基于3D打印機控制結構的自動進樣器系統(tǒng)設計

郭孔躍,馬興錄,孫燕芹

(青島科技大學 信息科學技術學院，山東 青島 266061)

基于3D打印機控制結構的自動進樣器系統(tǒng)設計

郭孔躍,馬興錄,孫燕芹

(青島科技大學 信息科學技術學院，山東 青島 266061)

自動進樣器現(xiàn)已大量應用于分析用儀器設備中;為了實現(xiàn)更快速、高效、智能化的進樣，在傳統(tǒng)進樣器基礎上設計了一種基于3D打印機控制技術的液相自動進樣器控制系統(tǒng);設計將三軸聯(lián)動技術應用于進樣器瓶號定位，電機加減速的S形曲線優(yōu)化方案確保針架起停的穩(wěn)定性和定位的精度;觸摸屏的添加，可將進樣器單獨使用，增強了人機交互能力，同時還支持485聯(lián)機通訊離子色譜儀等專用分析儀器，操作的詳細提示也可杜絕用戶誤操作;驅動電路方面采用雙極型電機專用控制芯片DRV8825，改進系統(tǒng)的整體結構與組成，優(yōu)化主控與驅動電路的控制設計;進樣器具有結構簡單，操作方便，應用面廣，自動化和智能化程度高，制造與維護成本低等優(yōu)點;實際應用測試表明，該系統(tǒng)擁有良好的穩(wěn)定性，系統(tǒng)整體性能大大提高，滿足了設計需求，達到了設計要求。

自動進樣器；色譜分析；3D打印；步進電機

0 引言

隨著科研和生產技術的不斷飛速發(fā)展，人們對于樣品分析儀器的自動化要求也在不斷提高，在樣品數(shù)量、分析周期、數(shù)據準確性、降低工作成本和提高工作效率等方面都提出了更高的要求和標準。自動進樣器以其快速連續(xù)自動進樣、無需人員值守、工作效率高和操作成本低等明顯優(yōu)勢，越來越多地應用在自動化分析儀器中[1]。目前絕大多數(shù)中低端自動進樣器可以完成簡單的自動進樣和針頭、管路的清洗等功能。樣品的前期處理，包括自動配樣、稀釋等仍需要人工來完成。高端自動進樣器則存在成本過高的問題，影響了智能化自動進樣器的推廣。

本設計從自動進樣器的結構化、模塊化方向出發(fā)，參考3D打印機控制結構的X、Y、Z三軸聯(lián)動技術，設計完成了一款簡單實用，多樣品位，可靠工作的低成本液體自動進樣器。系統(tǒng)除實現(xiàn)最基本的進樣和清洗功能外，還增加自動樣品稀釋、自動配置標樣、增添人機交互界面等功能，使得進樣器更加自動化和智能化，功能更加全面。系統(tǒng)的硬件設計重點放在結構和功能的優(yōu)化及可靠性控制上，實現(xiàn)高精度的定量取樣和定量稀釋等工作，滿足樣品分析時的高精度要求。

1 系統(tǒng)總體結構

參照3D打印機的控制結構，本設計使用3個步進電機分別實現(xiàn)針頭在X、Y、Z三個方向上的精準移動，并在3個方向的兩端都安裝光電限位開關，確保移動位置的安全可控。電機選擇兩相混合式42步進電機，特點是輸出力矩大、步距角小、動態(tài)性能良好等。系統(tǒng)整體結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結構圖

X與Y軸方向的運動，系統(tǒng)通過同步帶傳動，Z軸方向則通過絲杠來實現(xiàn)。由于樣品數(shù)目過多，設計用兩個托盤來放置樣品瓶，用戶也可設定單獨使用任意一個樣品托盤。標樣瓶的位置單獨位于兩樣品托盤中間，方便用于單個樣品進樣或標樣的制作。

每個樣品抽取之前和抽取完成后都需要對針頭及管路進行清洗，且清洗次數(shù)隨著待檢測樣品的增多而不斷增加。綜合考慮整體效率和樣品數(shù)目，系統(tǒng)將清洗針頭和管路的清洗位置單獨設立并放置于2個樣品盤的中間。系統(tǒng)單獨設定清洗位置，方便廢液的集中處理也大大加快了系統(tǒng)的整體效率。

2 系統(tǒng)控制與系統(tǒng)組成

本設計采用單片機加驅動器的設計思路。步進電機、電磁閥等設備對整個控制板電磁信號的干擾大，系統(tǒng)出于安全穩(wěn)定性考慮，在主控芯片與外圍設備間加光耦進行隔離，既不影響信號的傳遞同時也可以隔絕外圍設備對主控芯片的干擾。系統(tǒng)控制結構如圖2(虛線框中僅畫出了一組電機的驅動組合)。

圖2 控制結構圖

系統(tǒng)工作時，主控芯片根據需求和光電開關反饋的信號，控制電機驅動模塊。電機驅動模塊則驅動電機按指定方向移動特定步數(shù)，步進電機將外部接收到的電磁脈沖信號轉變?yōu)橄鄳慕俏灰?，實現(xiàn)步進電機的精確定位，其中脈沖個數(shù)和脈沖頻率的準確控制是關鍵。

由于要實現(xiàn)復雜的沖洗管路、配樣、稀釋等操作，設計需要用電磁閥來切換管路，還需要注射泵提供液體流動動力。

主控芯片使用STC公司生產的STC12C5A60S2，是單時鐘/機器周期的單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機，但速度快8-12倍，且適合強干擾場合的電機控制。芯片本身自帶EEPROM，可以存儲用戶的設置數(shù)據，4個高精度16位定時器則完全滿足設計的定時需求[2]。雙串口的設計則滿足了系統(tǒng)外加觸摸屏的需求，串口0用作系統(tǒng)與外部PC間的通信，串口1則作為與觸摸屏的通信。

此外，芯片的外部低壓檢測引腳不作為第二復位功能時，可以作為外部低壓檢測中斷。一旦電源電壓過低，系統(tǒng)則立即進行現(xiàn)場數(shù)據的保存工作，以應對斷電當前位置數(shù)據的丟失現(xiàn)象。低壓檢測模塊可實現(xiàn)斷電現(xiàn)場信息的保存，為設備通電繼續(xù)完成后續(xù)工作提供硬件支持。

系統(tǒng)選用迪文的DMT48270C043_02W屏幕作為系統(tǒng)液晶顯示模塊。該屏幕4.3英寸，480×272像素，支持串口通訊，使用新的指令架構，集成大量功能于屏幕內部處理，自帶ROM存儲器，用戶只需存儲圖片和配置文件后即可使用，與外部處理器交互也只需5種指令集[3]。無操作系統(tǒng)的項目研發(fā)中，該款觸摸屏大大降低用戶界面編程的復雜度，節(jié)省研發(fā)時間。

注射泵選定保定蘭格的MSP1-C2工業(yè)注射泵。該泵結構緊湊，是用于精密流體傳輸?shù)腛EM產品，此外，該泵控制簡單，精度高，效率快，可搭配各種分配閥。通訊方面則選用485通訊格式，這樣既可滿足觸摸屏的控制也可實現(xiàn)上位機對該泵的單獨控制。

光電開關主要用作進樣器初始化位置的確定，和電機移動距離的安全限制。光電開關利用被檢測物對光束的遮擋或反射來檢測物體[4]。受所處環(huán)境的限制，光電開關易受到外界環(huán)境的干擾而檢測失誤。系統(tǒng)設計時將光耦隔離后的信號先經過施密特觸發(fā)器。利用施密特觸發(fā)器的兩個高低不同閾值電壓，增加了信號源的穩(wěn)定性和抗干擾性，減少了CPU誤判的可能性。

2.1 步進電機驅動控制

進樣器樣品盤中樣品數(shù)目較多，為了提高進樣器效率，不能每次取完樣品后都要校準針頭位置，所以要采用連續(xù)進樣方式。如果每次采樣針頭位置有細微誤差，則這種誤差會逐漸遞增，最終會導致針頭位置完全偏離樣品瓶。為了解決移動精度的問題，一方面要選擇精度高的電機，另一方面要求電機不堵轉、過沖或者失步[5]。

步進電機的堵轉或失步主要發(fā)生在電機的啟動和停止過程中。啟動或加速時如果脈沖變化過快，轉子由于慣性跟不上電信號的變化速度，則會發(fā)生堵轉或失步；同樣道理，停止時如果減速過快則會出現(xiàn)過沖現(xiàn)象。因此，需要在電機的啟動和停止位置附近都進行加減速設計。

通常步進電機升降速曲線主要有階梯行、直線形、指數(shù)形、對數(shù)形和S形等[6]。階梯形和直線形占用CPU時間少，響應速度快，但加減速耗時長，在加速的起始位置和減速的終止位置仍存在電機速度和角加速度的突變，電機運動過程中仍有較大沖擊。指數(shù)形和對數(shù)形曲線速度變化比較平滑，速度變化率不是恒定而是時刻變化的，能較好地適應電機變化的運動狀況。

設計使用S形曲線加減速控制模型，它綜合了指數(shù)和對數(shù)曲線的優(yōu)點，加速開始時使用指數(shù)曲線，接近加速終止時使用對數(shù)曲線，這樣便很好地解決了指數(shù)曲線低頻升速太快和對數(shù)曲線高頻降速太快的問題。S形曲線加速控制如圖3所示。

圖3 步進電機升速運動速度曲線

升速曲線共由三段組成，中間是直線，兩側則是拋物線，為了使電機運行平穩(wěn)，則過渡處函數(shù)的斜率及函數(shù)值應該相等，再利用各曲線段f-t的函數(shù)關系，對f(t)函數(shù)進行積分，則可得到各個線段對應的控制脈沖數(shù)。最后利用牛頓迭代法求解第n個脈沖的時刻。

步進電機高速運行時，相鄰脈沖間時間間隔短，處理器不能實時完成迭代運算。因此，實際使用時需要將各個離散點速度所需要的定時值事先固化到ROM中，系統(tǒng)運行時用查表法查出所需要的裝載值，減少CPU的運算時間，提高系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性。同樣道理，電機的減速階段，則仍可逆序調用該表，實現(xiàn)電機的S形曲線減速[7]。

驅動芯片的選擇上，選擇3D打印機常用的DRV8825驅動芯片。DRV8825芯片是德州儀器(TI)為打印機、掃描儀和其他自動化設備設計的集成電機驅動芯片。該芯片控制簡單，占用PCB空間小，可驅動一個雙極型電機，承受2.5A的峰值電流(24 V、25℃應用環(huán)境下)，集成了2個H橋電路，最小可實現(xiàn)1/32的細分，滿足電機控制的精度要求。此外，芯片還集成了快速響應的過熱、短路、欠壓及交叉?zhèn)鲗ПＷo等功能電路，完全滿足設計的需求[8]。

2.2 注射泵及電磁閥控制

注射泵作為液體流動的動力來源，是本設計不可或缺的。注射泵的使用要考慮到進樣殘留、進樣速度和進樣重現(xiàn)性等問題，此外還要考慮到與系統(tǒng)的通信問題。

注射泵作為一個獨立的器件，系統(tǒng)只能按照其原有的協(xié)議控制，這就減弱了整個系統(tǒng)的連貫性控制，系統(tǒng)無法完全掌控注射泵的實時狀態(tài)。出于系統(tǒng)安全性考慮，本設計需要實時查詢泵狀態(tài)，并根據反饋信息情況作出相應的處理。實時查詢對于單片機而言需要用額外的定時器來完成，系統(tǒng)每隔1s查詢一次注射泵的狀態(tài)，并根據注射泵的推桿位置來確定注射泵的運動狀態(tài)。

電磁閥是通過通電線圈產生的磁力來開啟和關閉閥門，為了保證開啟狀態(tài)的穩(wěn)定性，需要一直通電控制。設計中電磁閥使用24 V的通電電壓，使得電磁閥的發(fā)熱情況不容忽視，如果長時間導通則極易使其燒毀。為此，系統(tǒng)借鑒PWM(脈沖寬度調制)的控制原理，對該電磁閥加載PWM波控制的通斷電壓，從而實現(xiàn)電磁閥發(fā)熱量合適下的通路穩(wěn)定性。設計電路圖如圖4。

圖4 電磁閥電路設計圖

3 控制系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件的設計需要兼顧效率與安全，在滿足系統(tǒng)功能的前提下盡可能地增加安全措施，減少用戶誤操作的可能性。系統(tǒng)初始化主要完成CPU硬件初始化、讀取存儲的電機糾偏量等配置參數(shù)、控制電機移動到初始位置和LCD顯示初始化等操作。主循環(huán)程序負責檢測串口通訊數(shù)據并及時作出回應，同時完成步進電機、電磁閥、注射泵等的控制，主程序流程如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

出于安全考慮，進樣器控制Z軸運動的中斷優(yōu)先級最高。在扎針或抬針過程中，進樣器不能同時移動到其它瓶號位置，保證針頭的安全性和防止用戶的誤操作。同樣道理，每次用戶發(fā)送的移動針頭命令均有隱含的針架抬起命令。

為了減輕單片機處理數(shù)據壓力，設計將觸摸按鈕等體現(xiàn)觸摸位置的因素提前處理后存儲到觸摸屏本身自帶的存儲器中。為了達到良好的按壓視覺效果，同樣將按鈕按壓效果做成配置文件并存儲，觸摸屏與單片機之間只需收發(fā)控制命令而無需數(shù)據交流。

考慮到使用人員對該儀器的靈活配置，本設計對功能進行了充分細化。用戶主界面主要分樣品模式、標樣模式、系統(tǒng)維護、系統(tǒng)設置等幾部分，各模塊分別引導用戶完成特定的功能。主界面如圖6所示。

圖6 觸摸屏主界面

樣品模式可實現(xiàn)與離子色譜儀等分析儀器的配套使用。設定基本參數(shù)后可與任何分析儀器實現(xiàn)無縫連接，自動完成清洗進樣等功能，且過程進度可在屏幕底部狀態(tài)欄顯示。為了滿足用戶對樣品的不同稀釋比例需求，軟件可選定稀釋比例。不同注射泵體積不同，用戶選定稀釋比例后軟件自動限定進樣量，并將具體范圍限定顯示出來，方便用戶替換使用不同容積的注射泵。

為了滿足毫升級別的精準進樣量，進樣器液體連通管路中的殘留液體也需要考慮，設計增加了沖樣潤洗過程，該過程是將待測樣品先充滿進樣器到電磁閥的管路，并將其它管路清洗，通過電磁閥的轉換可以實現(xiàn)精準進樣。

標樣模式是系統(tǒng)針對2個樣品盤中間位置處的樣品瓶單獨設定的，可滿足用戶大劑量的樣品進樣、配樣、稀釋等功能要求。該模式下用戶可單獨設定進樣量和稀釋量，滿足用戶大劑量、任意稀釋比例等的需求。

系統(tǒng)維護菜單則可實現(xiàn)用戶的手動操作，可對進樣器所有動作單步控制，包括控制抬針、落針、移動到任意瓶號、注射泵單獨抽取、注射等，大大提高了自動進樣器使用的靈活性和應用性。單步控制還可方便查找故障位置，增強了設備的可維護性。

系統(tǒng)設置界面則主要實現(xiàn)電機速度、落針距離、樣品抽取總量、用戶密碼等的設定，滿足用戶更換注射泵、調整針管長度、位置糾偏等的需求。

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試主要包括系統(tǒng)整體性能和安全性兩方面。測試樣機進行至少6小時連續(xù)定位與進樣，同一個樣品盤中隨著檢測樣品瓶號的遞增，系統(tǒng)定位并未出現(xiàn)明顯的偏差，最末尾瓶號處，針頭偏離中心位置不足1 mm，但扎針位置的可重現(xiàn)性良好，全部為同一針孔。當兩個樣品盤全部樣品都經過測試時，樣品盤定位出現(xiàn)明顯偏差，最末尾瓶號處，針頭偏離中心位置處約2 mm，但同樣可重現(xiàn)性良好，多次測試并未出現(xiàn)第二個針孔，電機運行平穩(wěn)。兩個樣品盤都使用時，樣品檢測總量超過100位，系統(tǒng)為了更快速定位并沒有一瓶一校驗位置，所以累計誤差會在最后一個樣品瓶處達到最大，但2 mm的誤差對于半徑4 mm的瓶蓋屬于可接受范圍，完全滿足定位的精度需求。

其它方面，系統(tǒng)設定自動抽樣、稀釋、混合、進樣等命令后，系統(tǒng)可正常完成全部命令，無漏測樣品，漏運行既定步驟等現(xiàn)象出現(xiàn)。設定的緊急停止按鈕擁有中斷級別最高，實現(xiàn)系統(tǒng)任何運行階段的緊急停止操作。

安全性測試方面，系統(tǒng)對超出最大瓶號的位置做出忽略處理。切斷傳感器后，系統(tǒng)能在超出既定軌道位置后及時停止，保證系統(tǒng)即便機械碰撞后仍能正常工作。

5 結束語

基于3D打印機控制結構的X、Y、Z三軸聯(lián)動技術在雕刻機、3D打印機等領域已經比較成熟，本設計將該控制結構應用于液相自動進樣器中，并根據實際需求改進了系統(tǒng)的軟硬件，設計成本大大降低。使用現(xiàn)有成熟的驅動模塊，省去自行設計的繁瑣，不僅有利于系統(tǒng)調試，還降低了研發(fā)成本，縮短了研發(fā)周期。新型自動進樣器在原有進樣器功能的基礎上增加了自動稀釋、自動配樣等功能，進樣效率等都得到了很好的提高。

與傳統(tǒng)盤式自動進樣器相比，本設計定位精度更高，若配以箱式外觀，則可大大縮小系統(tǒng)整體體積，有效保護針架等精密儀器。

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[2] 宏晶科技. STC 系列單片機器件手冊[Z].宏晶科技，2009.

[3] 周 峰, 朱宗玖. 電動汽車充電樁迪文 DGUS 觸摸屏的實現(xiàn)[J]. 科技視界, 2013 (3): 45-46.

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[8] 吳 迪. 基于 DRV8825 的打印機電機驅動電路設計[J].電子技術與軟件工程, 2013 (11): 62-62.

Design of Automatic Sampler System Based on 3D Printer Control Structure

Guo Kongyue, Ma Xinglu, Sun Yanqin

(School of Information Science and Technology, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 266061, China)

Automatic samplers are now widely used in analytical instruments and equipments. In order to achieve more faster, efficient and intelligent injection, a liquid-phase automatic sampler system designed based on the traditional sampler and 3D printer control technology. Three-axis linkage technology used to position the sampler bottles. The optimization solution of acceleration and deceleration can ensure the stability of needle in the motor starting or stopping process and the positional accuracy. The using of touch screen can make the sampler used alone. It can enhance the capacity of human-computer interaction and can also support the 485 communication with ion chromatography equipments or other special analytical equipments. The operation prompt can prevent the user operation errors. The system used the dedicate control chip DRV8825 designing for bipolar motor as drive circuit. It can improve the overall structure and composition, optimize the control of the master and drive circuit. The sampler has the advantages of simple structure, convenient operation, wide application, high degree of automation and intelligence, low cost of the manufacturing and maintenance. The practical application tests show that the system has good stability. The overall system performance improved greatly, and reached the design requirement.

automatic sampler; chromatographic analysis; 3D printing; stepper motor

2017-02-11；

2017-03-07。

山東省自然科學基金項目(ZR2013FL013)。

郭孔躍(1989-)，男，山東濰坊人，碩士研究生，主要從事嵌入式軟硬件方面的研究。馬興錄(1970-)，男，山東臨沂人，副教授，碩士研究生導師，主要從事嵌入式系統(tǒng)與自動化控制方面的研究。

1671-4598(2017)08-0054-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.08.015

TH864

A