智能化液體給定裝置電控系統(tǒng)的分析與設(shè)計方案

(江蘇信息職業(yè)技術(shù)學院，江蘇 無錫 214000)

0 引言

智能化液體給定裝置是機電一體化裝置，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，其中圓盤是由減速器和步進電機所帶動，在圓盤中存在8個孔位可分別放置杯子，當杯子轉(zhuǎn)到注液頭下部位置時，此時會托起杯子并向杯中注入給定體積的液體，注入量是由水壓電磁閥工作時間來確定的。該裝置主要涉及軟件設(shè)計、電子傳感器等多個領(lǐng)域，本研究主要針對智能化液體給定裝置電控系統(tǒng)的設(shè)計進行詳細闡述。

1 電控系統(tǒng)原理和設(shè)計

從原理上看，智能化液體給定裝置電控系統(tǒng)是復(fù)雜機電一體化裝置，主要涉及機械、硬件、電路、軟件等設(shè)計。具體整個系統(tǒng)如圖1所示，主要由單片機、液體箱、變頻器、AD轉(zhuǎn)換電路、水泵、壓力傳感器、步進電機驅(qū)動器以及電磁閥驅(qū)動電路等共同構(gòu)成。在給定方式設(shè)計中目前存在4種液體給定計量方式，包括蠕動泵給定計量、容積泵給定計量、陶瓷活塞給定計量和時間壓力法。前2種方式目前已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，而后2種使用較少。在不同容量中采用容積泵給定計量難度較大，而且很難清洗；采用蠕動泵進行控制時精度較低，很容易出現(xiàn)變形磨損，而且很難實現(xiàn)長期穩(wěn)定性；采用陶瓷活塞計量泵拆卸、計量調(diào)整不便；相對來看時間壓力法是一種比較先進的罐裝計量方式。

圖1 電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

在時間壓力法即恒壓維持法中共有2種方式，首先可以通過恒壓儲存罐將液體保持在一定范圍的液面高度，即實現(xiàn)恒壓；其次可以采用變頻器進行液體泵轉(zhuǎn)速的控制，通過壓力傳感器進行壓力信息采集，并將信號傳給CPU，由CPU通過計算處理控制變頻器功率，實現(xiàn)水泵轉(zhuǎn)速的控制，以實現(xiàn)壓力恒定。第1種方法實現(xiàn)比較簡單，但為獲得一定壓力要求液面會很高，這種裝置很難實現(xiàn)小型化設(shè)計，且很難進行精度有效控制；第2種方法實現(xiàn)難度較大，但由于利用變頻器能夠擴大壓力的調(diào)節(jié)范圍，且裝置可實現(xiàn)小型化設(shè)計，采用閉環(huán)控制方式能夠?qū)崿F(xiàn)給液的精度。

在本研究中從硬件角度來看，使用模塊化設(shè)計的方式，可將其分為數(shù)據(jù)采集、基本控制、顯示、鍵盤管理、輸出控制、監(jiān)控報警幾個單元。具體來看，在基本控制方面選用89s52單片機為控制核心單元，相比PLC來說具有較快的執(zhí)行速度和可拓展性，且成本較低，尤其對于一些干擾性較小的工業(yè)領(lǐng)域來說，單片機具有廣泛的應(yīng)用性。

DSP運行速度快，對于空間儲存要求較高，但同時結(jié)構(gòu)復(fù)雜，外部要求高。綜上所述，可以使用單片機的控制方式作為控制單元，在數(shù)據(jù)采集處理方面可利用回流壓力，并將杯子和重量信號傳遞給控制單元，之后再由控制原件根據(jù)具體要求完成相應(yīng)操作。

采樣電路包括電子轉(zhuǎn)換傳感器、驅(qū)動放大、A/D轉(zhuǎn)換這幾種電路。在壓力傳感器選擇過程中，由于本研究主要基于恒壓狀態(tài)進行給定液體的精確控制，回路壓力恒定將影響最終液體給定的準確度，因此選擇壓力傳感器是十分重要的。

本研究通過比較多種傳感器，結(jié)合廠家參數(shù)，最終選擇的傳感器是由深圳科普研發(fā)的100系列，即擴散硅壓力傳感器，該傳感器使用不銹鋼隔離膜片技術(shù)以及硅壓組技術(shù)融合asIc技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)放大輸出壓力變送器。本研究中選擇電阻應(yīng)變稱重傳感器，具體運行原理為：基于外部作用力的條件下，彈體會出現(xiàn)形變，使其粘貼在表面電阻應(yīng)變片，同樣產(chǎn)生變形，當其變形后其組織產(chǎn)生變化，經(jīng)測量電路將電阻變化轉(zhuǎn)為電信號變化，并形成將外力轉(zhuǎn)為電信號的過程，本研究中選擇了日本ISM這一型號的稱重傳感器用于設(shè)計。

在顯示單元方面可用于注射機，當前運行狀態(tài)的顯示以及部分參數(shù)顯示，使用戶能夠根據(jù)屏幕獲取更多的參數(shù)信息，目前這一研究還處于初步發(fā)展階段。為能夠降低生產(chǎn)成本和操作難度，采用顯示屏顯示的方式在之后，可實現(xiàn)遠程操作和實時顯示，由于本研究采用單片控制的方式，為能夠節(jié)約資源，在顯示位置采用bc7281b。在鍵盤輸入單元方面能夠為人機交流提供基礎(chǔ)，實現(xiàn)不同功能選擇和控制輸入，該鍵盤有編碼和非編碼鍵盤，其中編碼鍵盤是由硬件電路完成試點工作，具有良好的可靠性。該鍵盤操作比較簡單，但硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜，對于非編碼鍵盤來說只能提供鍵盤矩陣行列，鍵的識別將決定最終按鍵讀數(shù)等，需要依靠軟件進行完成，因此在硬件設(shè)計上結(jié)構(gòu)比較簡單，但會占用較多的CPU時間。

本研究以單片機作為核心，由于I/O資源受到限制，依次選擇編碼鍵盤，即bc72818。在輸出控制單元方面，主要包括注液電磁閥、托杯電機圓盤、轉(zhuǎn)動步進電機這3個控制單元。具體來看，在注液電磁閥控制過程中可完成注液操作，當電磁閥動作后會給指定杯子進行液體注射，注液量是由管道壓力以及注射時間共同決定的，系統(tǒng)會根據(jù)客戶的輸入需求，結(jié)合目前管道壓力來確定最終的作業(yè)時間，并完成準確給定。為能夠防止電磁閥關(guān)閉打開過程中產(chǎn)生的脈沖信號影響控制單元，可以選擇直流電磁閥的控制方式，在托杯電氣控制過程中，當指定杯子轉(zhuǎn)到某一位置之后，此時會托起托杯，并能夠使杯子重量落在稱重傳感器中，可檢測目前杯子的空重量，結(jié)合采回來的樣值作為判斷執(zhí)行多種操作，在圓盤旋轉(zhuǎn)電機控制過程中可實現(xiàn)杯子選擇，采用步進電動機的方式，在圓盤上做好初始標記，可以通過霍爾傳感器進行初始位的識別過程，單片機輸出信號首先可以控制步進電動機，再由該電動機驅(qū)動器驅(qū)動相應(yīng)的電機進行運動，完成指定杯子選擇。在監(jiān)控報警方面，當控制量或壓力位置重量超過系統(tǒng)額定限制時，此時會發(fā)出報警信號，提醒工作人員進行故障處理，此外，安全報警模塊是和顯示器揚聲器驅(qū)動電路共同構(gòu)成的。

2 效果展示

在本研究中能夠結(jié)合實際情況，利用單片機進行智能液體給定系統(tǒng)開發(fā)，同時我們發(fā)現(xiàn)這種控制系統(tǒng)具有較好的運行穩(wěn)定性和安全性，且易于操作。通過更改程序可實現(xiàn)不同控制需求，未來將實現(xiàn)工業(yè)化、高精度生產(chǎn)，具有廣泛市場開發(fā)前景。

在本研究過程中需具備以下功能：首先要求高精度，當注液量低于30 mL時，其誤差范圍低于0.1 mL；當主液量高于30 mL低于40 mL時，其相應(yīng)的誤差范圍在0.1～0.15 mL；當注液量高于40 mL時，其誤差范圍不高于0.2 mL。通過研究，我們獲得注射過程中實際測量數(shù)據(jù)，表明該裝置具有良好的注液精確度。除高精度之外，還有多種運行模式，比如循環(huán)、隔杯、單杯注液等，同時還能實現(xiàn)預(yù)警功能，如溢出報警，即達到水位下限或上限報警等；且可采取自動開機校準，在單杯注液過程中遵循就近原則。

3 結(jié)語

針對當前工業(yè)開發(fā)過程中的需求，設(shè)計了智能化液體給定裝置，該裝置具有較強的系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，后期操作簡便，而且具有良好的精確度，相信未來該裝置將廣泛應(yīng)用于其他行業(yè)中。