利用乐高NXT机器人创建自动控制水温实验平台

付曦东++龙庄++鲁瑛

摘 要：乐高NXT机器人作为一种相当优秀的实验平台，能对将多种资源进行整合，满足实验要求。就如何利用乐高NXT机器人创建自动控制水温实验平台的实验目标、实验步骤、软件运行等进行了介绍。

关键词：温度控制；机器人；传感器；图形化编程

中图分类号：TP242 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.23.127

乐高NXT机器人可以将信息、机械、电子、传感器等多学科知识整合，帮助我们实现难度大的创新实验。

许多化学、生物方面的研究中都涉及水温精确控制问题，比如化肥过磷酸钙中有效磷的提取测定，细菌、真菌的液体培养等。以下就利用NXT乐高机器人的功能，在精确控制水温方面进行探讨。

1 实验目标

控制水温在25±0.1 ℃，并需要对装有提取剂的三角瓶进行30 min振荡；调整水温精确控制在30±0.1 ℃、35±0.1 ℃、40±0.1 ℃、45±0.1 ℃等；绘制出温度曲线。

2 实验设备及准备

制作简易隔热式水浴恒温箱，装载自动控制水温平台，以微型振荡器（尺寸为210 mm×160 mm×110 mm）带动。恒溫箱内装有2 L的水（25℃），水中架子上放有提取剂和提取物的三角瓶；乐高温度传感器固定在箱内，以数据线连接到乐高NXT主机。

恒温箱用聚苯乙烯泡沫塑料泡沫来制作，尺寸为286 mm×166 mm×186 mm，厚度为20 mm，内涂有防水涂料。实验时盖子要盖严实，以防与空气热量交换过多。聚苯乙烯泡沫恒温箱的导热系数一般小于0.05 W/（m·℃），因此，水、空气分别与聚苯乙烯泡沫的热交换量很少。如果恒温箱不盖盖子（假设水温与室温相差10 ℃），则常温下空气与水表面的的换热基本为自然对流，对流换热系数为5～10 W/（m2·K），而水与空气接触的面积约为0.045 m2，由此可以计算出20 s热交换最多为90 J。而2 L水每次升降温0.1 ℃的热量交换约为840 J。因此，恒温箱盖好盖子计算温差较大时，也不必考虑水与空气的热交换。

搭建伺服马达转动控制1～2 ℃低温水开关系统（由伺服马达B控制），即制作一个用乐高凸轮控制吊瓶软管流量控制的开关系统（吊瓶用医用500 mL输液吊瓶，软管用医用软管，内径为5 mm）；固定好伺服马达及流量控制开关，伺服马达带动凸轮正反转一定角度开关软管流量控制开关（吊瓶内装有调好1～2 ℃的水，类似医院打吊针），软管水阀软管水阀软管水阀冰水流至恒温箱内。

搭建伺服马达转动控制开关加热的装置（由伺服马达C控制），即建立一个通过自动控制开关加热装置（300 W的加热管放置恒温箱水中），温度计检测到温度低于25 ℃时加热器（300 W）开始加热（由伺服马达C上联接一个“X”型乐高把手轮，可左右转动控制开关及加热时间，开关连接加热管，开关用普通的灯开关面板；固定好伺服马达及开关面板）。

通过乐高NXT-G编程软件（2.0或以上版本）在电脑上编好程序，下载到NXT主机上并控制整个平台运行；通过乐高NXT温度传感器（NXT温度传感器测量范围在-20～120 ℃）测量水温并将数据反馈至NXT主机，主机根椐温度状况采取不同的动作。

主机通过数据线接至电脑并将数据下载至电脑，通过NXT-G软件可以对数据进行分析。

乐高把手轮如图1所示，乐高凸轮如图2所示，流量控制开关如图3所示。

3 用图形化编程软件NXT-G编程及运行

由于2 L水每次升降温0.1 ℃的热量交换约为840 J，因此，设定好每次升温的动作时间及降温的动作时间就可达到目的。考虑到有一定的热量散失，因此，程序时间上可放宽0.1～0.2 s。

温度计接NXT主机端口2，图标参数设定为“是否高于25 ℃”，即检测恒温箱内温度高于25 ℃时，伺服马达B正转60°，凸轮推开软管调节器，冰水流至恒温箱8.66 s后伺服马达B再反转60°，凸轮压迫软管调节器关停软管内流水；经过11 s后温度计重测温度，同时，在开始数据日志模块记录实验数据。一个周期约为20 s，冰水一次流出9 g左右，每次降温约为0.1 ℃。

温度计检测到温度低于25 ℃时，伺服马达C设定等待6.56 s，再控制把手轮正转40°，打开加热管（300 W）开关开始加热，然后伺服马达C反转40°复位。加热3 s后，伺服马达C带动把手轮反转40°关闭加热管开关，然后将伺服马达再正转40°复位；经过11 s后温度计重测温度，同时，在开始数据日志模块记录实验数据。一个周期约为20 s，加热管开关用普通的墙壁灯开关，每次升温约0.1 ℃。

整体程序如图4所示。

主程序循环周期设定为1 800 s（实验周期为30 min），步骤为：机器人先等待11 s，然后温度计测试水温，水温高于25 ℃时执行上半部程序降温，记录水温至NXT主机中；水温低于25 ℃时，执行下半部程序加温，记录水温至NXT中；实验完成后，可下载NXT中的数据日志至电脑中分析。

数据日志模块设定参数为：持续时间可设为1 800 s，采样时间间隔设为20 s，即每升降温一次后就采样一次。

根据需要调整程序参数可控制水温。比如，如果要将水温由25 ℃升至30 ℃，并精确控制在±0.1 ℃范围内，其操作步骤如下：调整主控程序中温度计的参数设定为“是否高于30 ℃”；将温控箱中的2 L水先加热至约30 ℃（2 L水由25 ℃升至30 ℃需要167 s，可先将程序中的加热时间从3 s调为167 s，温度升至30 ℃后再调回3秒）；调整主控程序中的温度计的参数为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载至NXT主机。同理，可以精确控制35±0.1 ℃、40±0.1 ℃、45±0.1 ℃等范围内的水温。

整个实验反复调整了很多次，一次升降温数值不宜过大，即需要控制好升降温时间，以便于较精确地控制温度。一个周期设定在20 s的原因是为了方便控制升降温的频率和水温的曲线记录。

4 结论

本实验采用了较为简单的搭建及编程实现了最初的实验目标，可以较精准地自动控制水温（±0.1 ℃），可以随时通过调整程序中的参数来控制温度，室温对本实验的影响不大。理论上。可以控制水温在2±0.1 ℃～99±0.1 ℃。总之，达到了用简单的方法完成水温恒定或水温自动控制实验的目的。在没有专业技术背景的情况下，实现了需要较高级设备下才能做到的温控实验。

参考文献

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〔编辑：张思楠〕