基于C8051F的臺式高速冷凍離心機系統設計與實現*

曾喜良，陳丹桂

（湖南涉外經濟學院，湖南 長沙 410205）

離心機是集機械、電子、制冷、真空、材料等多項技術于一體的樣品分析分離儀器，廣泛應用于生物醫學、石油化工、農業、食品衛生等領域。它借助驅動設備使離心機轉子高速旋轉，利用不同物質在水溶液中因不同的密度、大小和形狀而在離心力場中沉淀速度的差異，實現樣品的分離、精制及純化[1]。從1878年瑞典人DeLava1研制的牛奶分離器至今，離心機歷經低速、高速、超速的變遷。低速離心機最大轉速不超過6 000 r/min，主要用于固液沉降分離，通常直接在室溫下運轉；高速離心機最高轉速可以達到20 000～25 000 r/min，也用于固液沉降分離，一般帶有制冷系統，轉速、溫度和時間都可以嚴格準確地控制；超速離心機轉速在25 000 r/min以上，都裝有真空系統[2]。

本系統針對臺式高速冷凍離心機的性能要求，以C8051F020單片機作為核心處理器，采用模塊化方法對其硬件和軟件進行詳細設計。

1 系統結構

離心機整體結構由主機和附件組成。主機包括機殼、離心室、門蓋、電機、驅動伺服系統、制冷系統、控制系統及操作顯示部分，附件分為轉子和離心管。其邏輯功能結構如圖1所示。

驅動伺服系統負責驅動電機運轉，控制電機的轉速；制冷系統用來降低系統的溫度，通過溫度控制系統確保分離的樣品在一個合適的溫度環境；操作顯示部分用來設置顯示系統的各項參數，包括轉子號、轉速、離心力、溫度、時間及故障提示；轉子識別在啟動低速時識別相應轉子型號，以限制其最高轉速，避免因人為設定錯誤導致轉子超速，造成轉子爆炸事故，保證安全；故障檢測系統是當離心機因設定錯誤或運行中出現故障而進行的檢測提示，并為保護系統正常工作和人身安全采取相應措施；系統控制是離心機的控制中心，負責離心機的各項參數設置和功能設定，管理和控制各個系統的運行情況。

2 硬件設計

臺式高速冷凍離心機的性能要求為：最高轉速為25 000 r/min，轉速控制精度為±50 r/min；時間可選擇 0～99 min；溫度控制范圍為-20℃～+40℃，控制精度為±1℃；可自動識別轉子號，實現 1～9擋升/降速方式。根據這些要求，系統選擇C8051F020單片機為核心處理器，外圍元件包括帶霍爾傳感器的三相無刷直流電機、功率驅動模塊 IGBT（FSBS15CH60F），溫度傳感器 DS18B20、可控硅BT136、霍爾傳感器A3144、液晶顯示屏CA240128A、OMRON輕觸開關及MAX485通信模塊。

2.1 C8051F020

C8051F020單片機是美國Cygnal公司Silicon Labs推出的完全集成的混合信號系統級MCU芯片，具有與MCS-51指令完全兼容的高速、流水線結構的CIP-51內核。它在一個芯片內集成了構成一個單片機數據采集或控制系統所需要的幾乎所有模擬和數字外設及其他功能部件。這些外設部件的高度集成為設計小體積、低功耗、高可靠性和高性能的應用系統提供了方便，也可使系統的整體成本大大降低。JTAG調試和邊界掃描接口可實現全速、非侵入式的系統實時動態調試[3]。

2.2 轉速測量與控制

離心機的分離品質由離心場力直接決定，其動力通常由電動機提供，在轉子不變的情況下可通過調節電動機轉速來控制離心力大小。實際中常用相對離心力RCF（Relative Centrifugal Force）即地心引力的倍數表示[4]：

其中，ω為角速度；n為轉速，單位為r/min；R為離心半徑，單位為 cm；RCF為離心力（場），單位為 g；g為重力加速度 9.8 m/s2。

轉速調節部分是離心機的核心，主要由控制、功率驅動和電機三大要素組成。本系統采用IGBT模塊FSBS15CH60F實現電機功率驅動，外部一端與單片機的PWM（Pulse Width Modulation）信號口相連，通過調節占空比來改變傳輸給電機的有效電壓，實現電機速度控制以及 9擋升降速；另一端 U、V、W引腳與三相電機相連。電路如圖2所示。

三相無刷直流電機的3個霍爾傳感器以120°的電角度分布，單片機通過計算1 s內傳來的脈沖個數p整除3即得到當前電機轉子的轉速[5]：

2.3 溫度測量與控制

單片機將溫度傳感器DS18B20測得的值與設定值比較后，控制可控硅BT136的導通，進而調節電磁閥的開關量，影響壓縮機的制冷度，實現對溫度的控制。電路連接如圖3所示。其中的MOC3041為一種帶有光耦合的雙向可控硅驅動電路，由輸入和輸出兩部分組成，其內部集成了發光二極管、雙向可控硅和過零觸發電路等器件。當單片機的WD_KZ輸出低電平時，MOC3041輸入部分的發光二極管導通，發出足夠強度的紅外光觸發輸出部分以控制可控硅的導通。

2.4 轉子識別

本系統采用反射光編碼識別轉子號[6]。在離心機轉子底部裝上編碼盤，根據轉子編號規則交錯涂上淺色和深色條紋，在其下方對應位置安裝一個光電檢測裝置，通過對不同編碼盤上淺、深色條紋的識別判別不同的轉子，并以此判別所適應的最大轉速。

反射光編碼識別示意圖如圖4所示。其中，1為轉子，2為編碼盤，3為光電檢測裝置，4為發射管，5為接收管，6為驅動機構。在轉子底部安裝一編碼盤，編碼盤上交錯涂有淺色和深色條紋，可與光電檢測裝置所發出的信號相對應。工作時，光電檢測裝置上的發射管不停地發射光線，當光線遇到編碼盤的淺色區域會產生反射，接收管接收該反射信號后導通，給與其相接的單片機輸出低電平；當光線遇到編碼盤的深色區域時，光線被吸收，接收管不導通，則給單片機輸出高電平。這樣，通過采集編碼盤反射回來的光電信號轉換成相應的脈沖信號，只要計算當轉子轉一圈時的脈沖個數，就可識別不同的轉子。

此外，單片機通過輕觸開關及LCD連接實現操作與顯示控制；還可通過RS-485與PC連接，實現相應的數據輸出和監控管理。

3 軟件設計

本系統操作系統選用RTX51，集成開發環境選擇Keil 8.02，結合wave仿真器在線模擬調試。軟件采用模塊化設計，主要包括主循環模塊、中斷服務模塊、鍵盤掃描模塊、顯示模塊、電機調速模塊、溫度控制模塊、轉子識別及故障檢測模塊，主控流程如圖5所示。開機時進行系統初始化，包括定時器、I/O口、中斷、變量等的初始化，當有按鍵按下時，鍵盤掃描模塊判斷鍵值，并轉入鍵值對應的處理模塊；運行過程中若有超溫、超速或故障則報警停機。部分程序代碼如下：

本系統選擇片上資源豐富、功能強大的C8051F020單片機，大大簡化了外圍電路，降低了開發成本。經仿真調試及在某離心機公司的試用證明，模塊化的軟硬件設計使離心機的整體穩定性得以提高，各項測量參數準確，控制過程可靠。采用反射光編碼技術自動識別轉子，簡化了用戶操作，確保了更高的安全性。

[1]楊云，金綠松，郭文軍，等.離心機驅動結構回顧與展望[J].機械設計與制造工程，2000（9）.

[2]金綠松，王家龍.我國實驗室離心機的現狀與展望[J].中國儀器儀表，2008（5）.

[3]潘琢金.C8051F020/1/2/3混合信號ISP FLASH微控制器數據手冊[Z].2005.

[4]高速冷凍離心機型號標準[S].YZB/湘（長）98-2005

[5]徐猛，劉波峰，馬建林，等.基于智能功率模塊的臺式離心機電控系統[J].儀表技術與傳感器，2008（12）.

[6]朱先德，吳漢炯，朱明軒，等.醫用離心機轉子識別機構[P].中國.CN 2489873Y.2002.05.08.