基于單片機(jī)和LabVIEW的小型自動(dòng)化微量進(jìn)樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭曉暾

摘 要 介紹一種小型自動(dòng)化微量進(jìn)樣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)由LabVIEW上位機(jī)與STC12C5410AD單片機(jī)進(jìn)行串口通信，通過(guò)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，帶動(dòng)微量進(jìn)樣器實(shí)現(xiàn)通量進(jìn)樣。整個(gè)系統(tǒng)體積小、成本低、精度高、操作方便，可有效提高微量樣品分析實(shí)驗(yàn)的可操作性。

關(guān)鍵詞 自動(dòng)化微量進(jìn)樣系統(tǒng)；STC12C5410AD單片機(jī)；步進(jìn)電機(jī)；LabVIEW

中圖分類(lèi)號(hào)：TH83 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2015）08-0027-03

Abstract A design of an automatic trace sampling system was introduced. It communicates between STC12C5410AD micro-controller and the LabVIEW based upper program. With specific driving circuit， the stepper motor was operated to drive the micro-sampler in motions of sampling， introducing， cleaning procedure in turns to accomplish throughput sampling. The system is small， cheap， simple and easy to use while the precision is high. It could be widely used under circumstances of trace analyzing with instruments to improve the operability of the experiment.

Key words automatic trace sampling system； STC12C5410AD MCU； stepper motor； LabVIEW

1 引言

隨著技術(shù)的進(jìn)步，成分分析儀器已呈現(xiàn)出使用門(mén)檻降低、適用范圍擴(kuò)大、檢測(cè)能力增強(qiáng)的趨勢(shì)，原本對(duì)實(shí)驗(yàn)條件有著苛刻要求的微量樣品分析檢測(cè)現(xiàn)在已經(jīng)能夠輕松實(shí)現(xiàn)，如質(zhì)譜儀能夠在常壓下對(duì)痕量樣品直接進(jìn)行定量分析。而針對(duì)微量樣品，大多數(shù)分析儀器并未配備專(zhuān)用的進(jìn)樣裝置，進(jìn)樣操作或依靠實(shí)驗(yàn)人員手動(dòng)實(shí)現(xiàn)，或依賴(lài)于體積龐大的三維位移平臺(tái)，這對(duì)微量樣品的檢測(cè)帶來(lái)很大不便。因此，設(shè)計(jì)一種小型的自動(dòng)化微量進(jìn)樣裝置具有重要意義。

本文以LabVIEW設(shè)計(jì)的上位機(jī)控制單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，帶動(dòng)進(jìn)樣模塊實(shí)現(xiàn)取樣—進(jìn)樣，能夠有效提高微量樣品檢測(cè)的可操作性，并可實(shí)現(xiàn)通量進(jìn)樣，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、使用方便的特點(diǎn)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)由六部分組成：上位機(jī)軟件用LabVIEW編寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互；以STC12C5410AD單片機(jī)為核心的主控模塊，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生控制信號(hào)及各模塊間通信；電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊包括步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路，用以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的受控運(yùn)動(dòng)；微量進(jìn)樣模塊包括進(jìn)樣器及其支持結(jié)構(gòu)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)取樣和進(jìn)樣；回零模塊通過(guò)對(duì)射式光電傳感器來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行回零動(dòng)作；清潔模塊通過(guò)振動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)毛刷對(duì)完成檢測(cè)后的進(jìn)樣器進(jìn)行清潔。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

主控模塊設(shè)計(jì) 主控模塊由供電電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)及串口通信電路構(gòu)成。供電電路采用220 V轉(zhuǎn)12 V的開(kāi)關(guān)電源，可直接向電機(jī)驅(qū)動(dòng)器供電，通過(guò)LM2596降壓電路處理后向單片機(jī)及對(duì)射式光電傳感器供電。單片機(jī)最小系統(tǒng)采用STC12C5410AD為核心，該型單片機(jī)針對(duì)電機(jī)控制設(shè)計(jì)，內(nèi)置四路PWM和MAX810專(zhuān)用復(fù)位電路，具有高速、低功耗、抗干擾的特性，體積小、價(jià)格低廉，符合小型化和成本控制的要求[1]。串口通信電路以MAX232A芯片為主，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC之間的通信。

電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì) 電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)化，包括步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路。步進(jìn)電機(jī)屬于數(shù)字執(zhí)行單元，每接收到一個(gè)脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度。選取步進(jìn)電機(jī)是由于其具有精度高、無(wú)累積誤差、不受負(fù)載變化影響、能瞬間啟動(dòng)和急速停止的優(yōu)越特性。但步進(jìn)電機(jī)不能直接通電啟動(dòng)，需要專(zhuān)門(mén)的驅(qū)動(dòng)電路提供脈沖方可正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

本設(shè)計(jì)中采用兩相四線制混合式步進(jìn)電機(jī)，內(nèi)部包含兩對(duì)繞組，步距角為1.8°，精度可觀。驅(qū)動(dòng)電路以THB7128高細(xì)分、大功率兩相步進(jìn)電機(jī)專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片為核心，整個(gè)電路可分為供電部分、芯片配置部分、信號(hào)隔離部分、細(xì)分調(diào)節(jié)部分和輸出電流調(diào)節(jié)部分[2]，如圖2所示。驅(qū)動(dòng)電流輸出范圍在0～2 A內(nèi)連續(xù)可調(diào)，通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)可實(shí)現(xiàn)最高128步細(xì)分。

回零模塊設(shè)計(jì) 回零模塊由對(duì)射式光電傳感器及其放大電路組成，實(shí)現(xiàn)回零動(dòng)作。由于運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)存在慣性、摩擦，步進(jìn)電機(jī)可能出現(xiàn)失步等誤差，可能導(dǎo)致進(jìn)樣針的定位出現(xiàn)偏差。通過(guò)回零動(dòng)作，在每次系統(tǒng)上電后對(duì)進(jìn)樣針的位置進(jìn)行標(biāo)定，能夠有效消除誤差影響。回零模塊位置可通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)至進(jìn)樣位置后通過(guò)螺絲鎖緊，當(dāng)系統(tǒng)上電后自動(dòng)運(yùn)行，至標(biāo)定位置處，傳感器受到遮擋，輸出電平翻轉(zhuǎn)，運(yùn)動(dòng)停止，標(biāo)定完成。其中，由于傳感器的輸出信號(hào)較弱，需經(jīng)三極管放大后才能由單片機(jī)的IO口檢測(cè)到。

清潔模塊設(shè)計(jì) 在通量進(jìn)樣時(shí)，需要對(duì)沾有樣品的進(jìn)樣器進(jìn)行清潔，方便再次進(jìn)樣。清潔模塊由軟毛刷、空心杯振動(dòng)電機(jī)及其控制電路組成，為可拆卸設(shè)計(jì)，安裝在進(jìn)樣模塊一側(cè)，具體位置需根據(jù)運(yùn)動(dòng)方向而定。系統(tǒng)上電但處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，單片機(jī)通過(guò)繼電器控制清潔模塊開(kāi)始工作。在進(jìn)樣過(guò)程中，直徑約1 cm的羊毛材質(zhì)的軟毛刷固定于電機(jī)頂端，空心杯振動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)軟毛刷振動(dòng)來(lái)清潔進(jìn)樣針上沾染的樣品。電機(jī)供電電壓為3 V，通過(guò)LM317三端穩(wěn)壓器獲得，繼電器控制電路在接受到單片機(jī)的信號(hào)時(shí)吸合，控制電機(jī)啟動(dòng)。endprint

4 微量進(jìn)樣模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的進(jìn)樣系統(tǒng)大多采用直線步進(jìn)電機(jī)配合滾珠絲杠，體積龐大，且一次操作只能完成一次進(jìn)樣。本設(shè)計(jì)采用履帶式轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，大大縮小了裝置體積，降低了成本，并能夠?qū)崿F(xiàn)通量進(jìn)樣。微量進(jìn)樣模塊由進(jìn)樣器、傳動(dòng)履帶及其支架構(gòu)成，如圖3所示。微量進(jìn)樣的方法中，最為常用、經(jīng)濟(jì)的是采用針狀結(jié)構(gòu)的裝置進(jìn)行取樣、持樣、進(jìn)樣，根據(jù)文獻(xiàn)[3]報(bào)道，采用鋼針制作的進(jìn)樣針持樣量最小可達(dá)納升級(jí)，完全可滿(mǎn)足大多數(shù)實(shí)驗(yàn)的要求。

本設(shè)計(jì)中的進(jìn)樣器由鋼針及其夾持結(jié)構(gòu)組成，鋼針長(zhǎng)度約為5 cm，針尖部分經(jīng)過(guò)在稀鹽酸中約半小時(shí)的浸泡，可獲得纖細(xì)而不均勻的尖端，方便收集微量樣品。傳動(dòng)履帶采用內(nèi)置鋼絲的聚氨酯材質(zhì)同步帶，強(qiáng)度高，無(wú)揮發(fā)性氣味，耐磨耐溫性能好，并能抗多種酸堿和有機(jī)溶劑腐蝕。同步帶內(nèi)側(cè)有梯形齒槽，與配套的同步輪嚙合以保證轉(zhuǎn)動(dòng)的穩(wěn)定性。傳動(dòng)履帶外側(cè)等距安裝固定四個(gè)進(jìn)樣器，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)進(jìn)樣器依次在三個(gè)位置之間循環(huán)：進(jìn)樣位—清潔位—取樣位—進(jìn)樣位。轉(zhuǎn)動(dòng)方向可根據(jù)需要改變，但需同時(shí)調(diào)整清潔模塊的安裝位置。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)設(shè)計(jì) 下位機(jī)完成四個(gè)功能：

1）系統(tǒng)的初始化；

2）系統(tǒng)上電后自動(dòng)執(zhí)行回零動(dòng)作；

3）串口通信；

4）清潔模塊控制。

主程序流程如圖4所示。

上位機(jī)設(shè)計(jì) LabVIEW上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)最頂層的控制：

1）配置串口通信[4]；

2）電機(jī)運(yùn)行速度及運(yùn)行方向設(shè)定；

3）電機(jī)啟動(dòng)和停止控制。

在LabVIEW2013平臺(tái)上編寫(xiě)的上位機(jī)程序負(fù)責(zé)將用戶(hù)的命令傳達(dá)至單片機(jī)[5]，可方便地控制單片機(jī)發(fā)出不同頻率的脈沖進(jìn)行10檔調(diào)速、通過(guò)。經(jīng)過(guò)安裝后的校準(zhǔn)，粗調(diào)可使進(jìn)樣器直接轉(zhuǎn)動(dòng)至下一個(gè)工作位置。考慮到不同環(huán)境下的需求不同，進(jìn)樣器停止時(shí)間不作限制。細(xì)調(diào)一次使單片機(jī)向步進(jìn)電機(jī)發(fā)送一個(gè)脈沖，用于對(duì)進(jìn)樣器位置進(jìn)行微調(diào)。將VI程序封裝成為可執(zhí)行文件后，能夠方便地在其他PC上安裝并使用。基于LabVIEW編寫(xiě)的上位機(jī)程序界面如圖5所示。

6 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種小型自動(dòng)化微量進(jìn)樣系統(tǒng)，系統(tǒng)由上位機(jī)軟件、主控模塊、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊、微量進(jìn)樣模塊、回零模塊和清潔模塊六部分組成，能夠?qū)崿F(xiàn)通量進(jìn)樣，體積小、成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，控制精度高，在運(yùn)用分析儀器進(jìn)行微量樣品分析的場(chǎng)合能夠廣泛應(yīng)用，大大提高對(duì)微量樣品檢測(cè)實(shí)驗(yàn)的可操作性。

參考文獻(xiàn)

[1]朱兆優(yōu).單片機(jī)原理與應(yīng)用：基于STC系列增強(qiáng)型8051單片機(jī)[M].2版.北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[2]陳學(xué)軍.步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2006，33（6）：48-50.

[3]王姜，楊水平，鄢飛燕，等.微量果汁中痕量樂(lè)果的快速質(zhì)譜檢測(cè)[J].分析化學(xué)，2010，38（4）：453-457.

[4]陳誠(chéng)，李言武，葛立峰.基于LabVIEW的單片機(jī)串口通信設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，2009（1）：198-200.

[5]彭慶華.虛擬儀器軟件LabVIEW的串行口通信編程[J].自動(dòng)化儀表，2002，23（3）：31-33.endprint