入ADC偏差，由式(7)可得如下：
测量时需要通过代码加入偏移量ADC偏差来校正测量的阻值，由于PT100的批次不一样，阻值会有稍微的差别，并且在零度时的阻值并不是准确的100Ω，所以装置在进入测量模式后，在测量时需要通过代码加入偏移量来T偏差来校正PT100的测量温度。
本发明的有益技术效果：
一种带自诊断功能的菌种发酵温度测量装置及方法，主要包括：信号采集模块、信号放大模块、信号处理模块、控制信号输出模块、控制信号输入模块和通讯模块；可以通过输入自诊断信号后，方便、快捷的通过数值显示直接给出；用于保证温度准确度的校正功能，完全通过信号处理模块用代码的形式智能完成，并将校正参数自动保持在信号处理模块中，以实现自诊断功能、实现智能校正、实时显示信号以及温度测量准确的优点。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
在附图中：
图1为本发明所述一种带自诊断功能的菌种发酵温度测量装置及方法的原理结构示意图；
图2为本发明所述一种带自诊断功能的菌种发酵温度测量装置及方法的电源电路原理图；
图3为本发明所述一种带自诊断功能的菌种发酵温度测量装置及方法的信号采集模块和信号放大模块的电路原理图；
图4为本发明所述一种带自诊断功能的菌种发酵温度测量装置及方法的信号处理模块的中央处理器STM32F030原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种带自诊断功能的菌种发酵温度测量装置，主要包括：
信号采集模块、信号放大模块、信号处理模块、控制信号输出模块、控制信号输入模块和通讯模块；
所述信号采集模块将采集的温度信号与自诊断信号传输至所述信号放大模块，所述信号放大模块将放大后的信号传输至信号处理模块进行信息的再加工处理，为温度测控提供可靠、准确的温度数据；
所述控制信号输入模块，用于处理与温度有关的除PT100外的所有输入信号；
控制信号输出模块，用于输出基于温度而做出的控制决策信号；
通讯模块，与所述信号处理模块进行信息交互，并向人机界面、计算机或它方嵌入式控制器提供通讯信息。
所述信号采集模块包括PT100温度信号模块和自诊断信号模块。
如果装置接受的信号是自诊断信号，显示的数值将是零。如果不为零，说明测量温度的准确度出现问题，需要及时进行温度校正和硬件检查，这样可以及早发现测量异常，保证测量数据的准确性。如果设备接受的信号是PT100温度信号，显示的数值将是当前温度值。
当装置需要进行温度校正时，不需要调整任何硬件参数，所有的校正参数通过信号处理模块运行算法代码来自动计算得出和保存。
如图4所示，本发明专利采用的是嵌入式技术，信号处理模块的中央处理器是STM32F030，ADC的电压范围就是0-2.5v，AD是12位的，所以AD值的范围就是0---4095。
测量传感器使用的是PT100，理论上PT100在-50℃时，电阻值是80.31R，在0℃的时候，电阻值是100R，在100℃时，电阻值是138.51R，在200℃时，电阻值是175.86R，300℃时，电阻值是212.05R，在500℃时，电阻值是280.98R，如果温度测量范围在-50℃---500℃，可以看到电阻值的范围是80R---300R，其电阻变化是220R，温度变化是550多度，电阻每一欧姆变化大概对应2.5摄氏度的温度变化。
信号处理模块通过运行算法代码来保证温度准确度的校正功能，并将校正参数自动保持在信号处理模块中，以便输出和保存。
如图3所示，所述信号采集模块和信号放大模块包括：
铂热电阻PT100，所述铂热电阻PT100一端连接接线端子J2的3脚的一端，所述铂热电阻PT100的另一端均接接线端子J2的2脚和1脚的一端，所述接线端子J2的3脚另一端分别连接电阻R100的一端以及开关K1的1脚，所述接线端子J2的2脚另一端接电阻R14的一端，所述接线端子J2的1脚另一端接地，所述电阻R100另一端接开关K1的2脚，所述开关K1的1脚还分别连接电阻R11以及电阻R15的一端，所述电阻R14的另一端分别连接电阻R12以及电阻R16的一端，所述电阻R11的另一端接U3的3脚，所述U3的3脚产生2.5V电压，所述U3的2脚接地，所述U3的1脚接滑动变阻器R9的c端，所述滑动变阻器R9的a端连接电阻R10的一端，所述电阻R10的另一端接VCC，所述滑动变阻器R9的b端接地，所述电阻R12的另一端连接电阻R11的另一端，所述电阻R15的另一端分别连接放大器U4的2脚以及电阻R18的一端，所述电阻R18的另一端接地，所述电阻R16另一端分别连接放大器U4的3脚以及电阻R17的一端，所述电阻R17的另一端接放大器U4的1脚，所述放大器U4的4脚分别连接电容C10的一端以及VCC，所述电容C10的另一端接地，所述放大器U4的11脚接地，所述放大器U4的1脚还连接电阻R19的一端，所述电阻R19的另一端分别连接稳压二极管D2的阴极以及STM32的ADC端，所述稳压二极管D2的阳极分别连接电容C15的一端以及地，所述电容C15的另一端接STM32的ADC端。
所述测量装置还包括电源模块，电源模块原理图如图2所示。
一种带自诊断功能的菌种发酵温度测量方法，具体包括：
步骤100：采用三线制的电桥测温法进行测温，并确定电桥参数；
(1)电桥参数的确定：
PT100电流要小于1ma，电桥电压是2.5V，这里电阻R11,R12选用3K精度1％的电阻。这样尽量选择让流过PT100的电流在1ma附近，一方面可以让电压变化大一些，另一方面可以避免电流过大对PT100阻值的影响。
步骤200：根据实际需求确定温度范围来选择合适的放大倍数后，确定电路中的参数；
所述步骤200具体包括：
对于测量菌种发酵温度，这里确定10倍的放大。运放的电阻选取要不干扰输出采集端的电压，前面的电桥电阻大概是110R左右，这里选取47k和470K的电阻；这样连接在采样电桥上时，几乎不会引起电桥上的分压电阻的电压值。运放的电源采用单相3.3V；
整个电路确定下来后，电桥看作两个分压电路，运放结果是放大分压电路的压差值，从而可以得到下面的公式：
VDD是电桥电压和AD的参考电压；A是放大器的放大倍数；ADC是当前AD测量值；ADC_MAX是ADC的最大范围值。
步骤300：在代码中通过算法对装置进行校正，获取R校准和ADC校准，并消除PT100的线电阻；
所述步骤300具体包括：
理论上是可以直接通过公式(1)直接计算出当前的RPT的电阻值的，然后根据这个电阻值查表就可以得到当前的温度值；
从公式可以看到，测温的精度取决于R11,R12和R14的电阻值，理论上讲是这样的，但是由于PT100上还有线电阻，通过上面的公式难以消除；
下面给出如何消除线电阻的方法，因为硬件的消除有线电阻的做法一方面增加成本，另一方面操作繁琐，这里通过代码校准来消除PT100的线电阻；
校准时，公式为如下的形式：
测量时，公式的形式变为：
这里假设ADC校准＞ADC当前，把上面两式相减就可以得到如下，
进一步简化就是：
最后就变成了这样：
这里R当前就是PT100测温时的电阻值，R校准就是校准时候的PT100的电阻值，R当前-R校准就是当前温度下的温度变化值，这里已经和R14没有关系了，PT100上的线电阻在校准和当前温度下是一个固定值，也被减掉了，这样就消除了PT100的线电阻；
公式(6)可以进一步写成如下的形式：
上面就是PT100电阻测温时候的电阻值，根据电阻值查表，就可以得到当前温度了，即根据R当前查表，就可以知道T当前的温度值。
步骤400：通过实验找出温度的偏差值，并在代码加入偏移量来T偏差来校正PT100的测量温度，从而实现温度的准确测量；
所述步骤400具体包括：
不过这里由于设备有诊断功能和PT100在零度时的阻值并不是准确的100Ω，需要进行温度校正；
由于发酵温度的准确测量至关重要，这里当装置进入诊断模式，不接PT100，J2的1,2脚短接，开关K1接通后将引入高精度低温漂的标准电阻R100＝100Ω来测量装置温度的准确性；如果装置一切正常，此时显示的温度需是0度；
这里引入ADC偏差，由式(7)可得如下：
测量时需要通过代码加入偏移量ADC偏差来校正测量的阻值，由于PT100的批次不一样，阻值会有稍微的差别，并且在零度时的阻值并不是准确的100Ω，所以装置在进入测量模式后，在测量时需要通过代码加入偏移量来T偏差来校正PT100的测量温度，从而实现温度的准确测量。由于与校正相关的工作都是在代码中通过算法自动实现的，这样校正工作变得简单、快捷和准确。
至少可以达到以下有益效果：
一种带自诊断功能的菌种发酵温度测量装置及方法，主要包括：信号采集模块、信号放大模块、信号处理模块、控制信号输出模块、控制信号输入模块和通讯模块；可以通过输入自诊断信号后，方便、快捷的通过数值显示直接给出；用于保证温度准确度的校正功能，完全通过信号处理模块用代码的形式智能完成，并将校正参数自动保持在信号处理模块中，以实现自诊断功能、实现智能校正、实时显示信号以及温度测量准确的优点。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种带自诊断功能的菌种发酵温度测量方法，其特征在于，具体包括：
步骤100：采用三线制的电桥测温法进行测温，并确定电桥参数；其中，所述电桥参数的确定包括：PT100电流小于1mA，电桥电压为2.5V，电阻R11和R12选用3K精度1％的电阻；
步骤200：根据实际需求确定温度范围来选择合适的放大倍数，确定电路中的参数；所述放大倍数为10倍，所述参数包括：电桥电阻为47K和470K，运放电源为单相3.3V；电桥电路看作两个分压电路，运放结果是放大分压电路的压差值，得以下公式：
VDD是电桥电压和AD的参考电压，A是放大器的放大倍数，ADC是当前AD测量值，ADC_MAX是ADC的最大范围值；
步骤300：在代码中通过算法对装置进行校正，获取R校准和ADC校准，并消除PT100的线电阻；
所述消除PT100的线电阻采用代码校准；
校准时，公式为：
测量时，公式变换为：
满足ADC校准＞ADC当前，所述公式(2)和(3)作差可得公式：
简化得：
最终为：
所述公式(6)写为以下形式：
其中，R当前为PT100测温时的电阻值，R校准为校准时候PT100的电阻值，R当前-R校准为当前温度下的温度变化值；
步骤400：通过实验找出温度的偏差值，并在代码加入偏移量T偏差来校正PT100的测量温度，从而实现温度的准确测量；具体方法包括：
引入ADC偏差，根据所述公式(7)得公式：
利用代码加入偏移量ADC偏差能够校正测量的阻值。
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