一種自動稱重移液設(shè)備設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐澤楠，劉宇澤，侯雄濤，辛光紅，賈志成

（三亞學(xué)院，海南三亞，572000）

0 引言

隨著生活品質(zhì)得不斷提高，人們對服裝布料的質(zhì)量有了新的要求，布料色牢度是其中重要的一點(diǎn)。在進(jìn)內(nèi)外服裝生產(chǎn)流通中，布料紡織物色牢度檢測都是極為重要的檢測環(huán)節(jié)。隨著全球貿(mào)易一體化進(jìn)程，對色勞度檢測的效率提出了更高的要求。稱重移液是色勞度檢測的重要標(biāo)準(zhǔn)化過程，研究自動化程度高、操作方便、運(yùn)行穩(wěn)定的稱重移液一體化設(shè)備是解決上述問題的重要手段。同時，自動稱重移液設(shè)備還廣泛應(yīng)用于生物制藥、食品加工、液體數(shù)據(jù)檢測。如今市場上常用的移液器都有著各行業(yè)所需的標(biāo)準(zhǔn)，常見的且適用較多工作的移液器有微量移液器、外置活塞移液器、瓶口移液器、手動和電子的連續(xù)移液器、電子滴定器等，本產(chǎn)品是依照國標(biāo)GB 18401色勞度檢測標(biāo)準(zhǔn)研制，可作為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備進(jìn)行市場推廣[1]。

1 總體設(shè)計(jì)與核心器件選型

1.1 總體設(shè)計(jì)方案

圖1所示為自動稱重移液設(shè)備的總體框圖。主控選擇Mage2560單片機(jī)，通過單片機(jī)的三個有效通訊串口分別連接電子天平、工控屏和藍(lán)牙模塊。單片機(jī)傳輸高低電平給四路繼電器控制液泵和電磁閥完成移液定量。驅(qū)動器接收單片機(jī)的脈沖信號控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，使移液臺開始旋轉(zhuǎn)。磁力傳感器檢測移液臺在工作完成后是否準(zhǔn)確歸位，并將信息反饋給單片機(jī)。設(shè)備總體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)自動稱重移液，完成布料紡織物的色牢度檢測[2]。

圖1 自動稱重移液設(shè)備的總體框圖

1.2 任務(wù)流程設(shè)計(jì)

自動稱重移液設(shè)備的工作流程如圖2所示。在設(shè)備接通電源后，將測試布料紡織物放入電子天平進(jìn)行稱重，并將重量信息通過RS232串口傳給Mage2560單片機(jī)，操作人員在工控屏上選擇1：50或100ml移液模式。電磁閥控制移液開關(guān)，通過時間K線調(diào)整方式實(shí)現(xiàn)定量移液。完成一份樣品稱重移液后，移液臺在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)固定角度，進(jìn)入下一份樣品移液程序。移液完成后，磁力傳感器檢測移液臺是否歸位，保證設(shè)備在下次工作時不會出現(xiàn)誤差。

圖2 工作流程圖

1.3 核心器件選型

1.3.1 主控單片機(jī)

Mega2560是采用自帶USB接口的最小系統(tǒng)板，可通過板載5V芯片供電。選擇Mega2560的主要依據(jù)為系統(tǒng)硬件資源需求和穩(wěn)定性。本系統(tǒng)需要3路TTL串口和電子天枰、工控屏、藍(lán)牙模塊通信以及較多的IO口對繼電器、霍爾開關(guān)等器件進(jìn)行邏輯開關(guān)控制。對串口資源要求較高，滿足以上需求的單片機(jī)綜合性價(jià)比來看主要有AVR單片機(jī)、STM32單片機(jī)。最終考慮穩(wěn)定性和已有開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，選擇Mega2560為本系統(tǒng)核心控制芯片[3]。

1.3.2 移液泵選型

液泵是配合電磁閥完成定量移液的核心器件。其選型依據(jù)主要是誤差精度以及可靠性。本系統(tǒng)選用的移液泵其采用BPT耐高溫高強(qiáng)度材料制作而成，堅(jiān)固耐用，適用自各種液體染料，不怕被腐蝕。液泵安裝方式簡單，可以方便的拆卸安裝。該液泵移液誤差小，自帶止逆功能且易于安裝在自動稱重移液設(shè)備上。

1.3.3 電磁閥選型

電磁閥（Electromagnetic valve）是用電磁控制的工業(yè)設(shè)備，設(shè)備中所使用的電磁閥為常閉24V電子開關(guān)電磁控制閥，并加裝了快擰接頭。電磁閥的選型依據(jù)主要考慮了耐腐蝕和快速響應(yīng)。本系統(tǒng)選用的電磁閥功耗4W，100%連續(xù)工作負(fù)載周期，響應(yīng)頻率為300次/分，滿足本次設(shè)計(jì)的誤差要求。接口尺寸為NPT1/4，流體通徑為DN10，工作壓力在0-8.0Bar之間，使用介質(zhì)為水、中性液體，且介質(zhì)溫度在-10℃~80℃之間，電磁閥用丁腈膠，硅膠進(jìn)行密封，最大工作環(huán)境溫度為50℃/55℃，電磁閥的響應(yīng)時間約為25ms[4]。

1.3.4 步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動器選型

本系統(tǒng)選擇57步進(jìn)電機(jī)2.8N配合DM542驅(qū)動板，如圖3所示。步進(jìn)電機(jī)選型依據(jù)主要考慮了輸出扭矩和步進(jìn)誤差。其是驅(qū)動移液臺轉(zhuǎn)動和精確走位的動力輸出器件。

圖3 57步進(jìn)電機(jī)及DM542升級版驅(qū)動器

57步進(jìn)電機(jī)步距角為1.8度，機(jī)身長112mm，出軸長度為21mm，出軸軸徑為8mm，相電流3A，相電阻1.55Ω，相電感6.8mH，扭矩2.8N·m，轉(zhuǎn)動慣量670g·cm2，步距精度5%，在-40℃~+50℃d的環(huán)境溫度下可正常運(yùn)行。DM542驅(qū)動器脈沖信號為3.3V/5V/24V兼容，輸入電壓為DC9~42V可適應(yīng)惡劣的電網(wǎng)環(huán)境。15檔可調(diào)細(xì)分?jǐn)?shù)為400-25600細(xì)分，支持二相步進(jìn)電機(jī)（匹配57步進(jìn)電機(jī)）。其32位DSP處理器運(yùn)算速度高、抗干擾性強(qiáng)、穩(wěn)定耐用[5]。步進(jìn)電機(jī)必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)來使用，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動固定角度，使移液臺完成旋轉(zhuǎn)60°，完成自動稱重移液設(shè)備后續(xù)移液臺旋轉(zhuǎn)，移液分類功能。

1.3.5 工控屏

本系統(tǒng)選用DMT85480C050_07W迪文5寸串口屏。主要考慮到其自帶的UI開發(fā)軟件可較好的支持本系統(tǒng)交互界面設(shè)計(jì)和控制指令傳輸。其配備T5雙核CPU,GUI和OS核均運(yùn)行在250MHz主頻，存儲空間豐富。其內(nèi)置開發(fā)軟件具有較多的功能控件和觸控控件較好的支持復(fù)雜指令和控制流程的開發(fā)。

2 電子系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

自動稱重移液設(shè)備各個模塊共同工作，由工控屏操作實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制其他模塊實(shí)現(xiàn)移液，完成布料紡織物色牢度得檢測。本章將描述每個功能模塊在設(shè)備中如何實(shí)現(xiàn)。Mage2560單片機(jī)有四個通訊串口，正是自動稱重移液設(shè)備所需要的通訊串口數(shù)量，它連接電子天平、工控屏和藍(lán)牙模塊，更好的實(shí)現(xiàn)設(shè)備對于布料紡織物的色牢度檢測。

2.1 電子天平通信控制

電子天平通過RS232串口與Mage2560單片機(jī)建立通信。設(shè)備控制指令如表1。通過控制指令，獲取當(dāng)前重量參數(shù)。該模塊是整個自動稱重移液設(shè)備的重中之重，因?yàn)橹挥袦?zhǔn)確的測量出所測布料紡織物的質(zhì)量，才能進(jìn)行設(shè)備后續(xù)的自動移液過程。

表1 電子天平稱重控制指令表

2.2 移液控制模塊

移液泵和電磁閥通過四路繼電器連接主控單片機(jī)，四路繼電器在原理圖中與主控的電路連接如圖4所示。

圖4 四路繼電器電路連接圖

四路繼電器連接單片機(jī)PC8，PC9兩個I/O口，接收高低電平控制液泵于電磁閥。電磁閥連接液泵與進(jìn)水管，通過精確的時間控制來使電磁閥的開關(guān)控制液泵進(jìn)行移液，液泵的移液量是固定的，所以控制電磁閥開關(guān)時間來精準(zhǔn)確定移液量。設(shè)備裝有泵1和泵2，實(shí)現(xiàn)100ml移液和1：50移液兩種移液方式。液泵在一次工作完成時進(jìn)行排除空氣，并進(jìn)行微調(diào)校準(zhǔn)。其控制指令表如表2所示。

表2 設(shè)備排空氣及校準(zhǔn)控制指令表

四路繼電器兩個通道皆采用高電的觸發(fā)方式接入自動稱重移液設(shè)備中。繼電器的兩個接口分別接電磁閥和移液泵的開關(guān)，通過四路繼電器的特性保證電磁閥和移液泵同時啟動與停止，完成精確的移液輸送液體功能。自動稱重移液設(shè)備中，主控通過驅(qū)動器來控制步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動器連接單片機(jī)的PC7，接收單片機(jī)的脈沖信號來控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動移液臺實(shí)現(xiàn)按份定樣。

在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。而在這種自動稱重移液設(shè)備中設(shè)置的旋轉(zhuǎn)角度，即“步距角”為60°，并通過步進(jìn)電機(jī)來控制移液臺每次旋轉(zhuǎn)60°進(jìn)行移液的分類。所以移液臺每旋轉(zhuǎn)一周可實(shí)現(xiàn)六次定樣移液，即可以實(shí)現(xiàn)按份定樣一次可定樣1-6份。定樣移液的控制指令表如表3所示。

表3 定樣移液控制指令表

步進(jìn)電機(jī)搭配驅(qū)動器接入單片機(jī)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器與控制器的連接如圖5所示，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器與步進(jìn)電機(jī)的連接如圖5。將步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動器連接至單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)接口，將六角銅聯(lián)軸器接在步進(jìn)電機(jī)上，讓步進(jìn)電機(jī)成功帶動移液臺旋轉(zhuǎn)，完成移液臺的分類和接收液體功能。

根據(jù)NPN型霍爾式磁性接近開關(guān)的工作原理，設(shè)計(jì)如圖5傳感器接口電路。傳感器連接單片機(jī)PC6，通過磁性感應(yīng)移液臺是否出現(xiàn)誤差，并將信息反饋給單片機(jī)?；魻柺酱判越咏_關(guān)為磁性感應(yīng)元器件，配合磁力塊將電子秤測出的數(shù)據(jù)以磁感應(yīng)信號接收并轉(zhuǎn)換為電信號傳遞給主控單片機(jī)，來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的檢測與傳輸功能。

圖5 傳感器的電路連接圖

移液模塊整體工作原理可總結(jié)為：單片機(jī)傳輸高低電控制四路繼電器來控制移液泵和電磁閥將液體完成定量輸送；單片機(jī)傳輸脈沖信號給驅(qū)動器，讓步進(jìn)電機(jī)根據(jù)設(shè)置好的“步距角”來驅(qū)動移液臺旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)按份定樣；傳感器檢測移液臺在一次工作完成后是否回正，并反饋給主控單片機(jī)，進(jìn)行對移液臺的微調(diào)。它們一起組成了自動稱重移液設(shè)備的移液模塊，來實(shí)現(xiàn)設(shè)備的移液功能，完成布料紡織物色牢度的檢測。

2.3 人機(jī)交互模塊

工控屏和藍(lán)牙模塊都連接主控單片機(jī)的通訊串口，CN3控制通訊串口連接單片機(jī)PB10、PB11，實(shí)現(xiàn)工控屏對設(shè)備的控制。工控屏接在和單片機(jī)連接的控制通訊串口，工控屏連接配件后接入串口。工控屏有著較大的儲存空間來保證音頻、圖片、文字等的存儲，用來實(shí)現(xiàn)通過工控屏顯示控制自動稱重移液設(shè)備的工作模式設(shè)定和工作進(jìn)程語音播報(bào)功能。

移液方式有兩種，分別是100ml和1：50移液，這兩種方式的設(shè)計(jì)可以讓設(shè)備能更好的實(shí)現(xiàn)布料紡織物的色牢度檢測，無論是大型布料還是小型布料都可以精確的完成檢測，設(shè)備一次工作可以定樣1-6份的工作方式也可通過工控屏操控進(jìn)行按份定樣，在精確定樣移液的的同時還可以大大提高工作效率。工控屏的使用能更清晰的控制設(shè)備完成色牢度檢測，讓設(shè)備操作起來更加簡潔方便，在手動操作工控屏的同時，裝配的語音播報(bào)功能能讓操作人員能更快的上手設(shè)備；設(shè)備還具有屏幕亮度調(diào)節(jié)設(shè)置和自動熄屏功能，讓設(shè)備在不工作時可以熄屏操作時觸屏即可喚醒屏幕，亮度的調(diào)節(jié)還能讓設(shè)備工作更好的適應(yīng)工作環(huán)境。并且自動稱重移液設(shè)備加入藍(lán)牙模塊，可通過藍(lán)牙連接手機(jī)端App實(shí)現(xiàn)控制設(shè)備進(jìn)行色牢度檢測。這樣可以讓設(shè)備有更多的操控方式，避免在工控屏操控出現(xiàn)問題時無法使用設(shè)備。

3 機(jī)械設(shè)計(jì)

機(jī)械設(shè)計(jì)使用Solidworks完成輔助設(shè)計(jì)。自動移液裝置整體外觀如圖6所示。自動稱重移液設(shè)備的移液臺的轉(zhuǎn)動依靠驅(qū)動電機(jī)，由整體外觀可以看到將轉(zhuǎn)盤設(shè)計(jì)成了六等份，通過步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動來完成自動稱重移液設(shè)備一次移液可多達(dá)六次，提高了工作效率。步進(jìn)電機(jī)上方安裝了六角聯(lián)軸器，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤和移液盤的固定和定位。步進(jìn)電機(jī)的安裝位置在移液臺的正下方居中位置，這樣的設(shè)計(jì)可以使得步進(jìn)電機(jī)在工作時可以更加穩(wěn)定的控制移液臺的轉(zhuǎn)動，防止移液臺在轉(zhuǎn)動時角度出現(xiàn)誤差。同時為了移液臺在出現(xiàn)角度誤差時，專門設(shè)計(jì)了磁力傳感器在移液支架和轉(zhuǎn)盤連接處，處于轉(zhuǎn)盤外沿側(cè)，降低了檢測角度誤差，若出現(xiàn)誤差則，磁力傳感器會及時反饋信息，步進(jìn)電機(jī)將調(diào)整角度并回正轉(zhuǎn)盤。

圖6 自動移液裝置整體設(shè)計(jì)圖

4 硬件組裝與調(diào)試

輔助軟件對自動稱重移液設(shè)備的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了該設(shè)備在初想時所具有的功能。經(jīng)過不斷調(diào)試與反復(fù)組裝完成的自動稱重移液設(shè)備的實(shí)物圖。自動稱重移液設(shè)備的實(shí)物和機(jī)械設(shè)計(jì)軟件Solid work仿真的模型基本一致。它的外殼選用的也是耐腐蝕，耐磕碰的材料，符合服裝生產(chǎn)行業(yè)中布料紡織物色牢度檢測設(shè)備的要求。并且在實(shí)物做出來后，實(shí)現(xiàn)了該設(shè)備所具有的全部功能。其優(yōu)良的性能和較低的制造成本符合最初的設(shè)想。

圖7 移液裝置實(shí)物圖及手機(jī)APP界面

在實(shí)物設(shè)計(jì)成功后，對自動稱重移液設(shè)備進(jìn)行了設(shè)備測試。具體測試為將自動稱重移液設(shè)備在適宜的工作環(huán)境下分別進(jìn)行了100ml定樣移液和1：50定樣移液。兩次移液所用的布料和燒杯相同。布料選用同種布料的不同質(zhì)量進(jìn)行測試，燒杯的選擇是500ml容積的統(tǒng)一規(guī)格、品牌的燒杯。為了避免數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大的誤差，將燒杯與布料提前稱重，布料1-4的重量分別是2.00g，3.00g，4.00g，5.00g；燒杯1-6（對應(yīng)設(shè)備可以多達(dá)六份的定樣移液工作）的質(zhì)量分別 為178.00g，181.00g，179.00g，180.00g，181.00g，182.00g。重量精度為0.01g，更加體現(xiàn)設(shè)備工作的數(shù)據(jù)精確度；布料和燒杯的選擇與測量，可以減少設(shè)備在工作時外物的影響，來減少數(shù)據(jù)誤差。

表4是自動稱重移液設(shè)備對布料1-4進(jìn)行6份100ml定樣移液的具體數(shù)據(jù)記錄。由表中數(shù)據(jù)可以看出數(shù)據(jù)的誤差都在±0.4g之內(nèi)。工作時長在1-2分鐘之內(nèi)。自動稱重移液設(shè)備的測試數(shù)據(jù)符合對設(shè)備設(shè)計(jì)的精度需求。

表4 100ml定樣移液數(shù)據(jù)表