基于電磁感應(yīng)的液體粘度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于電磁感應(yīng)的液體粘度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括控制處理電路設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì)三部分?？刂铺幚黼娐吩O(shè)計(jì)主要包括：核心控制處理芯片的選擇、芯片的外圍電路設(shè)計(jì)、控制電路電路設(shè)計(jì)和處理電路電路設(shè)計(jì)。機(jī)械結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)旨在實(shí)現(xiàn)電磁線圈驅(qū)動(dòng)永磁體活塞在被測(cè)液體中往復(fù)運(yùn)動(dòng)。其中要求：被測(cè)液體能夠自由進(jìn)入活塞的運(yùn)動(dòng)空間；線圈的安裝空間具有良好的密封性。軟件程序設(shè)計(jì)主要包括硬件程序編寫和上位機(jī)程序編寫。其中，硬件程序主要實(shí)現(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)的控制功能和處理功能以及與上位機(jī)的通信，上位機(jī)程序主要實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)的通信以及測(cè)量數(shù)據(jù)的處理和顯示。本章將對(duì)以上幾個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

1 信號(hào)產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)

信號(hào)產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)既電磁線圈驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)，要求產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電磁線圈實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電磁線圈交替通電，從而驅(qū)動(dòng)兩個(gè)線圈之間的柱狀永磁鐵活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

為了使電磁線圈對(duì)柱狀永磁鐵活塞的驅(qū)動(dòng)力為恒力，本系統(tǒng)采用恒定電壓的方波信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

1.1 方波產(chǎn)生電路方案選擇

1. 微控制器產(chǎn)生方波

微控制器產(chǎn)生方波實(shí)現(xiàn)非常簡(jiǎn)單，主要是利用I/O口產(chǎn)生高低電平，再經(jīng)后續(xù)電路的處理即可。后續(xù)電路的處理主要有以下方法：

• 利用D/A轉(zhuǎn)換器將I/O口輸出電平轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，再將放大電路放大；

• 直接將I/O口輸出電平進(jìn)行隔離放大，作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)；

• 將I/O口輸出電平進(jìn)行隔離放大后控制功率器件的通斷，從而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

利用微控制器產(chǎn)生方波實(shí)現(xiàn)方便，易于調(diào)節(jié)。并且考慮到后續(xù)感應(yīng)信號(hào)檢測(cè)處理電路的需要，使用微控制器更能滿足要求。

根據(jù)本測(cè)量系統(tǒng)的要求，微控制器需要實(shí)現(xiàn)的功能比較簡(jiǎn)單，所以選用經(jīng)濟(jì)普遍的51系列單片機(jī)作為微控制器芯片。該單片機(jī)主要需要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生固定周期方波、對(duì)感應(yīng)信號(hào)的檢測(cè)并計(jì)時(shí)以及利用串口與上位機(jī)進(jìn)行通信，以上三個(gè)功能都需要用到定時(shí)器，所以本系統(tǒng)選用了具有三個(gè)定時(shí)器的STC89C52RC單片機(jī)，其引腳圖如圖4-4所示。

圖4-4 STC89C52RC引腳圖

1.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)要想實(shí)現(xiàn)其他功能，首先其應(yīng)該具備一些最基本的外圍電路，即使其正常工作的最小系統(tǒng)，其主要包括電源電路、復(fù)位電路和時(shí)鐘電路。

（1）電源電路

STC89C52RC單片機(jī)的電源電壓V_cc為5V，一般實(shí)驗(yàn)室內(nèi)有很多滿足要求的電源，但由于單片機(jī)的供電電源電壓要求比較穩(wěn)定，這樣就要對(duì)輸入電壓在接入電源引腳前進(jìn)行穩(wěn)壓和濾波。由于本系統(tǒng)需要用到PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和顯示，所以單片機(jī)電源直接由PC機(jī)USB口供電。USB接口有四根線分別是電源線V_cc、地線GND、數(shù)據(jù)線DATA+和數(shù)據(jù)線DATA-，其中電源線和地線之間的電壓即為5V，其電壓的穩(wěn)定性完全能夠滿足單片機(jī)電源電壓的要求，使用它為單片機(jī)的電源供電就減少了對(duì)電源電壓的一些處理過(guò)程。

其電路原理圖如圖4-5所示。

圖4-5 電源電路原理圖

其中，電源與地之間的并聯(lián)的電解電容進(jìn)一步增加了供電電壓的穩(wěn)定性，LED是供電電源的指示燈。

（2）復(fù)位電路

89系列單片機(jī)與其他微處理器一樣，在啟動(dòng)時(shí)都需要復(fù)位，使系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)。RST引腳是復(fù)位信號(hào)的輸入端。復(fù)位信號(hào)是高電平有效，其有效時(shí)間應(yīng)持續(xù)24個(gè)振蕩周期（即兩個(gè)機(jī)器周期）以上^[38,39]。

復(fù)位操作有上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵手動(dòng)復(fù)位兩種方式，本設(shè)計(jì)中采用手動(dòng)復(fù)位和上電自動(dòng)復(fù)位組合的方式。

其電路原理圖如圖4-6所示。

圖4-6 復(fù)位電路原理圖

在通電瞬間，電容C3通過(guò)電阻R2充電，RST端出現(xiàn)正脈沖，用以復(fù)位，穩(wěn)定后，RST端恢復(fù)到低電位；系統(tǒng)上電運(yùn)行后若需要復(fù)位，按下開(kāi)關(guān)S1，在開(kāi)關(guān)接通瞬間，RST端出現(xiàn)正脈沖，用以復(fù)位，開(kāi)關(guān)S1抬起后，RST端又逐漸恢復(fù)到低電位。

（3）時(shí)鐘電路

時(shí)鐘電路是單片機(jī)的心臟, 它控制著單片機(jī)的工作節(jié)奏。單片機(jī)就是通過(guò)復(fù)雜的時(shí)序電路完成不同的指令功能的。單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)可以由兩種方式產(chǎn)生：一種是內(nèi)部方式，利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)；另一種為外部方式，時(shí)鐘信號(hào)由外部引入。

本設(shè)計(jì)中采用外部引入方式，其電路原理圖如圖4-7所示。

圖4-7 時(shí)鐘電路原理圖

晶振Y1的頻率決定了單片機(jī)的振蕩頻率，由于本系統(tǒng)中用到串行通信，為了設(shè)置波特率方便，本設(shè)計(jì)采用的晶振頻率為11.0592MHz。其中C1、C2的主要作用是幫助起振和對(duì)振蕩頻率進(jìn)行微調(diào)^[40]。

1.3 方波產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)

方波信號(hào)產(chǎn)生電路首先由單片機(jī)某一I/O口交替產(chǎn)生高低電平，再由反相器得到其互補(bǔ)信號(hào)，形成一對(duì)互補(bǔ)信號(hào)。然后，將兩路信號(hào)經(jīng)過(guò)光電耦合器隔離后分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)開(kāi)關(guān)管，進(jìn)而控制電磁線圈的通斷。

因?yàn)楸鞠到y(tǒng)中是用單片機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管和電磁線圈等大功率器件，所以使用光電耦合器隔離前面的數(shù)字部分和后面的模擬部分^[41,42]。

本設(shè)計(jì)中采用的光電耦合器是TLP521，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖4-8所示。

圖4-8 光耦內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

光電耦合器的工作原理是輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管，使之發(fā)出一定波長(zhǎng)的光，被光探測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了“電—光—電”的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出隔離的作用^[43]。

其典型應(yīng)用電路如圖4-9所示。

圖4-9 光耦典型應(yīng)用電路

本設(shè)計(jì)采用MOS開(kāi)關(guān)管的通斷來(lái)控制電磁線圈的交替通電，兩個(gè)電磁線圈分別和兩個(gè)開(kāi)關(guān)管串聯(lián)，光電耦合器的輸出信號(hào)控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和截止，從而控制電磁線圈的通電狀態(tài)。

其電路原理圖如圖4-10所示。

圖4-10 方波產(chǎn)生電路原理圖

2 感應(yīng)信號(hào)檢測(cè)處理電路設(shè)計(jì)

利用以上電路，通過(guò)單片機(jī)可以產(chǎn)生某一固定周期的方波控制兩個(gè)電磁線圈交替通電，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)柱狀永磁鐵活塞在兩個(gè)電磁線圈之間往復(fù)運(yùn)動(dòng)?；钊诰€圈之間運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)對(duì)線圈產(chǎn)生感應(yīng)電壓。本系統(tǒng)中通過(guò)對(duì)感應(yīng)電壓信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)處理并反饋到單片機(jī)，使單片機(jī)控制方波信號(hào)的實(shí)時(shí)翻轉(zhuǎn)，實(shí)時(shí)控制開(kāi)關(guān)管的通斷，從而切換兩個(gè)電磁線圈的通電狀態(tài)，就可以實(shí)現(xiàn)活塞在線圈之間的運(yùn)動(dòng)方向的實(shí)時(shí)改變，實(shí)現(xiàn)活塞的實(shí)時(shí)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

本系統(tǒng)中的感應(yīng)電壓信號(hào)是疊加在驅(qū)動(dòng)電壓上的一個(gè)小電壓信號(hào)。由于本系統(tǒng)不要求得到感應(yīng)電壓信號(hào)的準(zhǔn)確值，只需要檢測(cè)感應(yīng)電壓達(dá)到某一臨界值的時(shí)刻。所以，設(shè)計(jì)中采用常用的電壓比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能^[44]。

電壓比較器是集成運(yùn)放的非線性應(yīng)用電路，它將一個(gè)模擬量電壓信號(hào)和一個(gè)參考電壓相比較，在二者幅度相等的附近，輸出電壓將產(chǎn)生躍變，相應(yīng)輸出高電平或低電平。比較器可以組成非正弦波形變換電路及應(yīng)用于模擬與數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域^[45]。

根據(jù)感應(yīng)電壓信號(hào)的特點(diǎn)，本系統(tǒng)中選用電壓比較器LM339作為感應(yīng)電壓的檢測(cè)芯片。LM339芯片內(nèi)部裝有四個(gè)獨(dú)立的電壓比較器，是很常見(jiàn)的集成電路。利用lm339可以方便的組成各種電壓比較器電路和振蕩器電路。圖4-11為其引腳圖。

圖4-11 LM339引腳圖

LM339類似于增益不可調(diào)的運(yùn)算放大器。每個(gè)比較器有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。兩個(gè)輸入端一個(gè)稱為同相輸入端，用“+”表示，另一個(gè)稱為反相輸入端，用“-”表示。用作比較兩個(gè)電壓時(shí)，任意一個(gè)輸入端加一個(gè)固定電壓做參考電壓（也稱為門限電平，它可選擇LM339輸入共模范圍的任何一點(diǎn)），另一端加一個(gè)待比較的信號(hào)電壓。當(dāng)“+”端電壓高于“-”端時(shí)，輸出管截止，相當(dāng)于輸出端開(kāi)路。當(dāng)“-”端電壓高于“+”端時(shí)，輸出管飽和，相當(dāng)于輸出端接低電位。兩個(gè)輸入端電壓差別大于10mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，因此，把LM339用在弱信號(hào)檢測(cè)等場(chǎng)合是比較理想的。LM339的輸出端相當(dāng)于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時(shí)輸出端到正電源一般須接一只電阻（稱為上拉電阻，選3-15K）。選不同阻值的上拉電阻會(huì)影響輸出端高電位的值。因?yàn)楫?dāng)輸出晶體三極管截止時(shí)，它的集電極電壓基本上取決于上拉電阻與負(fù)載的值。另外，各比較器的輸出端允許連接在一起使用^[46]。

本系統(tǒng)利用LM339檢測(cè)電磁線圈上的感應(yīng)電壓信號(hào)，當(dāng)其達(dá)到某一臨界值時(shí)，即活塞運(yùn)動(dòng)到某一位置時(shí)，電壓比較器輸出高電平，并將其反饋給單片機(jī)，進(jìn)而控制方波信號(hào)翻轉(zhuǎn)。

其電路原理圖如圖4-12所示。

圖4-12 感應(yīng)信號(hào)檢測(cè)處理原理圖

3 串口通信設(shè)計(jì)

本測(cè)量系統(tǒng)中，單片機(jī)記錄活塞在被測(cè)液體中往復(fù)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，然后通過(guò)串口將記錄的時(shí)間數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)上進(jìn)行分析處理和顯示。

3.1 串口通信簡(jiǎn)介

串口是一種非常通用的設(shè)備通信的協(xié)議。串口通信的概念非常簡(jiǎn)單，串口按位（bit）發(fā)送和接收字節(jié)。盡管比按字節(jié)（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)用另一根線接收數(shù)據(jù)。它很簡(jiǎn)單并且能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離通信^[47]。

51單片機(jī)的串行口試一個(gè)可編程全雙工的通信接口，具有UART（通用異步收發(fā)器）的全部功能，能同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，也可作為同步移位寄存器使用^[48]。

3.2 串口電路設(shè)計(jì)

51單片機(jī)上串行口的輸入輸出電平為5VTTL（晶體管-晶體管邏輯電平）電平，即+5V等價(jià)于邏輯1，0V等價(jià)于邏輯0，而PC機(jī)的串行口為RS-232C接口，其輸入輸出電平滿足RS-232C的電氣特性，即用-5V~-15V表示邏輯1，用+5V~+15V表示邏輯0。所以單片機(jī)與PC機(jī)之間進(jìn)行串口通信需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換^[49]。

本系統(tǒng)中采用常用的電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，MAX232芯片是美信公司專門為電腦的RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的接口電路，使用+5V單電源供電。內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本可分三個(gè)部分：第一部分是電荷泵電路。由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構(gòu)成。功能是產(chǎn)生+12v和-12v兩個(gè)電源，提供給RS-232串口電平的需要。第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。由7、8、9、10、11、12、13、14腳構(gòu)成兩個(gè)數(shù)據(jù)通道。其中13腳（R1IN）、12腳（R1_OUT）、11腳（T1_IN）、14腳（T1_OUT）為第一數(shù)據(jù)通道。8腳（R2_IN）、9腳（R2_OUT）、10腳（T2_IN）、7腳（T2_OUT）為第二數(shù)據(jù)通道。TTL/CMOS數(shù)據(jù)從T1_IN、T2_IN輸入轉(zhuǎn)換成RS-232數(shù)據(jù)從T1_OUT、T2_OUT送到電腦DB9插頭；DB9插頭的RS-232數(shù)據(jù)從R1_IN、R2_IN輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從R1_OUT、R2_OUT輸出。第三部分是供電。15腳GND、16腳VCC（+5V）。其引腳圖如圖4-13所示。

圖4-13 MAX232引腳圖

本設(shè)計(jì)中串口通信的電路原理圖如圖4-14所示。

圖4-14 串口通信電路原理圖

4機(jī)械機(jī)構(gòu)部分設(shè)計(jì)

機(jī)械結(jié)構(gòu)部分是為提供電磁線圈驅(qū)動(dòng)柱狀永磁體活塞在被測(cè)液體中往復(fù)運(yùn)動(dòng)的探頭結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)中將機(jī)械探頭設(shè)計(jì)成雙套筒結(jié)構(gòu)，內(nèi)套筒為電磁線圈和被測(cè)液體提供隔離，其內(nèi)部為可以自由出入的被測(cè)液體，活塞在其中做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，內(nèi)外套筒之間安裝電磁線圈，外套筒隔離其與探頭外部的被測(cè)液體。整個(gè)探頭結(jié)構(gòu)包括：內(nèi)套筒、外套筒和兩個(gè)側(cè)蓋^[50,51]。

4.1 內(nèi)外套筒設(shè)計(jì)

內(nèi)、外套筒結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單只要設(shè)計(jì)尺寸滿足要求即可。本系統(tǒng)中外套筒和內(nèi)套筒之間安裝電磁墊圈，而且根據(jù)本系統(tǒng)中電磁線圈緊湊安裝的要求，它們的長(zhǎng)度應(yīng)該為兩個(gè)電磁線圈長(zhǎng)度之和，它們的內(nèi)徑應(yīng)該為電磁線圈的外徑，壁厚都設(shè)計(jì)為2mm。其中外套筒為了和側(cè)蓋進(jìn)行裝配安裝，設(shè)計(jì)了法蘭盤結(jié)構(gòu)。

圖4-15、4-16分別為內(nèi)外套筒的剖面圖。

圖4-15 外套筒剖面圖 圖4-16 內(nèi)套筒剖面圖

4.2 側(cè)蓋設(shè)計(jì)

機(jī)械探頭用兩個(gè)側(cè)蓋與內(nèi)外套筒的兩端進(jìn)行裝配安裝，一方面保證外部的被測(cè)液體與套筒之間的電磁線圈的隔離，另一方面又要保證被測(cè)液體能夠自由進(jìn)入活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的內(nèi)筒內(nèi)部，同時(shí)保證活塞不能跑出機(jī)械探頭。

本設(shè)計(jì)中，采用在側(cè)蓋上對(duì)應(yīng)內(nèi)筒的位置打上多個(gè)小孔，其中小孔的直徑小于活塞直徑，保證了活塞不會(huì)跑出機(jī)械探頭，而被測(cè)液體又能通過(guò)小孔流入內(nèi)筒內(nèi)部。

由于柱狀永磁鐵活塞是有極性的，所以如果活塞運(yùn)動(dòng)到某一端，運(yùn)動(dòng)到超過(guò)電磁線圈內(nèi)部中點(diǎn)時(shí)，電磁線圈對(duì)活塞的驅(qū)動(dòng)力方向?qū)l(fā)生改變，活塞將無(wú)法形成往復(fù)運(yùn)動(dòng)。本系統(tǒng)中，在側(cè)蓋上設(shè)計(jì)了伸入內(nèi)筒內(nèi)部的凸臺(tái)，限制活塞的運(yùn)動(dòng)的位置，凸臺(tái)高度為線圈長(zhǎng)度的一半，從而保證了活塞的運(yùn)動(dòng)位置不超過(guò)線圈的中點(diǎn)。同時(shí)，側(cè)蓋上還設(shè)計(jì)了與外筒進(jìn)行裝配安裝的對(duì)應(yīng)法蘭盤結(jié)構(gòu)。兩面的兩個(gè)側(cè)蓋完全一樣。

圖4-17為側(cè)蓋的剖面圖。

圖4-17 側(cè)蓋剖面圖

4.3 探頭總體結(jié)構(gòu)

將以上設(shè)計(jì)的內(nèi)套筒內(nèi)部放入柱狀永磁鐵鐵活塞，內(nèi)套筒與外套筒之間安裝上兩個(gè)電磁線圈，兩端用側(cè)蓋密封，側(cè)蓋與外筒之間通過(guò)法蘭盤用螺絲固定，這樣就構(gòu)成了機(jī)械探頭的總體結(jié)構(gòu)，將其放入被測(cè)液體中，被測(cè)液體可以自由進(jìn)入內(nèi)套筒內(nèi)部，電磁線圈驅(qū)動(dòng)柱狀永磁鐵活塞在被測(cè)液體中往復(fù)運(yùn)動(dòng)，記錄活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)間，便可以得到被測(cè)液體的粘度。

探頭總體結(jié)構(gòu)剖面圖如圖4-18所示。

圖4-18 探頭總體結(jié)構(gòu)剖面圖

5 軟件程序設(shè)計(jì)

本測(cè)量系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)程序設(shè)計(jì)。

5.1 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)程序主要實(shí)現(xiàn)方波驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生、感應(yīng)電壓信號(hào)的檢測(cè)處理、活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)間的記錄以及通過(guò)串口向上位機(jī)傳送記錄的數(shù)據(jù)。

其程序流程圖如圖4-19所示：

首先，對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化，包括設(shè)置定時(shí)器工作方式、裝載定時(shí)器初值、設(shè)置串口工作方式、設(shè)置串行通信波特率、開(kāi)中斷等。正常工作時(shí)，單片機(jī)通過(guò)檢測(cè)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電壓信號(hào)來(lái)控制方波翻轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動(dòng)活塞繼續(xù)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而再次產(chǎn)生感應(yīng)電壓信號(hào)。所以，進(jìn)入單片機(jī)主程序后便開(kāi)始循環(huán)檢測(cè)感應(yīng)電壓信號(hào)，一旦檢測(cè)到有感應(yīng)電壓信號(hào)反饋到單片機(jī)，程序立即控制單片機(jī)I/O口翻轉(zhuǎn)方波信號(hào)，驅(qū)動(dòng)活塞反方向運(yùn)動(dòng)，記錄活塞的運(yùn)動(dòng)時(shí)間（由定時(shí)器T0計(jì)數(shù)得出），重新計(jì)時(shí)，并向上位機(jī)發(fā)送記錄的數(shù)據(jù)。

但是，有時(shí)可能未能檢測(cè)到感應(yīng)電壓信號(hào)，此時(shí)方波不在翻轉(zhuǎn)，活塞便無(wú)法繼續(xù)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，也就不會(huì)再有感應(yīng)電壓信號(hào)。所以程序中設(shè)計(jì)了超時(shí)溢出，并進(jìn)行了溢出處理，使程序能夠在未能檢測(cè)到感應(yīng)電壓信號(hào)的情況下繼續(xù)正常工作。如果長(zhǎng)時(shí)間未檢測(cè)到感應(yīng)電壓信號(hào)，則程序超時(shí)溢出（由定時(shí)器T1控制），同時(shí)翻轉(zhuǎn)方波，驅(qū)動(dòng)活塞繼續(xù)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，重新計(jì)時(shí)，并且重載超時(shí)計(jì)時(shí)器。這樣系統(tǒng)便能恢復(fù)到正常的工作狀態(tài)。

4.5.2 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)程序主要實(shí)現(xiàn)的功能包括通過(guò)串口從下位機(jī)接收數(shù)據(jù)，并在上位機(jī)上進(jìn)行處理和顯示。本系統(tǒng)的上位機(jī)程序是VC進(jìn)行編程。

（1）數(shù)據(jù)的接收

本系統(tǒng)通過(guò)串口進(jìn)行上位機(jī)和下位機(jī)的數(shù)據(jù)通信。在VC中使用MFC編程，可以通過(guò)MSComm控件方便的對(duì)串口進(jìn)行控制。MSComm控件是Microsoft公司提供的簡(jiǎn)化Windows下串行通信編程的ActiveX控件，為應(yīng)用程序提供了通過(guò)串行通信功能。

在MFC下使用MSComm控件，只需設(shè)置一些簡(jiǎn)單的參數(shù)，并編寫一些自己的程序所需要實(shí)現(xiàn)的功能，便可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和單片機(jī)之間串口通信。

（2）數(shù)據(jù)的處理和顯示

單片機(jī)通過(guò)串口傳送到上位機(jī)的數(shù)據(jù)是通過(guò)定時(shí)器記錄的活塞在被測(cè)液體中往復(fù)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間。所以上位機(jī)程序需要對(duì)其進(jìn)行處理，從而得到對(duì)應(yīng)的被測(cè)液體的粘度值。

定時(shí)器在計(jì)數(shù)狀態(tài)下是每個(gè)機(jī)器周期計(jì)數(shù)一次，由于單片機(jī)采用的晶振的頻率是11.0592MHz，所以定時(shí)器的計(jì)數(shù)一次的時(shí)間為：

（4-1）

即定時(shí)器的計(jì)數(shù)值為n時(shí)，活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為：

（4-2）

再根據(jù)第三章中推導(dǎo)出的被測(cè)液體粘度與活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)間的關(guān)系，即式（3-54），便可求得被測(cè)液體的粘度值。

上位機(jī)程序既是把通過(guò)串口從單片機(jī)接收到的數(shù)據(jù)根據(jù)以上公式進(jìn)行計(jì)算處理，得到被測(cè)液體的粘度值，并在程序界面上進(jìn)行顯示。

第5章 測(cè)量系統(tǒng)可行性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

本論文之前的內(nèi)容介紹了基于電磁感應(yīng)的液體粘度測(cè)量方法的原理，分析了測(cè)量方法的理論基礎(chǔ)，并設(shè)計(jì)了測(cè)量系統(tǒng)的各個(gè)模塊。本章根據(jù)以上原理和理論基礎(chǔ)，搭建了基于電磁感應(yīng)的液體粘度測(cè)量系統(tǒng)，并進(jìn)行了測(cè)量系統(tǒng)的可行性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，且對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析和探討。

5.1 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置

在前面幾章的基礎(chǔ)上，依據(jù)基于電磁感應(yīng)的液體粘度測(cè)量方法的工作原理、理論分析和設(shè)計(jì)方案搭建了系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)。

其實(shí)物圖如圖5-1所示。

圖5-1 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

本系統(tǒng)中，電路板與裝在探頭中的兩個(gè)電磁線圈進(jìn)行連接，控制電磁線圈交替通電，從而驅(qū)動(dòng)探頭內(nèi)的柱狀永磁鐵活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，電路板檢測(cè)由于活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)而對(duì)電磁線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電壓信號(hào)，并記錄活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)間，然后通過(guò)串口傳送到PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示。

本系統(tǒng)用到三個(gè)電源，其中單片機(jī)使用USB供電，活塞驅(qū)動(dòng)電壓使用一個(gè)可調(diào)電壓的電源供電，感應(yīng)電壓信號(hào)檢測(cè)模塊的電壓比較器使用12V固定電壓電源供電。

5.2 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與分析

5.2.1 活塞固定周期運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)

首先進(jìn)行的是活塞以固定周期往復(fù)運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)。利用單片機(jī)產(chǎn)生固定周期的方波信號(hào)，控制柱狀永磁鐵活塞以固定周期往復(fù)運(yùn)動(dòng)^[54]。此時(shí)，可以觀察電磁線圈上的電壓波形的特點(diǎn)。

當(dāng)探頭中不放入柱狀永磁鐵活塞時(shí)，即沒(méi)有活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電磁線圈上也就沒(méi)有感應(yīng)電壓信號(hào)。此時(shí)，電磁線圈上只有驅(qū)動(dòng)電壓的方波信號(hào)。

其波形圖如圖5-2所示。

圖5-2 驅(qū)動(dòng)電壓波形圖

當(dāng)柱狀永磁鐵活塞放入探頭中后，在驅(qū)動(dòng)電壓下，活塞就會(huì)在兩個(gè)電磁線圈之間以固定周期做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。而活塞的運(yùn)動(dòng)就會(huì)在電磁線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，此時(shí)電磁線圈上的電壓信號(hào)就是驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)和感應(yīng)電壓信號(hào)的疊加。

其波形圖如圖5-3所示。

圖5-3 感應(yīng)電壓波形圖

5.2.2 活塞實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)

由以上感應(yīng)電壓與驅(qū)動(dòng)電壓疊加的電壓波形圖，可以看出感應(yīng)電壓信號(hào)的大致幅度。根據(jù)感應(yīng)電壓信號(hào)的大小和特點(diǎn)，則可以對(duì)感應(yīng)電壓信號(hào)檢測(cè)模塊的電壓比較器的輸入?yún)⒖茧妷褐颠M(jìn)行設(shè)置。本系統(tǒng)中是通過(guò)電位器對(duì)電壓比較器的電源電壓進(jìn)行分壓，通過(guò)調(diào)節(jié)電位器便可以得到合適的參考電壓值。

通過(guò)對(duì)活塞在實(shí)驗(yàn)中需要測(cè)量的幾種液體中運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電壓信號(hào)波形圖進(jìn)行觀察，感應(yīng)電壓信號(hào)的幅值大致在500mV-1V的范圍之間。而驅(qū)動(dòng)電壓的電壓值為9V時(shí)，對(duì)所要測(cè)量的幾種液體都能實(shí)現(xiàn)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)對(duì)驅(qū)動(dòng)力的需求，所以驅(qū)動(dòng)電壓設(shè)置為9V。

根據(jù)以上所述，本系統(tǒng)將電壓比較器的輸入?yún)⒖茧妷褐翟O(shè)置為9.1V，這樣便能對(duì)活塞在實(shí)驗(yàn)中需要測(cè)量的幾種液體的運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電壓信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，并且還留有一定的裕量。

設(shè)置好參考電壓，啟動(dòng)感應(yīng)電壓檢測(cè)模塊后，活塞實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

此時(shí)，其波形圖如圖5-4所示。

圖5-4 實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)電壓波形圖

5.2.3 系統(tǒng)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

實(shí)現(xiàn)活塞的實(shí)時(shí)往復(fù)運(yùn)動(dòng)之后，就可以測(cè)量活塞在不同液體中的實(shí)時(shí)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間。本系統(tǒng)中通過(guò)單片機(jī)定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能來(lái)記錄活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，其計(jì)數(shù)一次為單片機(jī)的一個(gè)機(jī)器周期。

根據(jù)以上所述，系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)可以將探頭浸入被測(cè)液體液體中，使活塞在被測(cè)液體中做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)單片機(jī)定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能來(lái)記錄活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間。

由第三章中的理論推導(dǎo)得出的被測(cè)液體粘度和活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)間的關(guān)系以及定時(shí)器計(jì)數(shù)值和時(shí)間的關(guān)系，便可以得到被測(cè)液體的粘度。

由于公式（3-54）中含有一未知數(shù)F₁，所以需要利用幾種液體的測(cè)量結(jié)果，對(duì)公式中的未知數(shù)F₁進(jìn)行標(biāo)定。

本實(shí)驗(yàn)中選取了空氣、水、谷物調(diào)和油、花生油、葵花油和芥花油幾種介質(zhì)。實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2010年4月10日，實(shí)驗(yàn)條件為室溫（18-22℃）。使用圖5-1所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)上述幾種介質(zhì)進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)機(jī)械探頭浸入被測(cè)液體中時(shí)，活塞便在液體中往復(fù)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)單片機(jī)定時(shí)器的計(jì)數(shù)值記錄了活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)間。

其測(cè)量結(jié)果如表5-1所示。

表5-1 活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)間測(cè)量結(jié)果

在同樣的條件下，使用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)（型號(hào)為KU-2）測(cè)得的上述幾種介質(zhì)的粘度值如表5-2所示。

表5-2 旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)量結(jié)果

以旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)得的粘度值作為標(biāo)準(zhǔn)值，其與使用

圖5-5 粘度值-運(yùn)動(dòng)時(shí)間關(guān)系曲線圖

又由式（3-54）

式中L=26mm，R=5mm，r=4.5mm，m=12.3g，換算成國(guó)際制單位，并代入上式，得

（5-1）

式中時(shí)間T的單位為秒（s），粘度值η的單位為Pa·s。將時(shí)間T的單位變換為毫秒（ms），粘度值η的單位變換為mPa·s時(shí)，式（5-1）可以變換為如下形式。

（5-2）

根據(jù)上述幾種被測(cè)介質(zhì)的測(cè)量結(jié)果中的活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)粘度計(jì)測(cè)得的粘度值之間的關(guān)系，擬合出公式（5-1）中的未知數(shù)F₁。

擬合結(jié)果為，F(xiàn)₁=2.234，最終擬合出的公式如下式所示：

（5-3）

其擬合曲線如下圖5-6所示。

圖5-6 粘度值-運(yùn)動(dòng)時(shí)間擬合曲線圖

根據(jù)公式（5-3），被測(cè)液體粘度值與活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)間之間的理論關(guān)系曲線圖如下圖5-7所示。

圖5-7 粘度值-運(yùn)動(dòng)時(shí)間理論曲線圖