超薄磁力攪拌器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　攪拌器是化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的一種常用設(shè)備，廣泛應(yīng)用于化工、醫(yī)藥、食品、涂料、油漆、環(huán)保、化妝品等領(lǐng)域。傳統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)溶液的攪拌多為手動(dòng)操作，不僅耗費(fèi)人力，還會(huì)造成反應(yīng)溶液攪拌不均勻的現(xiàn)象，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確。磁力攪拌器能很好地解決這一問(wèn)題。磁力攪拌器不但操作簡(jiǎn)單，且可以按照操作人員意愿調(diào)整攪拌速度及攪拌方向，大大簡(jiǎn)化了操作過(guò)程，同時(shí)解決了對(duì)具有毒性或粘稠性反應(yīng)溶液攪拌困難的難題。
常規(guī)磁力攪拌器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示[1]。其基本原理是：通過(guò)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)外永磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過(guò)磁場(chǎng)的作用，由外永磁鐵的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)內(nèi)部攪拌子(永磁鐵)的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而達(dá)到攪拌的目的，即由電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再由機(jī)械能轉(zhuǎn)化為磁能。參考文獻(xiàn)[2]、[3]、[4]所設(shè)計(jì)的磁力攪拌器結(jié)構(gòu)原理也大致與此相同，其主要特點(diǎn)是都帶有電動(dòng)機(jī)，致使攪拌器的體積較大。對(duì)于便攜式測(cè)量?jī)x器，要求磁力攪拌器厚度較小、質(zhì)量較輕，而傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法難以實(shí)現(xiàn)這些要求。
　依據(jù)電磁轉(zhuǎn)換原理，本文設(shè)計(jì)了一種超薄磁力攪拌器。通過(guò)在多個(gè)螺旋線圈中流過(guò)不同相位的脈沖電流，直接產(chǎn)生磁場(chǎng)，帶動(dòng)內(nèi)部攪拌子(永磁鐵)的轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到攪拌的目的，即由電能直接轉(zhuǎn)化為磁能。其優(yōu)點(diǎn)是省去了傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)中間部分，可以有效地簡(jiǎn)化攪拌器的結(jié)構(gòu)、減輕了質(zhì)量，最重要的是可以做到超薄，從而使磁力攪拌器更好地應(yīng)用于電化學(xué)便攜式檢測(cè)系統(tǒng)中。
1 電磁轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)
　根據(jù)如圖2所示的右手螺旋定則，在螺旋線圈中通過(guò)電流后，螺旋線圈上方將產(chǎn)生N極磁場(chǎng)，下方將產(chǎn)生S極磁場(chǎng)。如果通過(guò)螺旋線圈的電流方向相反，則線圈上下方產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向也將改變。這樣，通過(guò)改變螺旋線圈中流過(guò)電流的有無(wú)及方向，就可以根據(jù)實(shí)際要求來(lái)控制螺旋線圈中磁場(chǎng)的極性。

　為了使攪拌器的攪拌子平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)，需要考慮的問(wèn)題是為攪拌器配置多少個(gè)螺旋線圈，線圈越多越穩(wěn)定，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜度及控制復(fù)雜度也相應(yīng)提高。通?？梢钥紤]配置的螺旋線圈方案為：4個(gè)、6個(gè)和8個(gè)，即線圈間的角度分別為90°、60°和45°。
　本文所設(shè)計(jì)的磁力攪拌器采用4個(gè)螺旋線圈對(duì)角線放置，如圖3所示。其中攪拌子的材質(zhì)為永磁體，放在攪拌器上面。在圖3中，把對(duì)角線上的兩個(gè)螺旋線圈設(shè)為一組，即線圈1、3為一組，2、4為一組。每組螺旋線圈同時(shí)通有電流，但電流方向相反，即在同一時(shí)刻呈現(xiàn)的磁場(chǎng)極性相反。這樣，分別控制兩組螺旋線圈中電流的通斷及方向，就可以控制兩組線圈不同時(shí)刻所產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)的方向，進(jìn)而控制攪拌子的轉(zhuǎn)動(dòng)。

　設(shè)定攪拌子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)一圈的8個(gè)方向?yàn)椋何鞅?、正北、東北、正東、東南、正南、西南、正西，如圖4所示，其中，N表示螺旋線圈產(chǎn)生的N極磁場(chǎng)，S表示螺旋線圈產(chǎn)生的S極磁場(chǎng)，*表示沒(méi)有磁場(chǎng)。這樣，就需要各個(gè)螺旋線圈產(chǎn)生相應(yīng)的磁場(chǎng)極性。

　根據(jù)圖4中螺旋線圈磁場(chǎng)極性的要求，只要在不同時(shí)刻控制兩組螺旋線圈中電流的有無(wú)及方向，就可以控制兩組螺旋線圈在不同時(shí)刻疊加出不同方向的磁場(chǎng)。兩組螺旋線圈電流的時(shí)序如圖5所示，其中T(t/s)為攪拌子轉(zhuǎn)動(dòng)一圈的時(shí)間，I(i/A)為流過(guò)線圈的電流值。

2 磁力攪拌器硬件設(shè)計(jì)
2.1 硬件總體結(jié)構(gòu)
　磁力攪拌器的硬件主要由單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路、螺旋線圈及電源等四部分組成，其框圖如圖6所示。其中，單片機(jī)為硬件結(jié)構(gòu)的核心，采用AT89S51芯片負(fù)責(zé)按鍵的讀取并產(chǎn)生相應(yīng)的電流時(shí)序控制信號(hào)；驅(qū)動(dòng)電路采用L6129DS芯片，其根據(jù)單片機(jī)的控制信號(hào)輸出相應(yīng)的電流時(shí)序；兩組螺旋線圈根據(jù)流入的電流產(chǎn)生相應(yīng)的磁場(chǎng)；電源負(fù)責(zé)給單片機(jī)及驅(qū)動(dòng)芯片供電。

2.2 處理器選型
　處理器選用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S51單片機(jī)。該單片機(jī)是一款低功耗、高性能的CMOS 8 bit單片機(jī)，內(nèi)含4 KB Flash程序存儲(chǔ)器，128 B的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，32個(gè)外部雙向輸入/輸出(I/O)口，5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，兩層嵌套中斷，兩個(gè)16 bit可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，兩個(gè)全雙工串行通信口，看門(mén)狗(WDT)電路，片內(nèi)有時(shí)鐘振蕩器。
　單片機(jī)主要負(fù)責(zé)按鍵的采集，并根據(jù)采集到的信息將相應(yīng)的電流時(shí)序發(fā)送給驅(qū)動(dòng)電路。單片機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路、按鍵電路及SPI接口電路的連接如圖7所示。其中，單片機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)P2口連接。

2.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
　本文所設(shè)計(jì)的磁力攪拌器為超薄型，用于便攜式測(cè)量?jī)x的溶液攪拌，反應(yīng)溶液粘稠度較低。攪拌子的質(zhì)量重為1.95 g，長(zhǎng)為20 mm，半徑為6.58 mm；所使用的螺旋線圈繞組為0.1 mm的銅絲、高度為4.5 mm，每個(gè)螺旋線圈繞組外圍半徑為10 mm。根據(jù)電磁關(guān)系，要求驅(qū)動(dòng)芯片的輸出電流范圍為300 mA~500 mA。
根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，THB6064、TB6560、TB8435、L6219DS等幾款電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片均可提供大小及相位可控的電流驅(qū)動(dòng)。根據(jù)螺旋線圈繞組特性(匝數(shù)、材質(zhì)、半徑等)、所要攪拌溶液的粘稠度及燒杯半徑等參數(shù)的變化，需要攪拌子的質(zhì)量、半徑、材質(zhì)要相應(yīng)改變，這樣要求驅(qū)動(dòng)芯片輸出的電流大小也要相應(yīng)地改變。綜合考慮驅(qū)動(dòng)芯片的輸出電流、控制難易度及性價(jià)比等因素，本系統(tǒng)選擇L6219DS芯片作為驅(qū)動(dòng)芯片。
　L6219DS芯片是一個(gè)具有雙極性的集成芯片[5-6]，在單片機(jī)的控制下，能實(shí)現(xiàn)對(duì)具有兩極步進(jìn)電機(jī)繞組的控制和驅(qū)動(dòng)，還可以雙向控制兩個(gè)直流電機(jī)；輸出電流值有167 mA、333 mA、500 mA可選，最高可達(dá)到750 mA；支持10 V~46 V工作電壓，并含有內(nèi)部溫度過(guò)熱保護(hù)電路。該芯片外圍電路簡(jiǎn)單，可以很方便地與單片機(jī)連接成一個(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)中，L6219DS芯片與單片機(jī)的具體管腳連接圖如圖7所示。
　單片機(jī)依據(jù)按鍵的選擇，通過(guò)P2口輸出兩組信號(hào)來(lái)控制驅(qū)動(dòng)芯片。兩組信號(hào)功能相同，每一組信號(hào)用來(lái)控制驅(qū)動(dòng)芯片輸出的一組電流大小及電流方向。對(duì)這兩組信號(hào)的控制是相對(duì)獨(dú)立的，其中一組控制信號(hào)對(duì)應(yīng)的輸出電流如圖8所示。圖中，I01、I11控制驅(qū)動(dòng)芯片L6219DS輸出電流1(OUT1)的大小，PHASE1控制驅(qū)動(dòng)芯片輸出電流1的方向，即電流的流向?yàn)锳→B或B→A。驅(qū)動(dòng)芯片產(chǎn)生的兩組電流流過(guò)執(zhí)行部分的兩組螺旋線圈，通過(guò)兩組線圈磁場(chǎng)的共同疊加，得到所需的磁場(chǎng)方向。

3 磁力攪拌器軟件設(shè)計(jì)
3.1 軟件總體設(shè)計(jì)
　軟件采用C語(yǔ)言對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程，程序采用模塊化結(jié)構(gòu)。軟件的主要功能：?jiǎn)纹瑱C(jī)初始化、按鍵檢測(cè)及螺旋線圈電流時(shí)序的產(chǎn)生。由于可以通過(guò)按鍵選擇正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止、開(kāi)始、加速及減速等工作，所以需要正確分配主程序及定時(shí)中斷的工作任務(wù)。電流時(shí)序的生成需要比較準(zhǔn)確地定時(shí)，所以這一部分功能由定時(shí)中斷完成；按鍵檢測(cè)采用查詢方式，因此單片機(jī)的初始化、按鍵處理程序由主程序完成。主程序與定時(shí)中斷之間通過(guò)內(nèi)存變量傳遞攪拌器的工作狀態(tài)，即主程序通過(guò)按鍵檢測(cè)獲得狀態(tài)信息，修改對(duì)應(yīng)的正(反)轉(zhuǎn)狀態(tài)變量、停止(運(yùn)行)狀態(tài)變量、加(減)速狀態(tài)變量。在定時(shí)中斷中，依據(jù)攪拌器的運(yùn)行狀態(tài)，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的螺旋線圈電流時(shí)序。
　需要說(shuō)明的是，由于設(shè)定了攪拌器攪拌子的8個(gè)方向，所以在軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)就設(shè)置了對(duì)應(yīng)8個(gè)方向的8個(gè)序號(hào)(稱為步伐)，無(wú)論是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，步伐的定義都不變，只是要根據(jù)正(反)轉(zhuǎn)狀態(tài)變量確定下一步伐是加1還是減1。
3.2 主程序設(shè)計(jì)
　主程序流程圖如圖9所示。系統(tǒng)上電后進(jìn)行初始化操作，包括定時(shí)器初值及中斷設(shè)置。初始化函數(shù)中，首先設(shè)定定時(shí)器0的定時(shí)時(shí)間，選取最長(zhǎng)時(shí)間(即攪拌子轉(zhuǎn)速最慢)為50 ms；然后，開(kāi)全局中斷及定時(shí)器0溢出中斷；最后，進(jìn)入按鍵采集模塊，采用無(wú)限循環(huán)進(jìn)行鍵盤(pán)掃描，并根據(jù)相應(yīng)的輸入鍵值設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志位(加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止、開(kāi)始)。

3.3 定時(shí)中斷設(shè)計(jì)
　定時(shí)中斷流程圖如圖10所示。進(jìn)入定時(shí)中斷函數(shù)后，首先關(guān)中斷，再根據(jù)停止標(biāo)志位判斷停止鍵是否按下。如果按下，則調(diào)用停止函數(shù)，攪拌子停止轉(zhuǎn)動(dòng)，并等待開(kāi)始按鍵；如果停止鍵沒(méi)有按下，則根據(jù)轉(zhuǎn)向標(biāo)志位判斷攪拌子的轉(zhuǎn)向(正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn))，并設(shè)定下一時(shí)刻攪拌子應(yīng)指向的方向序號(hào)(即流程圖中所示的步伐值)。之后再判斷是否有加速減速操作，如果有，則更改相應(yīng)的定時(shí)時(shí)間標(biāo)志位(定時(shí)時(shí)間增加，攪拌子轉(zhuǎn)速慢；定時(shí)時(shí)間減小，攪拌子轉(zhuǎn)速快)，并調(diào)用輸出函數(shù)(即控制L6219DS輸出電流)；如果沒(méi)有，則直接調(diào)用輸出函數(shù)。最后，根據(jù)定時(shí)時(shí)間標(biāo)志位賦給定時(shí)器相應(yīng)的定時(shí)時(shí)間，并開(kāi)中斷。

　本文針對(duì)現(xiàn)有的通過(guò)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)永磁鐵旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁力攪拌器，設(shè)計(jì)了通過(guò)通電螺旋線圈產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁力攪拌器。該磁力攪拌器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定控制靈活方便，攪拌子轉(zhuǎn)速在150 r/min~1 500 r/min范圍內(nèi)可調(diào)。由于本磁力攪拌器采用電能直接轉(zhuǎn)化為磁能的方式，省去了常規(guī)磁力攪拌器所采用的機(jī)械轉(zhuǎn)化的中間環(huán)節(jié)，使得磁力攪拌器的體積進(jìn)一步減小，厚度降到1 cm，可以非常方便地應(yīng)用于各種便攜式測(cè)量?jī)x器中。
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