數(shù)字旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)軟硬件設(shè)計(jì)

趙夢(mèng)軍，戴爾晗，徐 君，陳 誠(chéng)，馬亞男（南京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇南京210023）

數(shù)字旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)軟硬件設(shè)計(jì)

趙夢(mèng)軍，戴爾晗，徐 君，陳 誠(chéng)，馬亞男
（南京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇南京210023）

設(shè)計(jì)了一種數(shù)字旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)，分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。硬件部分主要包括主控板、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和扭矩測(cè)量3個(gè)方面；軟件部分通過(guò)指數(shù)加速算法對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，解決了電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的啟動(dòng)慢和失步等問(wèn)題。粘度計(jì)采用STC90C516RD為核心芯片，負(fù)責(zé)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)以及采集力矩信號(hào)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終通過(guò)液晶顯示屏顯示出測(cè)得的粘度值、轉(zhuǎn)速等信息。提出的數(shù)字旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)能夠簡(jiǎn)單、直觀、精確地測(cè)得流體的粘度值。

粘度計(jì)；旋轉(zhuǎn)式；數(shù)字；STC90C516RD

O 引言

粘度是衡量液體流變特性的一個(gè)重要指標(biāo)，在石油、化工、電力、食品等很多領(lǐng)域，測(cè)定流體的粘度和流動(dòng)特性至關(guān)重要。根據(jù)不同的測(cè)量原理，粘度測(cè)量的主要方法有毛細(xì)血管法、落球式、旋轉(zhuǎn)法和振動(dòng)法。在以上的粘度測(cè)量方法中，旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)由于具有能夠在不同的切變速率下對(duì)同種材料進(jìn)行測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在牛頓以及非牛頓液體的粘度和流變特性的測(cè)量中。目前，單圓筒旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)的精度大概在5%左右，它的工作原理是：步進(jìn)電機(jī)通過(guò)一個(gè)經(jīng)過(guò)校驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)的鈹-銅合金彈簧（游絲）帶動(dòng)一個(gè)浸泡在待測(cè)液中的轉(zhuǎn)子持續(xù)恒速旋轉(zhuǎn)，彈簧的扭矩大小與轉(zhuǎn)子受到待測(cè)液的粘性阻力成正比，因此，可以通過(guò)彈簧的扭矩（彈簧形變程度）來(lái)測(cè)得待測(cè)液的粘度值。彈簧受到的扭矩不僅與待測(cè)液粘度值成正比，還與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)子的大小成正比。因此，根據(jù)待測(cè)液的粘度量級(jí)可以采用不同的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子大小，來(lái)確保待測(cè)液粘度值在彈簧測(cè)量范圍內(nèi)，同時(shí)可以提高測(cè)量的準(zhǔn)確性和精度［1-2］。

傳統(tǒng)的機(jī)械式旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)需要通過(guò)刻度盤(pán)讀出指針對(duì)應(yīng)數(shù)字，然后換算成粘度值，這種方法不僅不夠簡(jiǎn)便，誤差也相對(duì)較大。而數(shù)字旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)可以通過(guò)液晶顯示屏直接讀取待測(cè)液粘度值，不僅簡(jiǎn)單方便，精確度也相對(duì)較高。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的數(shù)字旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)的硬件電路主要包括主控板電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和扭矩測(cè)量電路三個(gè)部分。主控板電路負(fù)責(zé)接收控制信號(hào)來(lái)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，并采集扭矩測(cè)量信號(hào)，將數(shù)據(jù)處理后顯示在液晶屏上；電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路負(fù)責(zé)接收主控板指令，按照指令要求的速度驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)；扭矩測(cè)量電路將扭矩轉(zhuǎn)化為光電信號(hào)，并將信號(hào)輸出給主控板。整個(gè)系統(tǒng)的示例性結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示例圖

1.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

本文采用步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為線位移或角位移的開(kāi)環(huán)控制步進(jìn)電機(jī)。在未超載情況下，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及其停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率與脈沖數(shù)，而與負(fù)載大小的變化無(wú)關(guān)，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定好的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，也就是“步距角”。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路由單片機(jī)STC90C52RC、NJU39610D2和 NJM3771D2等組成。STC90C52RC單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的單片機(jī)。NJU39610D2是一款雙7位外加符號(hào)的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（DAC），特別是在開(kāi)發(fā)中與NJM3771D2一起使用，非常適合步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)應(yīng)用［3-5］。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖如圖2所示。

圖2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖

STC90C52RC是驅(qū)動(dòng)電路的控制中心和數(shù)據(jù)處理中心，它通過(guò)INT0中斷口和A13、A14、A15數(shù)據(jù)口與粘度計(jì)主控板相連，來(lái)接收主控板命令。P0口為數(shù)據(jù)輸出口，輸出步進(jìn)電機(jī)各項(xiàng)繞組的電流和方向，通過(guò)定時(shí)器T0就能精確控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和方向。

1.2 扭矩測(cè)量電路設(shè)計(jì)

本文粘度計(jì)是通過(guò)轉(zhuǎn)子在待測(cè)液體中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)游絲的扭轉(zhuǎn)角度來(lái)測(cè)定的，游絲的扭轉(zhuǎn)角可以通過(guò)兩個(gè)光電開(kāi)關(guān)來(lái)測(cè)量計(jì)算出。光電開(kāi)關(guān)是光電接近開(kāi)關(guān)的簡(jiǎn)稱(chēng)，它是通過(guò)被檢測(cè)物對(duì)光線的反射或遮擋，來(lái)檢測(cè)物體的有無(wú)。本文使用槽型光電開(kāi)關(guān)，當(dāng)凹槽中無(wú)遮擋物時(shí)，輸出高電平，當(dāng)凹槽中有遮擋物時(shí)，輸出低電平［6］。光電開(kāi)關(guān)電路原理圖如圖3所示。

圖3 光電開(kāi)關(guān)電路原理圖

本文采用非接觸式平面蝸卷型游絲，使用時(shí)，游絲一端固定，一端承受外加扭矩，扭矩大小與游絲形變程度成正比。本文將游絲一端固定在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，另一端固定在放入待測(cè)液的轉(zhuǎn)子上，并在游絲兩端分別安裝一個(gè)水平遮擋板，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每轉(zhuǎn)一圈兩個(gè)遮擋板都會(huì)各自遮擋一次槽型光耦，只要測(cè)得兩個(gè)擋板經(jīng)過(guò)槽口的時(shí)間差，就可計(jì)算出扭矩的大小。

1.3 主控板電路設(shè)計(jì)

主控板電路以STC90C516為核心芯片，STC90C516是數(shù)據(jù)處理中心，負(fù)責(zé)接收按鍵指令和扭矩測(cè)量數(shù)據(jù)，以及向電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送控制指令和向液晶屏發(fā)送顯示指令。STC90C516最小系統(tǒng)電路圖如圖4所示。

圖4 STC90C516最小系統(tǒng)電路圖

主控板采用LM2596S芯片來(lái)提供5 V電源。LM2596S芯片是電壓調(diào)節(jié)器，具有降壓功能，它的最大輸入電壓為40 V，輸出電壓為5 V左右。降壓電路如圖5所示。

圖5 降壓模塊原理圖

本文按鍵電路包括6個(gè)按鍵，分別是上下左右方向鍵和確定鍵以及復(fù)位鍵。按鍵電路如圖6所示。

圖6 按鍵電路原理圖

本文采用以T6963C為內(nèi)核的128×64液晶顯示屏［7］，顯示屏有20個(gè)管腳，主控板上設(shè)計(jì)了一個(gè)20口的排孔用來(lái)連接液晶顯示屏。液晶顯示電路圖如圖7所示。

圖7 液晶顯示電路原理圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 指數(shù)加速算法

步進(jìn)電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)啟動(dòng)緩慢、失步甚至是卡死的現(xiàn)象，這是由于頻率越大，電機(jī)轉(zhuǎn)矩越小，在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)直接輸出最終需要的高頻率，就會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩不足以啟動(dòng)電機(jī)。為了避免電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩不足，本文采用了指數(shù)加速算法，也就是在電機(jī)剛啟動(dòng)時(shí)輸出低頻率，然后頻率慢慢加大，直到電機(jī)達(dá)到所需要的速度平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)。

指數(shù)加速算法是讓角速度按照指數(shù)曲線變化的一種控制算法，它可以讓步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)角速度按指數(shù)曲線慢慢增大，保持電機(jī)轉(zhuǎn)矩足夠帶動(dòng)負(fù)載。指數(shù)加速算法如圖8所示［8］。

圖8 指數(shù)加速算法

2.2 粘度測(cè)量程序

粘度測(cè)量程序主要包括以下幾個(gè)程序模塊：初始化模塊、按鍵模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、光電開(kāi)關(guān)模塊、液晶顯示模塊。程序流程圖如圖9所示。

粘度測(cè)量的重點(diǎn)是測(cè)得游絲偏轉(zhuǎn)角度，本文測(cè)量?jī)蓚€(gè)光電開(kāi)關(guān)被遮擋的時(shí)間差，然后只要知道電機(jī)轉(zhuǎn)速，就可算出游絲偏轉(zhuǎn)角度，再根據(jù)粘度計(jì)算公式求得待測(cè)液體的粘度值。

圖9 程序流程圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文采用蔗糖水來(lái)檢驗(yàn)設(shè)計(jì)出的數(shù)字旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)的可靠性和精度，通過(guò)改變蔗糖水的濃度就可以得到多種已知粘度的待測(cè)液。不同濃度的蔗糖水在溫度為30℃時(shí)的粘度標(biāo)準(zhǔn)值如表1所示，其中蔗糖水溶液濃度百分比表示每百克水中蔗糖的克數(shù)。

表1 不同濃度蔗糖水的粘度標(biāo)準(zhǔn)值

調(diào)配好所需濃度的蔗糖水，然后用溫度控制器將其溫度控制在30℃附近，再使用數(shù)字旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)量其粘度值。測(cè)得的數(shù)據(jù)記錄在下面的表2中。

表2 蔗糖水粘度值對(duì)照表

從表2中可以看出，測(cè)量得到的粘度值比標(biāo)準(zhǔn)值略高，這是由于粘度計(jì)的系統(tǒng)摩擦力導(dǎo)致的，相對(duì)誤差基本上在5%以內(nèi)，本文設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)具有較高的可靠性和精度。

4 結(jié)論

本文以STC90C516RD芯片為控制核心，設(shè)計(jì)了一種數(shù)字旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，該粘度計(jì)能夠簡(jiǎn)單、精確地測(cè)得待測(cè)液粘度。同時(shí)，本設(shè)計(jì)使用了指數(shù)加速算法來(lái)啟動(dòng)電機(jī)，解決了電機(jī)啟動(dòng)時(shí)失步、卡死等問(wèn)題。最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的粘度計(jì)的可靠性和精確度。本系統(tǒng)在粘度測(cè)量領(lǐng)域具有一定的理論和研究?jī)r(jià)值。

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趙夢(mèng)軍（1991 -），通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：精密測(cè)試技術(shù)與智能儀器研究。E-mai1：15951906486@139. com。

戴爾晗（1973 -），男，學(xué)士，副教授，主要研究方向：計(jì)算機(jī)與測(cè)控系統(tǒng)研究。

徐君（1991 -），男，碩士研究生，主要研究方向：精密測(cè)試技術(shù)與智能儀器研究。

Software and hardware design of digita1 rotary viscometer

Zhao Mengjun，Dai erhan，Xu Jun，Chen Cheng，Ma Yanan
（Co11ege of Automation，Nanjing University of Posts and Te1ecommunications，Nanjing 210023，China）

This PaPer introduces a digita1 rotary viscometer，which inc1udes hardware and software design.The hardware Part main1y inc1udes three asPects，that are themain contro1board，motor drive and torquemeasurement.The software Part through the index acce1erated a1gorithm of stePPermotor contro1，has so1ved the Prob1ems of starting s1ow，1ost stePs and so on in the Process of starting motor.The viscometer uses STC90C516RD as the core chiP.It is resPonsib1e for contro11ing the rotation of the motor，co11ecting torque signa1 and Processing data，fina11y through the 1iquid crysta1disP1ay shows themeasured va1ue of viscosity，sPeed and other information.The viscosity of the f1uid can bemeasured easi1y，intuitive1y and accurate1y with the digita1 rotary viscometer ProPosed in this PaPer.

viscometer；rotary tyPe；digita1；STC90C516RD

TH836

A

10.19358 /j.issn.1674-7720.2016.09.012

趙夢(mèng)軍，戴爾晗，徐君，等.數(shù)字旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)軟硬件設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2016，35（9）：37-40.

2016-01-05）