電化學(xué)檢測用雙電機(jī)工作臺控制器的設(shè)計(jì)

劉繼倫　陳建威

摘 要：本文設(shè)計(jì)了一種可用于電化學(xué)檢測的雙電機(jī)工作臺控制器。它采用單片機(jī)閉環(huán)PWM控制，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)和實(shí)時(shí)顯示、電極自動升降等功能，可對檢測樣品特別是毒性樣品進(jìn)行無污染、無攪拌旋轉(zhuǎn)。該系統(tǒng)具有程序控制、操作簡便和不需要人工攪拌的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：電化學(xué)檢測;單片機(jī);電機(jī)控制

中圖分類號：TH742 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）32-0061-03

Control?System?of?Two?Motors?for?Electrochemical?Detection

LIU?Jilun CHEN?Jianwei

（Zhengzhou?University?of?Aeronautics，Zhengzhou?Henan?450046）

Abstract：?This?paper?designed?a?dual?motor?table?controller?that?could?be?used?for?electrochemical?detection.?It?adopts?closed-loop?PWM?control?of?single-chip?microcomputer，?realizes?the?functions?of?continuously?adjustable?rotor?speed?and?real-time?display，?automatic?electrode?lifting?and?so?on，?and?can?perform?non-polluting?and?non-stirring?rotation?on?test?samples，?especially?toxic?samples.?The?system?is?characterized?by?program?control，?easy?operation?and?no?need?for?manual?mixing.

Keywords：?electrochemical?detection;single?chip?microcomputer;motor?control

電化學(xué)測試儀器是電化學(xué)檢測試驗(yàn)中的主要設(shè)備，廣泛應(yīng)用于化工、醫(yī)藥、食品、環(huán)保等領(lǐng)域。電解池體系構(gòu)成了電化學(xué)測試儀器的反饋回路，正確設(shè)計(jì)電解池體系十分重要[1]。電解池體系主要由電極、電解池、攪拌機(jī)構(gòu)構(gòu)成。攪拌溶液時(shí)，人們可以采用手動操作，也可以用磁力攪拌器攪拌或者電機(jī)帶動燒杯旋轉(zhuǎn)。手工操作時(shí)，采用手動方式晃動燒杯，然后通過測試電極來測試，這種方式需要手工操作，還可能導(dǎo)致攪拌不均勻[2]。磁力攪拌器可以自動攪拌樣品溶液，簡化操作過程[3]，而攪拌子的存在會影響檢測精度。通過電極帶動燒杯自動旋轉(zhuǎn)的方法可以實(shí)現(xiàn)均勻攪拌[4]，卻無法與電極架協(xié)調(diào)動作。

針對以上問題，本文設(shè)計(jì)并研制了一種基于單片機(jī)的雙電機(jī)工作臺控制器。該控制器通過PWM閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)、轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)顯示、電極自動升降等功能。該控制器的優(yōu)點(diǎn)是檢測電解池樣品特別是有毒化學(xué)溶液時(shí)，操作過程無污染、無攪拌旋轉(zhuǎn)，不需要人工攪拌，應(yīng)用價(jià)值較高。

1 硬件設(shè)計(jì)

雙電機(jī)工作臺控制器總體硬件電路由轉(zhuǎn)杯電機(jī)控制電路、電機(jī)測速電路、電極架電機(jī)控制電路、單片機(jī)系統(tǒng)電路、顯示和鍵盤電路、電源電路等部分組成。硬件框圖如圖1所示。單片機(jī)接收測速信號并計(jì)算轉(zhuǎn)速，對轉(zhuǎn)杯電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行閉環(huán)控制，對電極架電機(jī)進(jìn)行升降控制，掃描鍵盤鍵碼并按鍵中斷程序，分時(shí)顯示實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速和設(shè)定轉(zhuǎn)速。

1.1 轉(zhuǎn)杯電機(jī)控制電路

工作臺上的旋轉(zhuǎn)杯由直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動旋轉(zhuǎn)。電機(jī)控制回路采用9V電源，單片機(jī)系統(tǒng)采用5V電源，如圖2所示。

CW317三端穩(wěn)壓器、電位器組成電壓可調(diào)穩(wěn)壓電路，為電機(jī)供電。CW317的輸出端接至直流電機(jī)M+端。單片機(jī)MCU發(fā)出PWM轉(zhuǎn)速控制信號，通過TLP512光電耦合隔離器，再經(jīng)過8050三極管放大電路后，接至直流電機(jī)的M-端，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)速度的實(shí)時(shí)控制。

霍爾元件將檢測到的轉(zhuǎn)速脈沖信號通過緩沖器7406分為兩路傳輸，一路傳送到單片機(jī)的INT0中斷輸入端，由單片機(jī)計(jì)算轉(zhuǎn)速并進(jìn)行速度控制，另一路傳送給LED轉(zhuǎn)速指示燈?；魻栐ㄟ^反饋電路將檢測到的電機(jī)轉(zhuǎn)速信息反饋給單片機(jī)，單片機(jī)計(jì)算轉(zhuǎn)速并與設(shè)定轉(zhuǎn)速比較后，輸出PWM轉(zhuǎn)速調(diào)整信號使得電機(jī)運(yùn)行在設(shè)定轉(zhuǎn)速左右，實(shí)現(xiàn)了PWM電機(jī)轉(zhuǎn)速控制。此外，為了方便系統(tǒng)調(diào)試，設(shè)計(jì)了電位器PH，電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速可通過電位器手動調(diào)節(jié)。

1.2 電極架電機(jī)控制電路

工作臺上的電極架通過螺桿和減速電機(jī)相連，控制減速電機(jī)的正反轉(zhuǎn)可以實(shí)現(xiàn)電極架上下運(yùn)動。調(diào)換電機(jī)的兩個接線端，就可改變減速電機(jī)的轉(zhuǎn)向。本系統(tǒng)中，MCU發(fā)出電極架升降控制信號，控制兩個繼電器交替動作，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)向的切換。電極架控制電路采用9V電源供電，還采用光電耦合電路和三極管放大電路，以增強(qiáng)驅(qū)動能力。電極架電機(jī)控制電路如圖3所示。

1.3 單片機(jī)系統(tǒng)電路

采用89C52單片機(jī)作為主控制器。此單片機(jī)共有40個引腳，其中包括電源引腳、時(shí)鐘電路、復(fù)位控制等的輸入端。P0、P1、P2口的輸入輸出引腳作為I/O口使用，P3口使用第二功能，10、11引腳為串行數(shù)據(jù)的輸入輸出口，12、13引腳作為外部中斷輸入口，14、15引腳作為定時(shí)器外部輸入口，16、17作為外部存儲器讀寫控制口[5]。

電源由31引腳通過R1上拉電阻向單片機(jī)提供穩(wěn)定電壓。18、19引腳外接12M晶振，9引腳作為系統(tǒng)的復(fù)位端;12、13引腳為中斷引腳，電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋以及電機(jī)速度的調(diào)節(jié)輸入信號端;36、37、38、39引腳作為顯示板的控制信號端，經(jīng)譯碼器譯碼后，由7段LED數(shù)碼顯示器顯示電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速和設(shè)定轉(zhuǎn)速;32、33、34、35引腳作為4位LED顯示器的數(shù)據(jù)輸出端，分別根據(jù)MCU所輸出的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示;21、22引腳作為電極架電機(jī)升降信號輸出端。23引腳輸出為控制轉(zhuǎn)杯電機(jī)轉(zhuǎn)速的PWM信號;24、25引腳為電極架升降的狀態(tài)信號;1、2、3、4引腳作為鍵盤輸入端，接收鍵盤的輸入信號。

1.4 鍵盤和顯示電路

1.4.1 鍵盤電路。它由74LS08邏輯門電路構(gòu)成，共有電極架升降、加速、減速、旋轉(zhuǎn)杯電機(jī)啟停、復(fù)位五個按鈕。除復(fù)位鍵外，其余4個按鍵產(chǎn)生中斷，由中斷程序判斷鍵碼后進(jìn)行相應(yīng)的操作。

1.4.2 轉(zhuǎn)速顯示。顯示電路由譯碼器和4個七段LED數(shù)碼管組成[6]，簡化了程序設(shè)計(jì)。由程序控制分時(shí)顯示直流電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速和設(shè)定轉(zhuǎn)速。

1.4.3 工作狀態(tài)顯示。4個LED指示燈用于顯示工作臺運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)。分別是電極架“高”位指示、電極架“低”位指示、轉(zhuǎn)杯電機(jī)運(yùn)行指示和停止指示。

2 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)工作臺系統(tǒng)各項(xiàng)功能的關(guān)鍵。軟件程序采用C語言編程，主要包括：主程序、PWM控制子程序、鍵盤輸入外部中斷子程序、加速調(diào)整子程序、減速調(diào)整子程序、自動運(yùn)行子程序和電極架升降子程序等。

主程序流程如圖4所示，包含端口初始化、中斷初始化、定時(shí)器初始化、電極架位置初始化和鍵盤掃描顯示等。

外部中斷1服務(wù)子程序用于響應(yīng)鍵盤輸入信號，并進(jìn)入相應(yīng)的鍵盤處理子程序（見圖5）。當(dāng)加速鍵或減速鍵有效時(shí)，轉(zhuǎn)速顯示值連續(xù)增加或減小，停止按動，顯示當(dāng)前設(shè)定值。按自動運(yùn)行鍵時(shí)，轉(zhuǎn)杯開始旋轉(zhuǎn)，再次按動時(shí)，停止轉(zhuǎn)動。電極架升降鍵有效時(shí)，電極架升至高位或降至低位。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)以上設(shè)計(jì)方案，本研究研制了雙電機(jī)工作臺系統(tǒng)，如圖6所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，PWM直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制運(yùn)行正常，電極架電機(jī)能夠按照設(shè)定程序可靠運(yùn)行，各指示燈的狀態(tài)正常。當(dāng)轉(zhuǎn)速在200～1?500r/min時(shí)，轉(zhuǎn)速誤差很小，能夠滿足電化學(xué)檢測需要。試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，由于該轉(zhuǎn)杯電機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩較小，當(dāng)設(shè)定轉(zhuǎn)速過?。?lt;200r/min）時(shí)，啟動轉(zhuǎn)速有一定的死區(qū)。人們可以選取功率較大的電機(jī)，消除該問題。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)研制的電化學(xué)檢測用雙電機(jī)工作臺控制器，采用PWM閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)速可調(diào)并實(shí)時(shí)顯示、電極自動升降等功能，可以對電化學(xué)檢測樣品進(jìn)行無污染、無攪拌旋轉(zhuǎn)。系統(tǒng)采用程序控制，操作簡便，不需要人工攪拌，可滿足環(huán)境化學(xué)、生物醫(yī)藥類企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)、高等院校的有關(guān)電化學(xué)檢測試驗(yàn)的需要。

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