超薄磁力攪拌器的設(shè)計與實現(xiàn)

　攪拌器是化學(xué)實驗中的一種常用設(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操作，不僅耗費人力，還會造成反應(yīng)溶液攪拌不均勻的現(xiàn)象，導(dǎo)致實驗結(jié)果不準確。磁力攪拌器能很好地解決這一問題。磁力攪拌器不但操作簡單，且可以按照操作人員意愿調(diào)整攪拌速度及攪拌方向，大大簡化了操作過程，同時解決了對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：通過電動機的轉(zhuǎn)動帶動外永磁鐵轉(zhuǎn)動，再通過磁場的作用，由外永磁鐵的轉(zhuǎn)動帶動內(nèi)部攪拌子(永磁鐵)的轉(zhuǎn)動，進而達到攪拌的目的，即由電能轉(zhuǎn)化為機械能，再由機械能轉(zhuǎn)化為磁能。參考文獻[2]、[3]、[4]所設(shè)計的磁力攪拌器結(jié)構(gòu)原理也大致與此相同，其主要特點是都帶有電動機，致使攪拌器的體積較大。對于便攜式測量儀器，要求磁力攪拌器厚度較小、質(zhì)量較輕，而傳統(tǒng)的設(shè)計方法難以實現(xiàn)這些要求。
　依據(jù)電磁轉(zhuǎn)換原理，本文設(shè)計了一種超薄磁力攪拌器。通過在多個螺旋線圈中流過不同相位的脈沖電流，直接產(chǎn)生磁場，帶動內(nèi)部攪拌子(永磁鐵)的轉(zhuǎn)動，達到攪拌的目的，即由電能直接轉(zhuǎn)化為磁能。其優(yōu)點是省去了傳統(tǒng)的電動機中間部分，可以有效地簡化攪拌器的結(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)便攜式檢測系統(tǒng)中。
1 電磁轉(zhuǎn)換設(shè)計
　根據(jù)如圖2所示的右手螺旋定則，在螺旋線圈中通過電流后，螺旋線圈上方將產(chǎn)生N極磁場，下方將產(chǎn)生S極磁場。如果通過螺旋線圈的電流方向相反，則線圈上下方產(chǎn)生的磁場方向也將改變。這樣，通過改變螺旋線圈中流過電流的有無及方向，就可以根據(jù)實際要求來控制螺旋線圈中磁場的極性。

　為了使攪拌器的攪拌子平穩(wěn)轉(zhuǎn)動，需要考慮的問題是為攪拌器配置多少個螺旋線圈，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。通常可以考慮配置的螺旋線圈方案為：4個、6個和8個，即線圈間的角度分別為90°、60°和45°。
　本文所設(shè)計的磁力攪拌器采用4個螺旋線圈對角線放置，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，把對角線上的兩個螺旋線圈設(shè)為一組，即線圈1、3為一組，2、4為一組。每組螺旋線圈同時通有電流，但電流方向相反，即在同一時刻呈現(xiàn)的磁場極性相反。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刻所產(chǎn)生的合成磁場的方向，進而控制攪拌子的轉(zhuǎn)動。

　設(shè)定攪拌子順時針轉(zhuǎn)動一圈的8個方向為：西北、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，S表示螺旋線圈產(chǎn)生的S極磁場，*表示沒有磁場。這樣，就需要各個螺旋線圈產(chǎn)生相應(yīng)的磁場極性。

　根據(jù)圖4中螺旋線圈磁場極性的要求，只要在不同時刻控制兩組螺旋線圈中電流的有無及方向，就可以控制兩組螺旋線圈在不同時刻疊加出不同方向的磁場。兩組螺旋線圈電流的時序如圖5所示，其中T(t/s)為攪拌子轉(zhuǎn)動一圈的時間，I(i/A)為流過線圈的電流值。

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

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

2.3 驅(qū)動電路設(shè)計
　本文所設(shè)計的磁力攪拌器為超薄型，用于便攜式測量儀的溶液攪拌，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)動芯片的輸出電流范圍為300 mA~500 mA。
根據(jù)相關(guān)文獻，THB6064、TB6560、TB8435、L6219DS等幾款電機驅(qū)動芯片均可提供大小及相位可控的電流驅(qū)動。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)動芯片輸出的電流大小也要相應(yīng)地改變。綜合考慮驅(qū)動芯片的輸出電流、控制難易度及性價比等因素，本系統(tǒng)選擇L6219DS芯片作為驅(qū)動芯片。
　L6219DS芯片是一個具有雙極性的集成芯片[5-6]，在單片機的控制下，能實現(xiàn)對具有兩極步進電機繞組的控制和驅(qū)動，還可以雙向控制兩個直流電機；輸出電流值有167 mA、333 mA、500 mA可選，最高可達到750 mA；支持10 V~46 V工作電壓，并含有內(nèi)部溫度過熱保護電路。該芯片外圍電路簡單，可以很方便地與單片機連接成一個電機控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)中，L6219DS芯片與單片機的具體管腳連接圖如圖7所示。
　單片機依據(jù)按鍵的選擇，通過P2口輸出兩組信號來控制驅(qū)動芯片。兩組信號功能相同，每一組信號用來控制驅(qū)動芯片輸出的一組電流大小及電流方向。對這兩組信號的控制是相對獨立的，其中一組控制信號對應(yīng)的輸出電流如圖8所示。圖中，I01、I11控制驅(qū)動芯片L6219DS輸出電流1(OUT1)的大小，PHASE1控制驅(qū)動芯片輸出電流1的方向，即電流的流向為A→B或B→A。驅(qū)動芯片產(chǎn)生的兩組電流流過執(zhí)行部分的兩組螺旋線圈，通過兩組線圈磁場的共同疊加，得到所需的磁場方向。

3 磁力攪拌器軟件設(shè)計
3.1 軟件總體設(shè)計
　軟件采用C語言對單片機進行編程，程序采用模塊化結(jié)構(gòu)。軟件的主要功能：單片機初始化、按鍵檢測及螺旋線圈電流時序的產(chǎn)生。由于可以通過按鍵選擇正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止、開始、加速及減速等工作，所以需要正確分配主程序及定時中斷的工作任務(wù)。電流時序的生成需要比較準確地定時，所以這一部分功能由定時中斷完成；按鍵檢測采用查詢方式，因此單片機的初始化、按鍵處理程序由主程序完成。主程序與定時中斷之間通過內(nèi)存變量傳遞攪拌器的工作狀態(tài)，即主程序通過按鍵檢測獲得狀態(tài)信息，修改對應(yīng)的正(反)轉(zhuǎn)狀態(tài)變量、停止(運行)狀態(tài)變量、加(減)速狀態(tài)變量。在定時中斷中，依據(jù)攪拌器的運行狀態(tài)，執(zhí)行相應(yīng)的動作，產(chǎn)生對應(yīng)的螺旋線圈電流時序。
　需要說明的是，由于設(shè)定了攪拌器攪拌子的8個方向，所以在軟件實現(xiàn)時就設(shè)置了對應(yīng)8個方向的8個序號(稱為步伐)，無論是正轉(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
　主程序流程圖如圖9所示。系統(tǒng)上電后進行初始化操作，包括定時器初值及中斷設(shè)置。初始化函數(shù)中，首先設(shè)定定時器0的定時時間，選取最長時間(即攪拌子轉(zhuǎn)速最慢)為50 ms；然后，開全局中斷及定時器0溢出中斷；最后，進入按鍵采集模塊，采用無限循環(huán)進行鍵盤掃描，并根據(jù)相應(yīng)的輸入鍵值設(shè)置相應(yīng)的標志位(加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止、開始)。

3.3 定時中斷設(shè)計
　定時中斷流程圖如圖10所示。進入定時中斷函數(shù)后，首先關(guān)中斷，再根據(jù)停止標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，并等待開始按鍵；如果停止鍵沒有按下，則根據(jù)轉(zhuǎn)向標志位判斷攪拌子的轉(zhuǎn)向(正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn))，并設(shè)定下一時刻攪拌子應(yīng)指向的方向序號(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)的定時時間標志位(定時時間增加，攪拌子轉(zhuǎn)速慢；定時時間減小，攪拌子轉(zhuǎn)速快)，并調(diào)用輸出函數(shù)(即控制L6219DS輸出電流)；如果沒有，則直接調(diào)用輸出函數(shù)。最后，根據(jù)定時時間標志位賦給定時器相應(yīng)的定時時間，并開中斷。

　本文針對現(xiàn)有的通過電動機轉(zhuǎn)動帶動永磁鐵旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的磁力攪拌器，設(shè)計了通過通電螺旋線圈產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的磁力攪拌器。該磁力攪拌器結(jié)構(gòu)簡單、運行穩(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械轉(zhuǎn)化的中間環(huán)節(jié)，使得磁力攪拌器的體積進一步減小，厚度降到1 cm，可以非常方便地應(yīng)用于各種便攜式測量儀器中。
參考文獻
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