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

作者: 時(shí)間:2017-06-03 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201706/347680.htm

基于系統(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

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Vcc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Vcc、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 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 簡(jiǎn)介

串口是一種非常通用的設(shè)備通信的協(xié)議。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(R1OUT)、11腳(T1IN)、14腳(T1OUT)為第一數(shù)據(jù)通道。8腳(R2IN)、9腳(R2OUT)、10腳(T2IN)、7腳(T2OUT)為第二數(shù)據(jù)通道。TTL/CMOS數(shù)據(jù)從T1IN、T2IN輸入轉(zhuǎn)換成RS-232數(shù)據(jù)從T1OUT、T2OUT送到電腦DB9插頭;DB9插頭的RS-232數(shù)據(jù)從R1IN、R2IN輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從R1OUT、R2OUT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、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

被測(cè)液體

空氣

谷物油

花生油

葵花油

芥花油

測(cè)量結(jié)果

(計(jì)數(shù)值)

2258

10411

32115

34115

41595

46813

2070

12983

29971

34323

43051

45783

2038

10411

32115

34115

41595

46813

2136

12983

29971

34323

43051

45783

2169

10411

32115

34115

41595

46813

2131

12983

29971

34323

43051

45783

2082

10411

32115

34115

41595

46813

2218

12983

29971

34323

43051

45783

2088

10411

32115

34115

41595

46813

2233

12983

29971

34323

43051

45783

平均值

2142

11697

31043

34219

42323

46298

時(shí)間值

(ms)

2.325

12.692

33.684

37.130

45.923

50.237

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

被測(cè)液體

空氣

谷物油

花生油

葵花油

芥花油

粘度值

(mPa·s)

0.0179

1.36

30.65

34.78

42.57

51.17

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

第6章 總結(jié)與展望

本課題對(duì)基于電磁感應(yīng)的液體粘度測(cè)量方法進(jìn)行了研究與探索。在參考了國(guó)內(nèi)外的很多液體粘度測(cè)量方法,包括傳統(tǒng)的測(cè)量方法與新興的測(cè)量方法的基礎(chǔ)上,提出了基于電磁感應(yīng)的液體粘度測(cè)量方法,并根據(jù)液體粘度的相關(guān)理論基礎(chǔ)與電磁學(xué)的相關(guān)原理設(shè)計(jì)了基于電磁感應(yīng)的液體粘度測(cè)量方案。

本課題首先針對(duì)提出的基于電磁感應(yīng)的液體粘度測(cè)量方案進(jìn)行了理論研究和分析,然后針對(duì)該測(cè)量方案的具體模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì),并且對(duì)該方案進(jìn)行了可行性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。本方案具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、操作方便、成本低等特點(diǎn)。本課題完成的主要工作如下:

1. 通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外的各種液體粘度測(cè)量方法,設(shè)計(jì)了基于電磁感應(yīng)的液體粘度測(cè)量方案。

2. 針對(duì)該方案中涉及到的理論基礎(chǔ)和相關(guān)原理進(jìn)行了分析和探討,證明了基于電磁感應(yīng)的液體粘度測(cè)量方案的理論上的可行性。

3. 根據(jù)測(cè)量系統(tǒng)的要求設(shè)計(jì)了機(jī)械探頭結(jié)構(gòu),為驅(qū)動(dòng)線圈和活塞提供空間,被測(cè)液體能夠自由進(jìn)入探頭內(nèi)部,使活塞在被測(cè)液體中往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

4. 設(shè)計(jì)了以單片機(jī)為核心的控制測(cè)量電路,主要包括驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生電路、感應(yīng)信號(hào)檢測(cè)反饋電路,并對(duì)電路各部分進(jìn)行了調(diào)試。

5. 使用C語(yǔ)言編寫了單片機(jī)程序,實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生、反饋信號(hào)的檢測(cè)、活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)間的計(jì)時(shí)以及與上位機(jī)通過(guò)串口通信等功能。同時(shí)使用VC編寫了上位機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)通過(guò)串口與單片機(jī)進(jìn)行通信,從單片機(jī)接收數(shù)據(jù),并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示等功能。

6. 搭建了基于電磁感應(yīng)的液體粘度測(cè)量系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),完成了系統(tǒng)的調(diào)試工作。

7. 根據(jù)相關(guān)理論基礎(chǔ)與相關(guān)原理以及所設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng),推導(dǎo)出了測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得的活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)間與被測(cè)液體粘度的對(duì)應(yīng)關(guān)系,建立了測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,并通過(guò)測(cè)量實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)擬合,對(duì)其進(jìn)行了標(biāo)定。

8. 對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了可行性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),主要包括系統(tǒng)的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)、系統(tǒng)的誤差測(cè)量實(shí)驗(yàn)、系統(tǒng)的穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)和系統(tǒng)的線性度實(shí)驗(yàn)等。

綜上所述,本文主要探索研究了一種基于電磁感應(yīng)的液體粘度測(cè)量方案,為進(jìn)一步研究探索在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下的液體粘度在線測(cè)量打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

本文在以下方面的工作取得了一定階段性創(chuàng)新成果:

1. 本論文探索了一種國(guó)內(nèi)目前還沒(méi)有開(kāi)展的基于電磁感應(yīng)的液體粘度測(cè)量方案,具有極高的創(chuàng)新性。

2. 測(cè)量方案中沒(méi)有涉及到任何附加的傳感器,完全利用電磁感應(yīng)的原理同時(shí)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生和感應(yīng)電壓信號(hào)的測(cè)量,結(jié)構(gòu)極為簡(jiǎn)單,實(shí)現(xiàn)方便,降低了開(kāi)發(fā)成本和難度,提高了可行性。

3. 實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)被測(cè)液體的粘度測(cè)量,并將誤差控制在了測(cè)量系統(tǒng)探索階段的合理范圍內(nèi)。

4. 成功的完成了系統(tǒng)重復(fù)性和穩(wěn)定性測(cè)量實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的變動(dòng)很小,保證了良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性,重復(fù)性最大偏差大約為1 mPa·s,穩(wěn)定性最大偏差只有0.6831 mPa·s,達(dá)到了理想的效果。

7. 對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了線性度分析,測(cè)量結(jié)果顯示目前系統(tǒng)的非線性度誤差僅為0.0074741 mPa·s,測(cè)量系統(tǒng)具有極高的線性度。

本課題雖然針對(duì)基于電磁感應(yīng)的液體粘度測(cè)量方法進(jìn)行了大量的研究,學(xué)習(xí)了很多相關(guān)的理論知識(shí),并對(duì)本課題中涉及的理論和原理進(jìn)行了大量的分析,并對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試進(jìn)行了很多的嘗試,但是由于本課題尚處于探索階段,且其工程性強(qiáng)、再加上實(shí)驗(yàn)條件有限、國(guó)內(nèi)機(jī)械加工精度不高等方面客觀因素的限制、再加之本人能力有限、時(shí)間倉(cāng)促等主觀因素的限制,系統(tǒng)中還存在不盡人意的許多方面,需要進(jìn)一步的改進(jìn),以便在基于電磁感應(yīng)的液體粘度測(cè)量方法的探索道路上更進(jìn)一步。

1. 由于柱狀永磁鐵活塞始終在兩個(gè)電磁線圈內(nèi)部往復(fù)運(yùn)動(dòng),所以測(cè)量系統(tǒng)理論模型的推導(dǎo)過(guò)程中對(duì)把電磁線圈對(duì)活塞的驅(qū)動(dòng)力假設(shè)為了恒力,但實(shí)際上隨著活塞位置的變化,電磁驅(qū)動(dòng)力有著較小的變動(dòng)。同時(shí),對(duì)活塞受力進(jìn)行分析時(shí),忽略了摩擦力的影響,不過(guò)這對(duì)粘度較大的液體幾乎沒(méi)有影響。

2. 對(duì)于感應(yīng)電壓信號(hào)的檢測(cè),本系統(tǒng)采用的電壓比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)的,電壓比較器的輸入電壓必須小于其電源供電電壓。而感應(yīng)電壓信號(hào)是疊加在電磁線圈驅(qū)動(dòng)電壓之上的,這就要求驅(qū)動(dòng)電壓必須要小于電壓比較器的供電電壓。而電壓比較器的供電電壓由有一定的限制,不能太高,這就決定了電磁線圈的驅(qū)動(dòng)電壓不能過(guò)高。所以,對(duì)于粘度過(guò)高的液體進(jìn)行測(cè)量時(shí),系統(tǒng)就會(huì)出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電壓不能滿足驅(qū)動(dòng)力的要求,而導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)力不足,使活塞無(wú)法在被測(cè)液體中進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng),從而使系統(tǒng)無(wú)法正常工作。

3. 對(duì)于本測(cè)量方案中的機(jī)械機(jī)構(gòu),為了使活塞在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不會(huì)飛出探頭內(nèi)部,在探頭兩端設(shè)置了側(cè)蓋來(lái)阻擋活塞的繼續(xù)運(yùn)動(dòng),同時(shí)在側(cè)蓋上打了小孔使被測(cè)液體自由進(jìn)入。但是,其實(shí)這樣液體并不是完全自由進(jìn)出的,在活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程,由于側(cè)蓋的阻力,被測(cè)液體便會(huì)對(duì)活塞的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)壓力作用,對(duì)被測(cè)液體的粘性阻力的測(cè)量產(chǎn)生影響。



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