智能化液體給定裝置電控系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)方案

(江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫 214000)

0 引言

智能化液體給定裝置是機(jī)電一體化裝置，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，其中圓盤是由減速器和步進(jìn)電機(jī)所帶動(dòng)，在圓盤中存在8個(gè)孔位可分別放置杯子，當(dāng)杯子轉(zhuǎn)到注液頭下部位置時(shí)，此時(shí)會(huì)托起杯子并向杯中注入給定體積的液體，注入量是由水壓電磁閥工作時(shí)間來確定的。該裝置主要涉及軟件設(shè)計(jì)、電子傳感器等多個(gè)領(lǐng)域，本研究主要針對(duì)智能化液體給定裝置電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1 電控系統(tǒng)原理和設(shè)計(jì)

從原理上看，智能化液體給定裝置電控系統(tǒng)是復(fù)雜機(jī)電一體化裝置，主要涉及機(jī)械、硬件、電路、軟件等設(shè)計(jì)。具體整個(gè)系統(tǒng)如圖1所示，主要由單片機(jī)、液體箱、變頻器、AD轉(zhuǎn)換電路、水泵、壓力傳感器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以及電磁閥驅(qū)動(dòng)電路等共同構(gòu)成。在給定方式設(shè)計(jì)中目前存在4種液體給定計(jì)量方式，包括蠕動(dòng)泵給定計(jì)量、容積泵給定計(jì)量、陶瓷活塞給定計(jì)量和時(shí)間壓力法。前2種方式目前已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，而后2種使用較少。在不同容量中采用容積泵給定計(jì)量難度較大，而且很難清洗；采用蠕動(dòng)泵進(jìn)行控制時(shí)精度較低，很容易出現(xiàn)變形磨損，而且很難實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定性；采用陶瓷活塞計(jì)量泵拆卸、計(jì)量調(diào)整不便；相對(duì)來看時(shí)間壓力法是一種比較先進(jìn)的罐裝計(jì)量方式。

圖1 電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

在時(shí)間壓力法即恒壓維持法中共有2種方式，首先可以通過恒壓儲(chǔ)存罐將液體保持在一定范圍的液面高度，即實(shí)現(xiàn)恒壓；其次可以采用變頻器進(jìn)行液體泵轉(zhuǎn)速的控制，通過壓力傳感器進(jìn)行壓力信息采集，并將信號(hào)傳給CPU，由CPU通過計(jì)算處理控制變頻器功率，實(shí)現(xiàn)水泵轉(zhuǎn)速的控制，以實(shí)現(xiàn)壓力恒定。第1種方法實(shí)現(xiàn)比較簡單，但為獲得一定壓力要求液面會(huì)很高，這種裝置很難實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計(jì)，且很難進(jìn)行精度有效控制；第2種方法實(shí)現(xiàn)難度較大，但由于利用變頻器能夠擴(kuò)大壓力的調(diào)節(jié)范圍，且裝置可實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計(jì)，采用閉環(huán)控制方式能夠?qū)崿F(xiàn)給液的精度。

在本研究中從硬件角度來看，使用模塊化設(shè)計(jì)的方式，可將其分為數(shù)據(jù)采集、基本控制、顯示、鍵盤管理、輸出控制、監(jiān)控報(bào)警幾個(gè)單元。具體來看，在基本控制方面選用89s52單片機(jī)為控制核心單元，相比PLC來說具有較快的執(zhí)行速度和可拓展性，且成本較低，尤其對(duì)于一些干擾性較小的工業(yè)領(lǐng)域來說，單片機(jī)具有廣泛的應(yīng)用性。

DSP運(yùn)行速度快，對(duì)于空間儲(chǔ)存要求較高，但同時(shí)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，外部要求高。綜上所述，可以使用單片機(jī)的控制方式作為控制單元，在數(shù)據(jù)采集處理方面可利用回流壓力，并將杯子和重量信號(hào)傳遞給控制單元，之后再由控制原件根據(jù)具體要求完成相應(yīng)操作。

采樣電路包括電子轉(zhuǎn)換傳感器、驅(qū)動(dòng)放大、A/D轉(zhuǎn)換這幾種電路。在壓力傳感器選擇過程中，由于本研究主要基于恒壓狀態(tài)進(jìn)行給定液體的精確控制，回路壓力恒定將影響最終液體給定的準(zhǔn)確度，因此選擇壓力傳感器是十分重要的。

本研究通過比較多種傳感器，結(jié)合廠家參數(shù)，最終選擇的傳感器是由深圳科普研發(fā)的100系列，即擴(kuò)散硅壓力傳感器，該傳感器使用不銹鋼隔離膜片技術(shù)以及硅壓組技術(shù)融合asIc技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)放大輸出壓力變送器。本研究中選擇電阻應(yīng)變稱重傳感器，具體運(yùn)行原理為：基于外部作用力的條件下，彈體會(huì)出現(xiàn)形變，使其粘貼在表面電阻應(yīng)變片，同樣產(chǎn)生變形，當(dāng)其變形后其組織產(chǎn)生變化，經(jīng)測量電路將電阻變化轉(zhuǎn)為電信號(hào)變化，并形成將外力轉(zhuǎn)為電信號(hào)的過程，本研究中選擇了日本ISM這一型號(hào)的稱重傳感器用于設(shè)計(jì)。

在顯示單元方面可用于注射機(jī)，當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)的顯示以及部分參數(shù)顯示，使用戶能夠根據(jù)屏幕獲取更多的參數(shù)信息，目前這一研究還處于初步發(fā)展階段。為能夠降低生產(chǎn)成本和操作難度，采用顯示屏顯示的方式在之后，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作和實(shí)時(shí)顯示，由于本研究采用單片控制的方式，為能夠節(jié)約資源，在顯示位置采用bc7281b。在鍵盤輸入單元方面能夠?yàn)槿藱C(jī)交流提供基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)不同功能選擇和控制輸入，該鍵盤有編碼和非編碼鍵盤，其中編碼鍵盤是由硬件電路完成試點(diǎn)工作，具有良好的可靠性。該鍵盤操作比較簡單，但硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，對(duì)于非編碼鍵盤來說只能提供鍵盤矩陣行列，鍵的識(shí)別將決定最終按鍵讀數(shù)等，需要依靠軟件進(jìn)行完成，因此在硬件設(shè)計(jì)上結(jié)構(gòu)比較簡單，但會(huì)占用較多的CPU時(shí)間。

本研究以單片機(jī)作為核心，由于I/O資源受到限制，依次選擇編碼鍵盤，即bc72818。在輸出控制單元方面，主要包括注液電磁閥、托杯電機(jī)圓盤、轉(zhuǎn)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)這3個(gè)控制單元。具體來看，在注液電磁閥控制過程中可完成注液操作，當(dāng)電磁閥動(dòng)作后會(huì)給指定杯子進(jìn)行液體注射，注液量是由管道壓力以及注射時(shí)間共同決定的，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)客戶的輸入需求，結(jié)合目前管道壓力來確定最終的作業(yè)時(shí)間，并完成準(zhǔn)確給定。為能夠防止電磁閥關(guān)閉打開過程中產(chǎn)生的脈沖信號(hào)影響控制單元，可以選擇直流電磁閥的控制方式，在托杯電氣控制過程中，當(dāng)指定杯子轉(zhuǎn)到某一位置之后，此時(shí)會(huì)托起托杯，并能夠使杯子重量落在稱重傳感器中，可檢測目前杯子的空重量，結(jié)合采回來的樣值作為判斷執(zhí)行多種操作，在圓盤旋轉(zhuǎn)電機(jī)控制過程中可實(shí)現(xiàn)杯子選擇，采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的方式，在圓盤上做好初始標(biāo)記，可以通過霍爾傳感器進(jìn)行初始位的識(shí)別過程，單片機(jī)輸出信號(hào)首先可以控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，再由該電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，完成指定杯子選擇。在監(jiān)控報(bào)警方面，當(dāng)控制量或壓力位置重量超過系統(tǒng)額定限制時(shí)，此時(shí)會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒工作人員進(jìn)行故障處理，此外，安全報(bào)警模塊是和顯示器揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)電路共同構(gòu)成的。

2 效果展示

在本研究中能夠結(jié)合實(shí)際情況，利用單片機(jī)進(jìn)行智能液體給定系統(tǒng)開發(fā)，同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)這種控制系統(tǒng)具有較好的運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性，且易于操作。通過更改程序可實(shí)現(xiàn)不同控制需求，未來將實(shí)現(xiàn)工業(yè)化、高精度生產(chǎn)，具有廣泛市場開發(fā)前景。

在本研究過程中需具備以下功能：首先要求高精度，當(dāng)注液量低于30 mL時(shí)，其誤差范圍低于0.1 mL；當(dāng)主液量高于30 mL低于40 mL時(shí)，其相應(yīng)的誤差范圍在0.1～0.15 mL；當(dāng)注液量高于40 mL時(shí)，其誤差范圍不高于0.2 mL。通過研究，我們獲得注射過程中實(shí)際測量數(shù)據(jù)，表明該裝置具有良好的注液精確度。除高精度之外，還有多種運(yùn)行模式，比如循環(huán)、隔杯、單杯注液等，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)預(yù)警功能，如溢出報(bào)警，即達(dá)到水位下限或上限報(bào)警等；且可采取自動(dòng)開機(jī)校準(zhǔn)，在單杯注液過程中遵循就近原則。

3 結(jié)語

針對(duì)當(dāng)前工業(yè)開發(fā)過程中的需求，設(shè)計(jì)了智能化液體給定裝置，該裝置具有較強(qiáng)的系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，后期操作簡便，而且具有良好的精確度，相信未來該裝置將廣泛應(yīng)用于其他行業(yè)中。