付曦東++龍莊++魯瑛

摘 要：樂(lè)高NXT機(jī)器人作為一種相當(dāng)優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，能對(duì)將多種資源進(jìn)行整合，滿足實(shí)驗(yàn)要求。就如何利用樂(lè)高NXT機(jī)器人創(chuàng)建自動(dòng)控制水溫實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、實(shí)驗(yàn)步驟、軟件運(yùn)行等進(jìn)行了介紹。

關(guān)鍵詞：溫度控制；機(jī)器人；傳感器；圖形化編程

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.23.127

樂(lè)高NXT機(jī)器人可以將信息、機(jī)械、電子、傳感器等多學(xué)科知識(shí)整合，幫助我們實(shí)現(xiàn)難度大的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。

許多化學(xué)、生物方面的研究中都涉及水溫精確控制問(wèn)題，比如化肥過(guò)磷酸鈣中有效磷的提取測(cè)定，細(xì)菌、真菌的液體培養(yǎng)等。以下就利用NXT樂(lè)高機(jī)器人的功能，在精確控制水溫方面進(jìn)行探討。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

控制水溫在25±0.1 ℃，并需要對(duì)裝有提取劑的三角瓶進(jìn)行30 min振蕩；調(diào)整水溫精確控制在30±0.1 ℃、35±0.1 ℃、40±0.1 ℃、45±0.1 ℃等；繪制出溫度曲線。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及準(zhǔn)備

制作簡(jiǎn)易隔熱式水浴恒溫箱，裝載自動(dòng)控制水溫平臺(tái)，以微型振蕩器（尺寸為210 mm×160 mm×110 mm）帶動(dòng)。恒溫箱內(nèi)裝有2 L的水（25℃），水中架子上放有提取劑和提取物的三角瓶；樂(lè)高溫度傳感器固定在箱內(nèi)，以數(shù)據(jù)線連接到樂(lè)高NXT主機(jī)。

恒溫箱用聚苯乙烯泡沫塑料泡沫來(lái)制作，尺寸為286 mm×166 mm×186 mm，厚度為20 mm，內(nèi)涂有防水涂料。實(shí)驗(yàn)時(shí)蓋子要蓋嚴(yán)實(shí)，以防與空氣熱量交換過(guò)多。聚苯乙烯泡沫恒溫箱的導(dǎo)熱系數(shù)一般小于0.05 W/（m·℃），因此，水、空氣分別與聚苯乙烯泡沫的熱交換量很少。如果恒溫箱不蓋蓋子（假設(shè)水溫與室溫相差10 ℃），則常溫下空氣與水表面的的換熱基本為自然對(duì)流，對(duì)流換熱系數(shù)為5～10 W/（m2·K），而水與空氣接觸的面積約為0.045 m2，由此可以計(jì)算出20 s熱交換最多為90 J。而2 L水每次升降溫0.1 ℃的熱量交換約為840 J。因此，恒溫箱蓋好蓋子計(jì)算溫差較大時(shí)，也不必考慮水與空氣的熱交換。

搭建伺服馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)控制1～2 ℃低溫水開(kāi)關(guān)系統(tǒng)（由伺服馬達(dá)B控制），即制作一個(gè)用樂(lè)高凸輪控制吊瓶軟管流量控制的開(kāi)關(guān)系統(tǒng)（吊瓶用醫(yī)用500 mL輸液吊瓶，軟管用醫(yī)用軟管，內(nèi)徑為5 mm）；固定好伺服馬達(dá)及流量控制開(kāi)關(guān)，伺服馬達(dá)帶動(dòng)凸輪正反轉(zhuǎn)一定角度開(kāi)關(guān)軟管流量控制開(kāi)關(guān)（吊瓶?jī)?nèi)裝有調(diào)好1～2 ℃的水，類似醫(yī)院打吊針），軟管水閥軟管水閥軟管水閥冰水流至恒溫箱內(nèi)。

搭建伺服馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)控制開(kāi)關(guān)加熱的裝置（由伺服馬達(dá)C控制），即建立一個(gè)通過(guò)自動(dòng)控制開(kāi)關(guān)加熱裝置（300 W的加熱管放置恒溫箱水中），溫度計(jì)檢測(cè)到溫度低于25 ℃時(shí)加熱器（300 W）開(kāi)始加熱（由伺服馬達(dá)C上聯(lián)接一個(gè)“X”型樂(lè)高把手輪，可左右轉(zhuǎn)動(dòng)控制開(kāi)關(guān)及加熱時(shí)間，開(kāi)關(guān)連接加熱管，開(kāi)關(guān)用普通的燈開(kāi)關(guān)面板；固定好伺服馬達(dá)及開(kāi)關(guān)面板）。

通過(guò)樂(lè)高NXT-G編程軟件（2.0或以上版本）在電腦上編好程序，下載到NXT主機(jī)上并控制整個(gè)平臺(tái)運(yùn)行；通過(guò)樂(lè)高NXT溫度傳感器（NXT溫度傳感器測(cè)量范圍在-20～120 ℃）測(cè)量水溫并將數(shù)據(jù)反饋至NXT主機(jī)，主機(jī)根椐溫度狀況采取不同的動(dòng)作。

主機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)線接至電腦并將數(shù)據(jù)下載至電腦，通過(guò)NXT-G軟件可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

樂(lè)高把手輪如圖1所示，樂(lè)高凸輪如圖2所示，流量控制開(kāi)關(guān)如圖3所示。

3 用圖形化編程軟件NXT-G編程及運(yùn)行

由于2 L水每次升降溫0.1 ℃的熱量交換約為840 J，因此，設(shè)定好每次升溫的動(dòng)作時(shí)間及降溫的動(dòng)作時(shí)間就可達(dá)到目的。考慮到有一定的熱量散失，因此，程序時(shí)間上可放寬0.1～0.2 s。

溫度計(jì)接NXT主機(jī)端口2，圖標(biāo)參數(shù)設(shè)定為“是否高于25 ℃”，即檢測(cè)恒溫箱內(nèi)溫度高于25 ℃時(shí)，伺服馬達(dá)B正轉(zhuǎn)60°，凸輪推開(kāi)軟管調(diào)節(jié)器，冰水流至恒溫箱8.66 s后伺服馬達(dá)B再反轉(zhuǎn)60°，凸輪壓迫軟管調(diào)節(jié)器關(guān)停軟管內(nèi)流水；經(jīng)過(guò)11 s后溫度計(jì)重測(cè)溫度，同時(shí)，在開(kāi)始數(shù)據(jù)日志模塊記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。一個(gè)周期約為20 s，冰水一次流出9 g左右，每次降溫約為0.1 ℃。

溫度計(jì)檢測(cè)到溫度低于25 ℃時(shí)，伺服馬達(dá)C設(shè)定等待6.56 s，再控制把手輪正轉(zhuǎn)40°，打開(kāi)加熱管（300 W）開(kāi)關(guān)開(kāi)始加熱，然后伺服馬達(dá)C反轉(zhuǎn)40°復(fù)位。加熱3 s后，伺服馬達(dá)C帶動(dòng)把手輪反轉(zhuǎn)40°關(guān)閉加熱管開(kāi)關(guān)，然后將伺服馬達(dá)再正轉(zhuǎn)40°復(fù)位；經(jīng)過(guò)11 s后溫度計(jì)重測(cè)溫度，同時(shí)，在開(kāi)始數(shù)據(jù)日志模塊記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。一個(gè)周期約為20 s，加熱管開(kāi)關(guān)用普通的墻壁燈開(kāi)關(guān)，每次升溫約0.1 ℃。

整體程序如圖4所示。

主程序循環(huán)周期設(shè)定為1 800 s（實(shí)驗(yàn)周期為30 min），步驟為：機(jī)器人先等待11 s，然后溫度計(jì)測(cè)試水溫，水溫高于25 ℃時(shí)執(zhí)行上半部程序降溫，記錄水溫至NXT主機(jī)中；水溫低于25 ℃時(shí)，執(zhí)行下半部程序加溫，記錄水溫至NXT中；實(shí)驗(yàn)完成后，可下載NXT中的數(shù)據(jù)日志至電腦中分析。

數(shù)據(jù)日志模塊設(shè)定參數(shù)為：持續(xù)時(shí)間可設(shè)為1 800 s，采樣時(shí)間間隔設(shè)為20 s，即每升降溫一次后就采樣一次。

根據(jù)需要調(diào)整程序參數(shù)可控制水溫。比如，如果要將水溫由25 ℃升至30 ℃，并精確控制在±0.1 ℃范圍內(nèi)，其操作步驟如下：調(diào)整主控程序中溫度計(jì)的參數(shù)設(shè)定為“是否高于30 ℃”；將溫控箱中的2 L水先加熱至約30 ℃（2 L水由25 ℃升至30 ℃需要167 s，可先將程序中的加熱時(shí)間從3 s調(diào)為167 s，溫度升至30 ℃后再調(diào)回3秒）；調(diào)整主控程序中的溫度計(jì)的參數(shù)為30 ℃，使其每20 s升高0.1 ℃，直至30 ℃左右。值得注意的是，每次程序更改要重新下載至NXT主機(jī)。同理，可以精確控制35±0.1 ℃、40±0.1 ℃、45±0.1 ℃等范圍內(nèi)的水溫。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)反復(fù)調(diào)整了很多次，一次升降溫?cái)?shù)值不宜過(guò)大，即需要控制好升降溫時(shí)間，以便于較精確地控制溫度。一個(gè)周期設(shè)定在20 s的原因是為了方便控制升降溫的頻率和水溫的曲線記錄。

4 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)采用了較為簡(jiǎn)單的搭建及編程實(shí)現(xiàn)了最初的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，可以較精準(zhǔn)地自動(dòng)控制水溫（±0.1 ℃），可以隨時(shí)通過(guò)調(diào)整程序中的參數(shù)來(lái)控制溫度，室溫對(duì)本實(shí)驗(yàn)的影響不大。理論上?？梢钥刂扑疁卦?±0.1 ℃～99±0.1 ℃。總之，達(dá)到了用簡(jiǎn)單的方法完成水溫恒定或水溫自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)的目的。在沒(méi)有專業(yè)技術(shù)背景的情況下，實(shí)現(xiàn)了需要較高級(jí)設(shè)備下才能做到的溫控實(shí)驗(yàn)。

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〔編輯：張思楠〕