基于單片機(jī)微量液體定量定程注入系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

白志青

（安徽工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 淮南 232001）

0 引言

在生物、醫(yī)療、化工等領(lǐng)域注射液體時(shí)，有時(shí)需要對(duì)液體進(jìn)行精確、微量、均勻、持續(xù)的注入。傳統(tǒng)的注入方法一般由工作人員注射，由于不同工作人員的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)存在差異，很難保證注射時(shí)液體的定量均勻，精度也難以達(dá)到微升和毫升量級(jí)，當(dāng)誤差稍大時(shí)，會(huì)直接影響注射效果，增大操作難度。為達(dá)到注射要求，設(shè)計(jì)了一款微量液體定量定程注入控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，能夠?qū)y(cè)試液進(jìn)行高精度的定量定程控制，可以滿足工作需求。

1 微量液體定量定程注入系統(tǒng)的外部結(jié)構(gòu)

微量液體定量定程注入控制系統(tǒng)的外部結(jié)構(gòu)主要由活動(dòng)推板、基座、絲杠螺母、絲杠、諧波減速器、步進(jìn)電機(jī)、螺旋測(cè)微桿、單片機(jī)、顯示屏和固定板夾等構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 微量液體定量定程注入系統(tǒng)的外部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 External structure diagram of quantitative and scheduled liquid injection system

正常工作時(shí)，單片機(jī)發(fā)出控制脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)諧波減速器帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)［1］，在絲杠螺母的作用下，活動(dòng)推板直線運(yùn)動(dòng)，從而推動(dòng)注射柱塞直線滑移。通過(guò)改變脈沖的順序，可改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，從而實(shí)現(xiàn)針管內(nèi)液體的排出與吸入［2］。

2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

微量液體定量定程注入控制系統(tǒng)采用單片機(jī)控制技術(shù)，利用單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)細(xì)分，將步進(jìn)電機(jī)的固有步距角細(xì)分成若干小步，即產(chǎn)生極小的角位移量，實(shí)現(xiàn)高精度定位［3］。此外，還在步進(jìn)電機(jī)的輸出端增加了一個(gè)微型的諧波減速器，使得角位移量進(jìn)一步微量化，可以精確地控制微小角位移量，從而實(shí)現(xiàn)微量的直線進(jìn)給量；通過(guò)螺旋測(cè)微桿達(dá)到精確控制柱塞的目的，使液體微量注入，完成液體微量定量定程的進(jìn)給注射，所產(chǎn)生的誤差幾乎為零。定量定程注入控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

單片機(jī)每產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電路就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸按照設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定步距角（角位移），通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)控制角位移量，從而實(shí)現(xiàn)高精度定位的目的［4］。諧波減速器使得步距角更加穩(wěn)定微量化，產(chǎn)生的步距角（角位移）會(huì)在顯示屏上實(shí)時(shí)顯示。另外，通過(guò)單片機(jī)還可以對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)細(xì)分，將步進(jìn)電機(jī)固有的步距角細(xì)分成若干小步，即產(chǎn)生極小的角位移量，進(jìn)而達(dá)到定量定程的控制；螺旋測(cè)微桿內(nèi)有測(cè)量距離的傳感器，可記錄測(cè)微螺桿的移動(dòng)量，然后反饋給單片機(jī)計(jì)算出液體的排出量，并通過(guò)顯示屏實(shí)時(shí)進(jìn)行顯示。

圖2 定量定程注入控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware structure diagram of the control system

2.1 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)單元設(shè)計(jì)

單片機(jī)采用高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾能力的STC 系列的STC12C5A60S2，該單片機(jī)在同樣晶振的情況下，速度是傳統(tǒng)8051 系列單片機(jī)的8 ～12 倍，并且指令代碼與傳統(tǒng)8051 完全兼容。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路選用高耐壓、大電流達(dá)林頓晶體管陣列的ULN2003A 作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，具有高電流增益、高工作電壓、寬溫度范圍、強(qiáng)負(fù)載能力等特點(diǎn)［5］。利用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)電路設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 步進(jìn)電機(jī)控制演示圖Fig.3 Diagram of stepper motor control

按下KP，步進(jìn)電機(jī)順時(shí)針正轉(zhuǎn)，絲桿前進(jìn)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)活動(dòng)推桿使液體注入；按下KN，步進(jìn)電機(jī)逆時(shí)針?lè)崔D(zhuǎn)，絲桿后退旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)活動(dòng)推桿使液體吸入針管。

步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)采用單片機(jī)控制的電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)。單片機(jī)STC12C5A60S2 發(fā)出細(xì)分量化控制電壓信號(hào)［6］，經(jīng)過(guò)D/A 轉(zhuǎn)換器得到模擬信號(hào)，與三角波發(fā)生器發(fā)出的三角信號(hào)進(jìn)行比較，形成PWM 控制信號(hào)，輸入到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器ULN2003A 中，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)。其結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)框圖Fig.4 Block diagram of driving and segmenting for stepper motor

2.2 諧波減速器

諧波減速器具有體積小、重量輕、承載能力高、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)精度高等優(yōu)點(diǎn)，與普通減速器相比，是一種高端精密減速器。諧波減速器是通過(guò)柔輪的彈性形變而帶動(dòng)剛輪傳動(dòng)，是以一種少齒傳動(dòng)的方式工作。柔輪、剛輪、波發(fā)生器3 個(gè)部件中，其中前面2 個(gè)輪為主動(dòng)，后面的為從動(dòng)。該設(shè)計(jì)中的微型諧波減速器可使得步進(jìn)電機(jī)輸出的角位移量進(jìn)一步微量化，可以精確地控制微小角位移量，從而實(shí)現(xiàn)微量的直線進(jìn)給量。

2.3 螺旋測(cè)微桿

本系統(tǒng)中螺旋測(cè)微桿在上述諧波減速器輸出微量化角位移量的同時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的角位移量，通過(guò)轉(zhuǎn)換得到精確的直線進(jìn)給量。因此，通過(guò)螺旋測(cè)微桿達(dá)到精確控制柱塞的目的，使液體小微量注入，完成液體微量定量定程的進(jìn)給注射，所產(chǎn)生的誤差幾乎為零。

2.4 電源模塊

電源模塊采用7805 穩(wěn)壓器，將交流220 V 電源經(jīng)過(guò)變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓，得到+ 5 V 的直流電，其硬件結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

3 軟件流程設(shè)計(jì)

選用Proteus 以及Keil4 軟件對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行仿真和調(diào)試。利用單片機(jī)控制液體的輸入量精確給定，程序流程如圖6 所示。

圖6 單片機(jī)軟件流程圖Fig.6 Software flow chart of single chip microcomputer

單片機(jī)的工作流程如下：上電后，系統(tǒng)進(jìn)入初始化，完成初始設(shè)置與清零；基于工作狀態(tài)給定精確的液體輸入量數(shù)字信號(hào)，啟動(dòng)按鈕動(dòng)作后，實(shí)現(xiàn)微量的直線進(jìn)給，液體開(kāi)始緩慢注入，依據(jù)螺旋測(cè)微桿的反饋值，完成液體輸入，返回按鈕動(dòng)作，系統(tǒng)完成工作。

4 結(jié)語(yǔ)

基于單片機(jī)微量液體定量定程注入系統(tǒng)主要應(yīng)用于生物、醫(yī)療、化工等領(lǐng)域的微量液體定量定程的注入，一次排出的液體可以精確到毫升級(jí)，能進(jìn)行精確的量化控制。其特點(diǎn)如下：

1）包含的零部件較少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，成本低；

2）采用單片機(jī)控制技術(shù)，確保了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性；

3）以步進(jìn)電機(jī)為動(dòng)力源，步進(jìn)電機(jī)具有瞬間啟動(dòng)和急速停止的特性，控制性能好、轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定、誤差小，并且誤差不累積，容易實(shí)現(xiàn)定量定程控制；

4）在步進(jìn)電機(jī)的輸出端增加了一個(gè)諧波減速器，使得角位移量進(jìn)一步微量化；

5）螺旋測(cè)微桿可以精確控制微小的角位移量，從而產(chǎn)生微量的直線進(jìn)給量。

綜上所述，該系統(tǒng)能夠?qū)ψ⑸淦鲀?nèi)的液體進(jìn)行精確的定量定程控制，可以滿足實(shí)際工作需求。