基于ARM控制器的吸煙機(jī)抽吸控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊榮超，苗 芊，牛芳芳，張 勍，朱 震

YANG Rong-chao1, MIAO Qian1, NIU Fang-fang2, ZHANG Qing1, ZHU Zhen2

（1.中國(guó)煙草標(biāo)準(zhǔn)化研究中心，鄭州 450001；2.中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，合肥 230031）

0 引言

吸煙機(jī)是為模擬人的吸煙行為設(shè)計(jì)的一種自動(dòng)化吸煙裝置，它能夠?qū)χ髁鳠煔庵械臍庀辔锖土Ｏ辔镞M(jìn)行捕集，是實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行煙氣分析不可缺少的設(shè)備[1,2]。目前國(guó)內(nèi)卷煙企業(yè)使用的吸煙機(jī)設(shè)備幾乎全部來自幾個(gè)國(guó)外儀器廠商[3]，抽吸機(jī)構(gòu)的控制技術(shù)也被其壟斷。然而，不同廠商儀器的抽吸機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)和控制方式各有不同，這是引起吸煙機(jī)之間的測(cè)試結(jié)果較大差異的原因之一。近幾年來，由于國(guó)內(nèi)沒有自主研制的吸煙機(jī)投入市場(chǎng)，作為其技術(shù)核心的抽吸機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的相關(guān)研究報(bào)道較少。因此，應(yīng)用ARM處理器對(duì)活塞的移動(dòng)進(jìn)行高精度的控制，能夠有效實(shí)現(xiàn)吸煙機(jī)的抽吸曲線和不同的抽吸模式，對(duì)于深入開展吸煙機(jī)抽吸機(jī)理和抽吸過程的研究，以及研制我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型吸煙機(jī)具有非常重要的意義。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16450—2004中提出三種曲軸活塞式抽吸機(jī)構(gòu)[4]，均能實(shí)現(xiàn)卷煙的標(biāo)準(zhǔn)抽吸曲線，但這幾種結(jié)構(gòu)在改變抽吸容量時(shí)都需要調(diào)整其機(jī)械結(jié)構(gòu)。因此，基于標(biāo)準(zhǔn)中的抽吸原理，設(shè)計(jì)了一種新型的抽吸機(jī)構(gòu)。利用高精度貫通式步進(jìn)電機(jī)代替曲軸，帶動(dòng)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過ARM處理器控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和移動(dòng)的距離，使活塞在玻璃管內(nèi)作變速運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)抽吸流量的調(diào)控。

抽吸機(jī)構(gòu)系統(tǒng)由ARM處理器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、步進(jìn)電機(jī)、針筒式玻璃管和活塞等部件組成，高精度的針筒式玻璃管與活塞緊密配合，活塞通過絲桿與電機(jī)相連。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 抽吸機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，活塞移動(dòng)的距離和移動(dòng)方式完全由步進(jìn)電機(jī)控制，其參數(shù)修改由ARM處理器的控制程序?qū)崿F(xiàn)，使用非常靈活，抽吸容量或抽吸曲線形狀均可通過軟件改變和調(diào)整，還可以生成非標(biāo)準(zhǔn)的抽吸曲線用于科研。

2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.1 建立數(shù)學(xué)模型

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，吸煙機(jī)的抽吸曲線應(yīng)為鐘形。標(biāo)準(zhǔn)中提供的三種曲軸活塞式抽吸機(jī)構(gòu)如圖2所示。下面分別對(duì)三種結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，研究其工作原理以及抽吸曲線數(shù)學(xué)模型的建立方法。

圖2 曲軸活塞式抽吸機(jī)構(gòu)

2.1.1 結(jié)構(gòu)分析

如圖2(a)結(jié)構(gòu)所示，該抽吸機(jī)構(gòu)中，活塞結(jié)構(gòu)的缸體位置固定，曲柄連桿可繞與活塞的連接點(diǎn)P左右擺動(dòng)。隨著曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，曲柄連桿帶動(dòng)活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)θ小于180°時(shí)，隨著θ增大，h逐漸變小，缸內(nèi)容積逐漸變大，抽吸機(jī)構(gòu)處于吸氣狀態(tài)；而當(dāng)θ大于180°時(shí)，隨著θ增大，h不斷增大，缸內(nèi)容積逐漸減小，抽吸機(jī)構(gòu)處于排氣狀態(tài)。

2.1.2 公式推導(dǎo)

根據(jù)幾何關(guān)系，連桿長(zhǎng)度、曲軸半徑以及活塞與曲軸圓心間的距離構(gòu)成一個(gè)三角形，曲柄轉(zhuǎn)過的角度即為連桿長(zhǎng)度與曲軸半徑間的夾角。根據(jù)余弦定理，可得關(guān)系式如下：

式中：l為連桿長(zhǎng)度，r為曲軸半徑，h為活塞與曲軸圓心間的距離，θ為曲柄轉(zhuǎn)過角度。

于是可得：

設(shè)x為活塞移動(dòng)的距離，可表示為：

當(dāng)θ為0時(shí)， h達(dá)到最大，為連桿長(zhǎng)度與曲軸半徑之和l+r，此時(shí)設(shè)為x的零點(diǎn)；當(dāng)θ為180°時(shí)，h值最小，為l-r，此時(shí)x達(dá)到最大值2r。

抽吸過程中氣缸內(nèi)的容積V隨時(shí)間變化的表達(dá)式為：

其中，A為活塞截面積，ω為曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，t為曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間。

將容積對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，即可得出抽吸流量Φ：

對(duì)于圖2中的B結(jié)構(gòu)，已有文獻(xiàn)對(duì)其進(jìn)行過數(shù)學(xué)計(jì)算[5]，得出抽吸流量表達(dá)式為：

同樣，由于h遠(yuǎn)大于r，式子可以簡(jiǎn)化為：

而圖2(c)結(jié)構(gòu)中，活塞移動(dòng)距離x可以表達(dá)為：

于是抽吸流量Φ可以表示為：

由此可見，三種抽吸機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的抽吸流量曲線均可用同一數(shù)學(xué)模型表示，即正弦函數(shù)曲線[6]，此曲線的形狀為鐘形，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

另外，三種結(jié)構(gòu)中當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)180°時(shí)，活塞移動(dòng)距離最大，活塞一個(gè)周期內(nèi)的換氣容量為2Ar，曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)180°的時(shí)間為抽吸持續(xù)時(shí)間，則數(shù)學(xué)模型可以轉(zhuǎn)換為：

即可得到吸煙機(jī)抽吸曲線的通用數(shù)學(xué)模型。其中，Q為換氣容量，T為抽吸持續(xù)時(shí)間。

2.1.3 曲線繪制

當(dāng)抽吸容量為標(biāo)準(zhǔn)抽吸條件下的35mL，抽吸持續(xù)時(shí)間為2s時(shí)，利用上述通用數(shù)學(xué)模型，繪制出抽吸持續(xù)時(shí)間內(nèi)的抽吸流量曲線。如圖3所示，曲線峰值點(diǎn)位于t=1處，此時(shí)的抽吸流量約為27.5mL/s，與標(biāo)準(zhǔn)中給出的典型的換氣流量圖基本一致。

圖3 模型抽吸曲線與標(biāo)準(zhǔn)中抽吸曲線對(duì)比

圖3中，左圖為模型計(jì)算出的抽吸曲線，右圖為標(biāo)準(zhǔn)中的典型抽吸曲線。

另外，通過改變抽吸容量和抽吸持續(xù)時(shí)間等參數(shù)，可以獲得不同的鐘形抽吸曲線，如圖4所示。

圖4 不同抽吸參數(shù)下的抽吸流速曲線

其中，曲線1為標(biāo)準(zhǔn)抽吸，曲線2為加拿大模式下的抽吸曲線，曲線3為自定義鐘形曲線。數(shù)學(xué)模型能夠表征各種鐘形抽吸曲線，具有良好的通用性。

2.2 電路設(shè)計(jì)

抽吸機(jī)構(gòu)的運(yùn)行過程完全由ARM處理器芯片控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)，ARM芯片根據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算出活塞在相應(yīng)的時(shí)間內(nèi)所需移動(dòng)的距離，將控制參數(shù)下發(fā)至電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制電機(jī)行進(jìn)相應(yīng)步數(shù)，帶動(dòng)活塞做變速運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生抽吸曲線。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路原理如圖5所示，由步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片及其外圍電路等組成。其中，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片為THB6128，此芯片為高細(xì)分兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，最高耐壓40VDC，最大電流2.2A，可以達(dá)到1/128細(xì)分，具有自動(dòng)半流鎖定、三種衰減模式可選、保護(hù)功能齊全、外圍電路簡(jiǎn)單和體積小巧等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)[7]。當(dāng)啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)信號(hào)發(fā)出后，ARM處理器將電脈沖、電機(jī)使能和運(yùn)動(dòng)方向三個(gè)信號(hào)發(fā)送至該芯片，控制步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定程序帶動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)。

圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路圖

2.3 控制算法

抽吸曲線是一種連續(xù)變化的曲線，如圖6(a)所示。但是，作為本系統(tǒng)中核心運(yùn)動(dòng)部件的步進(jìn)電機(jī)是將離散的電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的角位移或線位移的電磁機(jī)械裝置，是一種輸出與輸入脈沖對(duì)應(yīng)的增量驅(qū)動(dòng)元件[8]。因此，需要將連續(xù)變化的抽吸曲線離散化，即將曲線等間隔的分割成多個(gè)離散的柱形區(qū)域，換氣容量近似的等于所有柱形面積之和，如圖6(b)所示。

圖6 抽吸曲線的離散化

將抽吸持續(xù)時(shí)間T等分成N（N>200）個(gè)時(shí)間段，每個(gè)時(shí)間段內(nèi)的柱形面積分別對(duì)應(yīng)該時(shí)間段內(nèi)的容積增加量，即等于活塞截面積與電機(jī)帶動(dòng)活塞移動(dòng)距離的乘積[9]。由于電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一步活塞移動(dòng)的距離為固定值，所以ARM處理器可以計(jì)算出每個(gè)時(shí)間內(nèi)步進(jìn)電機(jī)需要行進(jìn)的步數(shù)，并將其轉(zhuǎn)化為發(fā)送電脈沖信號(hào)的頻率，保存在處理器的內(nèi)存中。抽吸過程中，ARM處理器調(diào)用存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制[10]。

電機(jī)控制軟件流程如圖7所示。

圖7 電機(jī)控制軟件流程圖

3 應(yīng)用效果

將抽吸機(jī)構(gòu)通過1kPa壓降裝置連接至抽吸記錄儀，測(cè)量抽吸持續(xù)時(shí)間內(nèi)的抽吸流量圖，如圖8所示。

由圖可以看出，實(shí)際抽吸曲線并非對(duì)稱，而是稍有后移，抽吸持續(xù)時(shí)間為2s，峰值點(diǎn)出現(xiàn)在抽吸開始后的1.06s左右，最大流量為26.3mL/s，符合標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于抽吸曲線的規(guī)定。

將抽吸機(jī)構(gòu)通過1kPa壓降裝置連接至皂膜流量計(jì)，實(shí)際測(cè)得抽吸容量為35mL。配上3kPa壓降裝置，測(cè)得抽吸容量為34.7mL，符合標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)補(bǔ)償能力的要求。

圖8 實(shí)際測(cè)量的抽吸流量圖

4 結(jié)論

基于ARM控制的吸煙機(jī)抽吸機(jī)構(gòu)利用抽吸曲線數(shù)學(xué)模型計(jì)算出控制參數(shù)，調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)鐘形抽吸流量曲線。系統(tǒng)實(shí)時(shí)性強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，控制方法靈活。實(shí)驗(yàn)證明，抽吸機(jī)構(gòu)能夠符合標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的各項(xiàng)要求。

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