基于C8051F的臺式高速冷凍離心機(jī)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)*

曾喜良，陳丹桂

（湖南涉外經(jīng)濟(jì)學(xué)院，湖南 長沙 410205）

離心機(jī)是集機(jī)械、電子、制冷、真空、材料等多項技術(shù)于一體的樣品分析分離儀器，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、石油化工、農(nóng)業(yè)、食品衛(wèi)生等領(lǐng)域。它借助驅(qū)動設(shè)備使離心機(jī)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，利用不同物質(zhì)在水溶液中因不同的密度、大小和形狀而在離心力場中沉淀速度的差異，實現(xiàn)樣品的分離、精制及純化[1]。從1878年瑞典人DeLava1研制的牛奶分離器至今，離心機(jī)歷經(jīng)低速、高速、超速的變遷。低速離心機(jī)最大轉(zhuǎn)速不超過6 000 r/min，主要用于固液沉降分離，通常直接在室溫下運(yùn)轉(zhuǎn)；高速離心機(jī)最高轉(zhuǎn)速可以達(dá)到20 000～25 000 r/min，也用于固液沉降分離，一般帶有制冷系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速、溫度和時間都可以嚴(yán)格準(zhǔn)確地控制；超速離心機(jī)轉(zhuǎn)速在25 000 r/min以上，都裝有真空系統(tǒng)[2]。

本系統(tǒng)針對臺式高速冷凍離心機(jī)的性能要求，以C8051F020單片機(jī)作為核心處理器，采用模塊化方法對其硬件和軟件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

離心機(jī)整體結(jié)構(gòu)由主機(jī)和附件組成。主機(jī)包括機(jī)殼、離心室、門蓋、電機(jī)、驅(qū)動伺服系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及操作顯示部分，附件分為轉(zhuǎn)子和離心管。其邏輯功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

驅(qū)動伺服系統(tǒng)負(fù)責(zé)驅(qū)動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速；制冷系統(tǒng)用來降低系統(tǒng)的溫度，通過溫度控制系統(tǒng)確保分離的樣品在一個合適的溫度環(huán)境；操作顯示部分用來設(shè)置顯示系統(tǒng)的各項參數(shù)，包括轉(zhuǎn)子號、轉(zhuǎn)速、離心力、溫度、時間及故障提示；轉(zhuǎn)子識別在啟動低速時識別相應(yīng)轉(zhuǎn)子型號，以限制其最高轉(zhuǎn)速，避免因人為設(shè)定錯誤導(dǎo)致轉(zhuǎn)子超速，造成轉(zhuǎn)子爆炸事故，保證安全；故障檢測系統(tǒng)是當(dāng)離心機(jī)因設(shè)定錯誤或運(yùn)行中出現(xiàn)故障而進(jìn)行的檢測提示，并為保護(hù)系統(tǒng)正常工作和人身安全采取相應(yīng)措施；系統(tǒng)控制是離心機(jī)的控制中心，負(fù)責(zé)離心機(jī)的各項參數(shù)設(shè)置和功能設(shè)定，管理和控制各個系統(tǒng)的運(yùn)行情況。

2 硬件設(shè)計

臺式高速冷凍離心機(jī)的性能要求為：最高轉(zhuǎn)速為25 000 r/min，轉(zhuǎn)速控制精度為±50 r/min；時間可選擇 0～99 min；溫度控制范圍為-20℃～+40℃，控制精度為±1℃；可自動識別轉(zhuǎn)子號，實現(xiàn) 1～9擋升/降速方式。根據(jù)這些要求，系統(tǒng)選擇C8051F020單片機(jī)為核心處理器，外圍元件包括帶霍爾傳感器的三相無刷直流電機(jī)、功率驅(qū)動模塊 IGBT（FSBS15CH60F），溫度傳感器 DS18B20、可控硅BT136、霍爾傳感器A3144、液晶顯示屏CA240128A、OMRON輕觸開關(guān)及MAX485通信模塊。

2.1 C8051F020

C8051F020單片機(jī)是美國Cygnal公司Silicon Labs推出的完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片，具有與MCS-51指令完全兼容的高速、流水線結(jié)構(gòu)的CIP-51內(nèi)核。它在一個芯片內(nèi)集成了構(gòu)成一個單片機(jī)數(shù)據(jù)采集或控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設(shè)及其他功能部件。這些外設(shè)部件的高度集成為設(shè)計小體積、低功耗、高可靠性和高性能的應(yīng)用系統(tǒng)提供了方便，也可使系統(tǒng)的整體成本大大降低。JTAG調(diào)試和邊界掃描接口可實現(xiàn)全速、非侵入式的系統(tǒng)實時動態(tài)調(diào)試[3]。

2.2 轉(zhuǎn)速測量與控制

離心機(jī)的分離品質(zhì)由離心場力直接決定，其動力通常由電動機(jī)提供，在轉(zhuǎn)子不變的情況下可通過調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速來控制離心力大小。實際中常用相對離心力RCF（Relative Centrifugal Force）即地心引力的倍數(shù)表示[4]：

其中，ω為角速度；n為轉(zhuǎn)速，單位為r/min；R為離心半徑，單位為 cm；RCF為離心力（場），單位為 g；g為重力加速度 9.8 m/s2。

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)部分是離心機(jī)的核心，主要由控制、功率驅(qū)動和電機(jī)三大要素組成。本系統(tǒng)采用IGBT模塊FSBS15CH60F實現(xiàn)電機(jī)功率驅(qū)動，外部一端與單片機(jī)的PWM（Pulse Width Modulation）信號口相連，通過調(diào)節(jié)占空比來改變傳輸給電機(jī)的有效電壓，實現(xiàn)電機(jī)速度控制以及 9擋升降速；另一端 U、V、W引腳與三相電機(jī)相連。電路如圖2所示。

三相無刷直流電機(jī)的3個霍爾傳感器以120°的電角度分布，單片機(jī)通過計算1 s內(nèi)傳來的脈沖個數(shù)p整除3即得到當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速[5]：

2.3 溫度測量與控制

單片機(jī)將溫度傳感器DS18B20測得的值與設(shè)定值比較后，控制可控硅BT136的導(dǎo)通，進(jìn)而調(diào)節(jié)電磁閥的開關(guān)量，影響壓縮機(jī)的制冷度，實現(xiàn)對溫度的控制。電路連接如圖3所示。其中的MOC3041為一種帶有光耦合的雙向可控硅驅(qū)動電路，由輸入和輸出兩部分組成，其內(nèi)部集成了發(fā)光二極管、雙向可控硅和過零觸發(fā)電路等器件。當(dāng)單片機(jī)的WD_KZ輸出低電平時，MOC3041輸入部分的發(fā)光二極管導(dǎo)通，發(fā)出足夠強(qiáng)度的紅外光觸發(fā)輸出部分以控制可控硅的導(dǎo)通。

2.4 轉(zhuǎn)子識別

本系統(tǒng)采用反射光編碼識別轉(zhuǎn)子號[6]。在離心機(jī)轉(zhuǎn)子底部裝上編碼盤，根據(jù)轉(zhuǎn)子編號規(guī)則交錯涂上淺色和深色條紋，在其下方對應(yīng)位置安裝一個光電檢測裝置，通過對不同編碼盤上淺、深色條紋的識別判別不同的轉(zhuǎn)子，并以此判別所適應(yīng)的最大轉(zhuǎn)速。

反射光編碼識別示意圖如圖4所示。其中，1為轉(zhuǎn)子，2為編碼盤，3為光電檢測裝置，4為發(fā)射管，5為接收管，6為驅(qū)動機(jī)構(gòu)。在轉(zhuǎn)子底部安裝一編碼盤，編碼盤上交錯涂有淺色和深色條紋，可與光電檢測裝置所發(fā)出的信號相對應(yīng)。工作時，光電檢測裝置上的發(fā)射管不停地發(fā)射光線，當(dāng)光線遇到編碼盤的淺色區(qū)域會產(chǎn)生反射，接收管接收該反射信號后導(dǎo)通，給與其相接的單片機(jī)輸出低電平；當(dāng)光線遇到編碼盤的深色區(qū)域時，光線被吸收，接收管不導(dǎo)通，則給單片機(jī)輸出高電平。這樣，通過采集編碼盤反射回來的光電信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖信號，只要計算當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一圈時的脈沖個數(shù)，就可識別不同的轉(zhuǎn)子。

此外，單片機(jī)通過輕觸開關(guān)及LCD連接實現(xiàn)操作與顯示控制；還可通過RS-485與PC連接，實現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)輸出和監(jiān)控管理。

3 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)操作系統(tǒng)選用RTX51，集成開發(fā)環(huán)境選擇Keil 8.02，結(jié)合wave仿真器在線模擬調(diào)試。軟件采用模塊化設(shè)計，主要包括主循環(huán)模塊、中斷服務(wù)模塊、鍵盤掃描模塊、顯示模塊、電機(jī)調(diào)速模塊、溫度控制模塊、轉(zhuǎn)子識別及故障檢測模塊，主控流程如圖5所示。開機(jī)時進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括定時器、I/O口、中斷、變量等的初始化，當(dāng)有按鍵按下時，鍵盤掃描模塊判斷鍵值，并轉(zhuǎn)入鍵值對應(yīng)的處理模塊；運(yùn)行過程中若有超溫、超速或故障則報警停機(jī)。部分程序代碼如下：

本系統(tǒng)選擇片上資源豐富、功能強(qiáng)大的C8051F020單片機(jī)，大大簡化了外圍電路，降低了開發(fā)成本。經(jīng)仿真調(diào)試及在某離心機(jī)公司的試用證明，模塊化的軟硬件設(shè)計使離心機(jī)的整體穩(wěn)定性得以提高，各項測量參數(shù)準(zhǔn)確，控制過程可靠。采用反射光編碼技術(shù)自動識別轉(zhuǎn)子，簡化了用戶操作，確保了更高的安全性。

[1]楊云，金綠松，郭文軍，等.離心機(jī)驅(qū)動結(jié)構(gòu)回顧與展望[J].機(jī)械設(shè)計與制造工程，2000（9）.

[2]金綠松，王家龍.我國實驗室離心機(jī)的現(xiàn)狀與展望[J].中國儀器儀表，2008（5）.

[3]潘琢金.C8051F020/1/2/3混合信號ISP FLASH微控制器數(shù)據(jù)手冊[Z].2005.

[4]高速冷凍離心機(jī)型號標(biāo)準(zhǔn)[S].YZB/湘（長）98-2005

[5]徐猛，劉波峰，馬建林，等.基于智能功率模塊的臺式離心機(jī)電控系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2008（12）.

[6]朱先德，吳漢炯，朱明軒，等.醫(yī)用離心機(jī)轉(zhuǎn)子識別機(jī)構(gòu)[P].中國.CN 2489873Y.2002.05.08.