多功能一體化原子化器設(shè)計(jì)

魏立峰, 駱 陽， 王慶輝， 李 月， 趙幼南

(1.沈陽化工大學(xué) 信息工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110142； 2.沈陽華光精密儀器有限公司， 遼寧 沈陽 110036)

多功能一體化原子化器設(shè)計(jì)

魏立峰1, 駱 陽1， 王慶輝1， 李 月2， 趙幼南2

(1.沈陽化工大學(xué) 信息工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110142； 2.沈陽華光精密儀器有限公司， 遼寧 沈陽 110036)

多功能一體化原子化器是原子吸收分光光度計(jì)采樣系統(tǒng)的重要組成部分，要求裝置定位在光路上并保證精確可靠.為集成5種功能于一體，硬件設(shè)計(jì)以STM32為核心的電機(jī)控制模塊和氣路控制模塊，采用實(shí)時(shí)分布式結(jié)構(gòu).系統(tǒng)利用S曲線算法實(shí)現(xiàn)了雙軌行進(jìn)控制定位，并設(shè)計(jì)了氣體壓力檢測(cè)和氣路控制，保證系統(tǒng)通氣安全.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:原子化器能夠?qū)崿F(xiàn)5種功能的快速平穩(wěn)切換，提高儀器定位精度及效率.

原子化器； STM32； S曲線； 雙軌行進(jìn)

當(dāng)今市場(chǎng)上銷售的多功能原子吸收分光光度計(jì)需要用戶手工裝卸不同種類的原子化器，并且切換步驟繁瑣，加大了用戶的工作量和人為因素對(duì)儀器測(cè)量的影響[1].隨著各行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的完善和原子吸收分光光度計(jì)應(yīng)用于越來越多的行業(yè)，該類儀器所測(cè)定的元素種類相對(duì)較少，操作流程復(fù)雜，儀器占據(jù)空間大[2]，已經(jīng)不能滿足用戶的需求.多功能一體化原子吸收分光光度計(jì)集成火焰原子吸收分光光度計(jì)、石墨爐原子吸收分光光度計(jì)、氫化物原子吸收分光光度計(jì)、紫外可見分光光度計(jì)、火焰光度計(jì)5種儀器功能，能測(cè)定73種元素的含量，只需要用戶通過操作界面簡單地設(shè)置，就能自動(dòng)完成不同種類原子化器的切換，大大提高了用戶操作效率.本文主要介紹使用雙處理器來實(shí)現(xiàn)多功能一體化原子化器的設(shè)計(jì)，完成火焰原子化器(火焰吸收分光光度計(jì)和火焰光度計(jì)使用同一裝置)、石墨爐原子化器、氫化物原子化器、光度計(jì)比色皿4種裝置切換，以及5種分析方法所需氣體的電磁閥控制.

1 原子化器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

原子化器系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要由嵌入式單板計(jì)算機(jī)(EPIC)、CAN收發(fā)器、STM32微控制器、光電開關(guān)檢測(cè)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、氣體壓力檢測(cè)、電磁閥模塊組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.整個(gè)儀器采用實(shí)時(shí)分布式結(jié)構(gòu)，EPIC作為上位機(jī)，提供界面讓用戶管理不同測(cè)量方法的切換以及氣路狀態(tài)的改變；CAN收發(fā)器采用的是GY8507 USB-CAN總線適配器，通過USB接口連接一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)CAN網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的交互通訊；STM32微控制器作為下位機(jī)，芯片支持現(xiàn)場(chǎng)總線CAN功能，滿足控制步進(jìn)電機(jī)和氣路狀態(tài)檢測(cè)及控制的要求[3]；光電開關(guān)作為檢測(cè)元件，用于設(shè)置機(jī)械結(jié)構(gòu)的零點(diǎn)位置，為定位做參照基準(zhǔn)；步進(jìn)電機(jī)模塊是由3個(gè)A3977驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)組成，分別控制前置原子化器的水平定位、高度定位以及石墨爐原子化器的定位；氣體壓力傳感器檢測(cè)4路氣體(空氣、乙炔、笑氣、氮?dú)?的壓力，保證通氣安全；氣路控制模塊主要控制9個(gè)電磁閥(空氣閥、乙炔總閥、乙炔工作閥、笑氣閥、氮?dú)忾y、石墨爐頭閥、石墨爐內(nèi)氣閥、石墨爐外氣閥、氫化器閥)的狀態(tài).

圖1 原子化器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

上位機(jī)(ID：0)經(jīng)過CAN收發(fā)器，向CAN總線發(fā)送擴(kuò)展幀，下位機(jī)接收CAN幀觸發(fā)中斷，通過對(duì)擴(kuò)展幀的組裝和解析，提取信息，實(shí)現(xiàn)功能；STM32微處理器(ID：1)接收到上位機(jī)(ID：0)所發(fā)出的定位指令，控制A3977芯片分別來驅(qū)動(dòng)三個(gè)步進(jìn)電機(jī)(前置水平電機(jī)1、前置高度電機(jī)2、石墨爐電機(jī)3)，同時(shí)檢測(cè)光電開關(guān)的狀態(tài)來確定電機(jī)復(fù)位的零點(diǎn)位置，成功定位后向上位機(jī)發(fā)送成功定位信息.STM32微處理器(ID：2)接收到上位機(jī)(ID：0)所發(fā)出的查詢指令，采集4種氣體壓力值和控制9個(gè)電磁閥的開關(guān)并把當(dāng)前狀態(tài)反饋給上位機(jī)；STM32的GPIO驅(qū)動(dòng)電壓為3.3 V，A3977的最佳邏輯電壓為5 V，因此，使用電平轉(zhuǎn)換芯片LJ245A來提高GPIO的驅(qū)動(dòng)能力，如圖2所示.利用74HC595是為了節(jié)省STM32控制端口，方便對(duì)電機(jī)的配置.STM32分別用84腳、85腳、86腳、87腳來控制電機(jī)的方向、使能、步數(shù)、復(fù)位，而使用67腳、77腳、78腳則控制74HC595的RCK、SCK、SI，進(jìn)而控制電機(jī)的細(xì)分?jǐn)?shù)、睡眠模式[4].

圖2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖

空氣、笑氣、乙炔、氮?dú)獾膲毫z測(cè)放在氣路最前端，在打開電磁閥前，先檢測(cè)4種氣體壓力是否滿足開閥要求.空氣閥、笑氣閥控制火焰法時(shí)助燃?xì)獾那袚Q；乙炔需要2個(gè)電磁閥，乙炔閥控制火焰法乙炔的使用，而如果儀器檢測(cè)到乙炔有泄漏，乙炔總閥將被主動(dòng)關(guān)閉，保證儀器的安全[5]；石墨爐內(nèi)氣閥、外氣閥、氫化器閥主要控制氮?dú)庠谑珷t法和氫化物法中的使用；石墨爐頭閥則控制石墨爐頭的開合，方便用戶更換石墨管.氣控模塊示意圖見圖3.

圖3 氣控模塊示意圖

2 原子化器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙軌行進(jìn)控制指的是兩個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)同時(shí)進(jìn)行不同速度、不同距離、不同方向地定位動(dòng)作.在傳統(tǒng)的原子化器設(shè)計(jì)中，切換不同測(cè)量方法時(shí)需要用戶手動(dòng)更換設(shè)備，這大大地增加了人為因素對(duì)儀器測(cè)量精度的影響，同時(shí)也增加了對(duì)原子化器機(jī)械結(jié)構(gòu)在更換過程中的磨損[5].通過STM32控制步進(jìn)電機(jī)來切換所需方法的設(shè)備，無需手動(dòng)更換，這讓用戶能夠更加方便地使用儀器，也保證了儀器的安全性能.該設(shè)備所用到的分析方法有5種，分別為火焰吸收法、石墨爐法、氫化物法、光度計(jì)法、火焰發(fā)射法.這5種方法則對(duì)應(yīng)4種不同的設(shè)備，即火焰原子化器(火焰吸收法和火焰發(fā)射法共用)、石墨爐原子化器、氫化物原子化器、比色皿.利用雙軌行進(jìn)控制，快速地實(shí)現(xiàn)5種方法之間的切換成為需要改進(jìn)的地方.

儀器的光源由元素?zé)敉ㄟ^出射光孔射入燃燒室，所以，光源位置是固定的.控制前置水平電機(jī)1和前置高度電機(jī)2，將火焰噴射器的縫口定位到光路正下方2 mm并與光路平行，如圖4所示.為了節(jié)約實(shí)驗(yàn)空間，光度計(jì)法所需要的比色皿則需要架在火焰噴射器上，圖4中虛線位置即比色皿的位置.光度計(jì)法實(shí)驗(yàn)時(shí)，紫外可見光從入光孔透過架在火焰噴射器上的比色皿，控制前置水平電機(jī)1來移動(dòng)比色皿的位置，使光路透過不同池的樣品試劑或空白試劑.

圖4 火焰法(光度計(jì)法)定位示意圖

氫化器和火焰原子化器設(shè)計(jì)為一體，即前置原子化器，如圖5所示.氫化器固定在火焰噴射器背面，控制前置水平電機(jī)1和前置高度電機(jī)2將氫化器定位在光路上，讓光源正好通過氫化器石英加熱管.

圖5 氫化物法定位示意圖

石墨爐原子化器與前置原子化器則為兩個(gè)不同的機(jī)械結(jié)構(gòu)，控制石墨爐電機(jī)3來定位石墨爐位置.由于火焰法和氫化物法中所發(fā)生的反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生污染，所以，石墨爐原子化器在不工作的情況下定位在隔離室中，防止污染石墨爐中的石墨管.通過圖6可發(fā)現(xiàn)，石墨爐定位到光路上時(shí)，由于前置原子化器結(jié)構(gòu)的限制，必須將其降到燃燒室的底部，來保證石墨爐的順利定位.石墨爐只需要水平定位而無需高度定位，這減少了電機(jī)的使用，同時(shí)也增加了對(duì)3個(gè)電機(jī)控制的要求.

圖6 石墨爐法定位示意圖

3 雙軌行進(jìn)控制算法設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)具有控制精度高、控制簡單等特點(diǎn)，即使在開環(huán)條件下也能獲得較高的控制精度.但是步進(jìn)電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，也存在著啟動(dòng)慢、啟動(dòng)失步和啟、停段沖擊大等現(xiàn)象[6]，因此，增加對(duì)步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)、停止階段的加速度控制，保證步進(jìn)電機(jī)啟、停時(shí)加速度和速度的連續(xù)性以減小沖擊具有實(shí)際意義.在該設(shè)計(jì)中，主要使用S形曲線算法來控制電機(jī)的動(dòng)作[7].

雙軌行進(jìn)定位主要用于前置原子化器，即同時(shí)控制前置水平電機(jī)1和前置高度電機(jī)2.在電機(jī)動(dòng)作前，首先要通過定位距離、電機(jī)步距角和細(xì)分?jǐn)?shù)計(jì)算出2個(gè)電機(jī)所要定位的步數(shù)，并進(jìn)行比較，設(shè)計(jì)中規(guī)定兩個(gè)電機(jī)在減速過程中需要同步吻合，即兩電機(jī)同時(shí)停.圖7為雙軌行進(jìn)流程圖，通過比較兩電機(jī)的步數(shù)，規(guī)定先動(dòng)的電機(jī)為M1，后動(dòng)的電機(jī)為M2.M1由于定位步數(shù)多，必定有加速、勻速、減速3個(gè)過程，即表示為長距離定位，而M2的定位步數(shù)少于M1，則相比于M1會(huì)出現(xiàn)3種情況，分別用長距離、中距離、短距離來區(qū)分M2的這3種情況.下面使用M1、M2同時(shí)動(dòng)作的速度曲線圖來解釋雙軌行進(jìn)定位.

圖7 雙軌行進(jìn)流程

兩個(gè)電機(jī)定位步數(shù)，影響著它們運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化，所以協(xié)調(diào)好電機(jī)動(dòng)作至關(guān)重要.由于M1定位距離必定為長距離，而M2定位可在長、中、短距離上變化，圖8、圖9、圖10給出了在M1為長距離定位而M2為長、中、短距離定位時(shí)的情況.圖8中，當(dāng)t=0時(shí)，M1先啟動(dòng)，做加速運(yùn)動(dòng)；當(dāng)t=t1時(shí)，M1仍在做加速運(yùn)動(dòng)，M2開始加速運(yùn)動(dòng)；當(dāng)t=t2和t=t3時(shí)，M1、M2分別進(jìn)入勻速運(yùn)動(dòng)，速度為v1；當(dāng)t=t4時(shí)，M1、M2同時(shí)開始減速運(yùn)動(dòng)，由于M1和M2做的減速運(yùn)動(dòng)曲線吻合，2個(gè)電機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)也就變得容易了.圖9中，M1、M2所做運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與圖8基本一致，唯一不同之處在于M1做勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，M2剛開始做加速運(yùn)動(dòng).而圖10中，M2做短距離定位，當(dāng)t=t4時(shí)，M1做減速運(yùn)動(dòng)，M2做加速運(yùn)動(dòng)，兩者的速度正好相同，此時(shí)速度為v2，此時(shí)M2隨著M1做減速運(yùn)動(dòng)直到停止.

圖8 M1、M2長距離定位

圖9 M1長距離定位、M2中距離定位

圖10 M1長距離定位、M2短距離定位

4 結(jié)束語

實(shí)驗(yàn)中，為了了解S曲線算法對(duì)步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的效果，分別使用勻速控制、直線加速度控制、S曲線加速度控制3種控制方式，對(duì)其最大勻速速度和啟動(dòng)的現(xiàn)象進(jìn)行比較(見表1).表1中電機(jī)速度無法直觀地表達(dá)，用電機(jī)輸出頻率來代替速度，其關(guān)系成正比.啟動(dòng)頻率為直線加速度和S曲線加速度開始加速時(shí)的瞬時(shí)頻率，經(jīng)過一段時(shí)間加速后能進(jìn)入勻速運(yùn)動(dòng).最大勻速頻率為電機(jī)由于速度過快出現(xiàn)丟步現(xiàn)象的臨界值.10 cm定位所消耗時(shí)間指電機(jī)從啟動(dòng)到停止所使用的時(shí)間，勻速控制只有一個(gè)過程，直線加速度有恒加速、勻速、恒減速3個(gè)過程，而S曲線加速度則有7個(gè)過程，分別為加加速、勻加速、減加速、勻速、加減速、勻減速、減減速.啟動(dòng)現(xiàn)象主要為電機(jī)抖動(dòng)的狀態(tài).

表1 勻速、直線加速度、S曲線加速度控制電機(jī)的現(xiàn)象比較

從表1可知:使用勻速控制時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)抖動(dòng)厲害，勻速最大脈沖頻率為5 kHz，超過該頻率，電機(jī)就出現(xiàn)“丟步”的現(xiàn)象；使用直線加速度，電機(jī)啟動(dòng)比勻速控制時(shí)抖動(dòng)較小，但仍然有抖動(dòng)，勻速最大脈沖頻率為7.14 kHz；使用S曲線加速度控制，電機(jī)啟動(dòng)無抖動(dòng)，勻速最大脈沖頻率為7.26 kHz.可以發(fā)現(xiàn)，步進(jìn)電機(jī)在升降速過程中，脈沖頻率的變化不合理，就會(huì)使電機(jī)失步或者過沖，使系統(tǒng)無法做到精確定位，而在實(shí)驗(yàn)中，利用S曲線算法的目的就是克服不同程度的加減速突變，保證在啟動(dòng)和升速時(shí)，步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生足夠的轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)負(fù)載，能達(dá)到規(guī)定的速度和加速度，以及在降速時(shí)負(fù)載不產(chǎn)生過沖，能停止在規(guī)劃的位置.考慮到抖動(dòng)對(duì)電機(jī)、儀器使用壽命等的損害，選用S曲線加速度控制效果更好.雙軌行進(jìn)控制比單軌行進(jìn)控制提速一倍以上，有效地節(jié)省測(cè)試時(shí)間，提高了自動(dòng)化控制效率.

[1] 彭?xiàng)?淺談原子吸收分光光度計(jì)[J].大眾標(biāo)準(zhǔn)化,2010，4(S1):63-65.

[2] 于紅梅,王超.國產(chǎn)原子吸收光譜儀器的發(fā)展現(xiàn)狀及新趨勢(shì)[J].現(xiàn)代科學(xué)儀器,2010，12(6):81-83.

[3] 閉金杰,羅曉曙,丘森輝.基于CAN總線的一體化兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù),2012，5(5):30-32.

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[7] 張碧陶.S曲線加減速控制新算法的研究[J].控制與液壓，2009,37(10):27-29.

Design of Multifunction Integrate Atomizer System

WEI Li-feng1， LUO Yang1， WANG Qing-hui1， LI Yue2， ZHAO You-nan2

(1.Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang 110142, China;2.Shenyang Huaguang Precision Instrument Co.,LTD., Shenyang 110036, China)

Multi-functional integrate atomizer was an important part of the sampling system of atomic absorption spectrophotometer,for device positioning in the optical path to ensure accurate and reliable.In order to integrate the function of five analytical instruments,motor control module and pneumatic control module,which were based on STM32,employed real-time distributed structure for hardware design.The system achieved double-track location by the S-curve algorithm,and gas pressure detection and pneumatic control were designed,ensuring safety of the ventilation.The result shows that the system achieves apparatus switching fast and steady,improving the positioning precision and efficiency.

atomizer； STM32； S-curve； double-track location

2014-08-31

國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)(2014YQ240713)

魏立峰(1962-)，男，浙江紹興人，教授，博士，主要從事智能測(cè)控技術(shù)與裝置的開發(fā)與研制.

2095-2198(2015)04-0353-05

10.3969/j.issn.2095-2198.2015.04.012

TP23

A