利用樂高NXT機器人創建自動控制水溫實驗平臺

付曦東++龍莊++魯瑛

摘 要：樂高NXT機器人作為一種相當優秀的實驗平臺，能對將多種資源進行整合，滿足實驗要求。就如何利用樂高NXT機器人創建自動控制水溫實驗平臺的實驗目標、實驗步驟、軟件運行等進行了介紹。

關鍵詞：溫度控制；機器人；傳感器；圖形化編程

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.23.127

樂高NXT機器人可以將信息、機械、電子、傳感器等多學科知識整合，幫助我們實現難度大的創新實驗。

許多化學、生物方面的研究中都涉及水溫精確控制問題，比如化肥過磷酸鈣中有效磷的提取測定，細菌、真菌的液體培養等。以下就利用NXT樂高機器人的功能，在精確控制水溫方面進行探討。

1 實驗目標

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

2 實驗設備及準備

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

恒溫箱用聚苯乙烯泡沫塑料泡沫來制作，尺寸為286 mm×166 mm×186 mm，厚度為20 mm，內涂有防水涂料。實驗時蓋子要蓋嚴實，以防與空氣熱量交換過多。聚苯乙烯泡沫恒溫箱的導熱系數一般小于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流，對流換熱系數為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，恒溫箱蓋好蓋子計算溫差較大時，也不必考慮水與空氣的熱交換。

搭建伺服馬達轉動控制1～2 ℃低溫水開關系統（由伺服馬達B控制），即制作一個用樂高凸輪控制吊瓶軟管流量控制的開關系統（吊瓶用醫用500 mL輸液吊瓶，軟管用醫用軟管，內徑為5 mm）；固定好伺服馬達及流量控制開關，伺服馬達帶動凸輪正反轉一定角度開關軟管流量控制開關（吊瓶內裝有調好1～2 ℃的水，類似醫院打吊針），軟管水閥軟管水閥軟管水閥冰水流至恒溫箱內。

搭建伺服馬達轉動控制開關加熱的裝置（由伺服馬達C控制），即建立一個通過自動控制開關加熱裝置（300 W的加熱管放置恒溫箱水中），溫度計檢測到溫度低于25 ℃時加熱器（300 W）開始加熱（由伺服馬達C上聯接一個“X”型樂高把手輪，可左右轉動控制開關及加熱時間，開關連接加熱管，開關用普通的燈開關面板；固定好伺服馬達及開關面板）。

通過樂高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主機上并控制整個平臺運行；通過樂高NXT溫度傳感器（NXT溫度傳感器測量范圍在-20～120 ℃）測量水溫并將數據反饋至NXT主機，主機根椐溫度狀況采取不同的動作。

主機通過數據線接至電腦并將數據下載至電腦，通過NXT-G軟件可以對數據進行分析。

樂高把手輪如圖1所示，樂高凸輪如圖2所示，流量控制開關如圖3所示。

3 用圖形化編程軟件NXT-G編程及運行

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

溫度計接NXT主機端口2，圖標參數設定為“是否高于25 ℃”，即檢測恒溫箱內溫度高于25 ℃時，伺服馬達B正轉60°，凸輪推開軟管調節器，冰水流至恒溫箱8.66 s后伺服馬達B再反轉60°，凸輪壓迫軟管調節器關停軟管內流水；經過11 s后溫度計重測溫度，同時，在開始數據日志模塊記錄實驗數據。一個周期約為20 s，冰水一次流出9 g左右，每次降溫約為0.1 ℃。

溫度計檢測到溫度低于25 ℃時，伺服馬達C設定等待6.56 s，再控制把手輪正轉40°，打開加熱管（300 W）開關開始加熱，然后伺服馬達C反轉40°復位。加熱3 s后，伺服馬達C帶動把手輪反轉40°關閉加熱管開關，然后將伺服馬達再正轉40°復位；經過11 s后溫度計重測溫度，同時，在開始數據日志模塊記錄實驗數據。一個周期約為20 s，加熱管開關用普通的墻壁燈開關，每次升溫約0.1 ℃。

整體程序如圖4所示。

主程序循環周期設定為1 800 s（實驗周期為30 min），步驟為：機器人先等待11 s，然后溫度計測試水溫，水溫高于25 ℃時執行上半部程序降溫，記錄水溫至NXT主機中；水溫低于25 ℃時，執行下半部程序加溫，記錄水溫至NXT中；實驗完成后，可下載NXT中的數據日志至電腦中分析。

數據日志模塊設定參數為：持續時間可設為1 800 s，采樣時間間隔設為20 s，即每升降溫一次后就采樣一次。

根據需要調整程序參數可控制水溫。比如，如果要將水溫由25 ℃升至30 ℃，并精確控制在±0.1 ℃范圍內，其操作步驟如下：調整主控程序中溫度計的參數設定為“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間從3 s調為167 s，溫度升至30 ℃后再調回3秒）；調整主控程序中的溫度計的參數為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。同理，可以精確控制35±0.1 ℃、40±0.1 ℃、45±0.1 ℃等范圍內的水溫。

整個實驗反復調整了很多次，一次升降溫數值不宜過大，即需要控制好升降溫時間，以便于較精確地控制溫度。一個周期設定在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 結論

本實驗采用了較為簡單的搭建及編程實現了最初的實驗目標，可以較精準地自動控制水溫（±0.1 ℃），可以隨時通過調整程序中的參數來控制溫度，室溫對本實驗的影響不大。理論上。可以控制水溫在2±0.1 ℃～99±0.1 ℃。總之，達到了用簡單的方法完成水溫恒定或水溫自動控制實驗的目的。在沒有專業技術背景的情況下，實現了需要較高級設備下才能做到的溫控實驗。

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〔編輯：張思楠〕