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毛细管式在线粘度测量装置的研制

摘要：本文首先分析了目前国内外液体动力粘度的在线测控需求情况，然后从泊肃叶定律出发，对常规毛细管粘度计进行改进设计，研制出一套新型自动粘度测量装置，该装置采用气液隔板隔离液体与传感器及动力部件，避免两者相接触而造成的清洗困难。该装置系统通过STC12C5A60S2单片机系统控制装置运行，并自动检测相关信号，计算被测液体粘度。文章最后给出测量误差分析及改进之处。

关键词：粘度，在线测量，单片机系统，闭环控制

第一章 粘度在线测控现状及发展方向
1 课题研究背景及意义
粘度是衡量液体抑制流动能力的一个重要的物理参数，是液体的重要物理性质和技术指标之一。液体的粘度特性往往与产品的其他特性如颜色、密度、稳定性、固体成分含量和分子量的改变有关系，而检测这些特性的最方便和灵敏的方法就是在线检测液体的粘度。在物理化学，流体力学等科学领域中，粘度测量对了解流体性质及研究流动状态起着重要的作用[1]。随着国民经济的不断提高，粘度的准确测定在许多工业部门和科学研究领域中都具有重要意义，粘度测量的要求日益突出。实际工程和工业生产中，经常需要在线检测流体的粘度，以保证最佳的过程运行环境与产品质量，从而提高生产效益，特别是在石油化工、医药、冶金及食品等行业中口[2][3]。例如：原油管道长距离输送过程中，原油粘度过大不仅影响输送效率，而且可能会造成原油凝管，发生事故。通过在线测量过程中的液体粘度，可以得到液体流变行为的数据，对于预测产品工艺过程的工艺控制，输送性以及产品在使用时的操作性有着重要的指导价值。
总之，液体粘度的在线测量在石油、化工、国防、医学和煤炭等国民经济中发挥着越来越重要的作用。

2 液体粘度的传统测量方法
传统的粘度测量方法有旋转法、振动法、毛细管法和落体式测量法。
旋转法测量液体粘度是目前应用广泛的一种方法。其基本原理是：当流体与浸于其中的物体二者之一或者二者都作旋转运动时，物体将受到流体粘性力矩的作用而改变原来的转速或转矩，通过测量流体作用于物体的粘性力矩或物体的转速来确定流体的粘度。旋转法适用范围宽，测量方便，易得到大量的数据，但测量精度较低，测得的粘度值一般为相对值[4]。
振动法测量方式有扭转振动式和振动片式等多种。常用的扭转振动式测量包括衰减振动式和强制振动式。衰减振动式基于浸于液体中作扭转振动的物体由于受到液体施于的粘性力，其扭转振幅会衰减，测量出振幅衰减情况和衰减周期，即可通过相应公式计算出液体粘度；强制振动式原理是由外界补充振动物体由于粘性所损耗的能量，使振动物体维持恒定振动频率和振幅，由所补充的能量和液体粘度之间的关系计算粘度值。振动法常用于低粘度液体的粘度测量。振动法具有振动周期和衰减测量方便、样品用量少、控温方便的优点，但没有公认的理想粘度计算公式[5]。
毛细管法的理论基础是泊肃叶定律，即一定体积的液体在一定压力梯度下通过给定毛细管所需时间正比于层流液体的粘度，可通过测量液体流速和液体流经毛细管产生的压力计算出液体粘度。毛细管粘度仪作为分析性粘度仪已应用多年，可在基础温度(参考温度)下直接测量粘度。其工作过程如下：部分样品由一个精确的计量泵由过滤器吸入到粘度分析仪中，并在加热槽中循环，直至样品温度稳定；而后，样品流过一段短毛细管，期间测量毛细管两端的压降(为动态粘度的函数)，再利用密度测量值加以校正，便可获得参考温度下的运动粘度值。毛细管粘度测量精度高、测量过程中能够进行精确稳定的温度控制，具有良好的趋势分析效果。但毛细管粘度仪的成本和安装费用很高，且存在装置内残留样品不易清洗，测量周期长等缺点[6]。
落体式粘度计的基本原理是球体或柱体在被测液体中下落，通过测量落体通过两定点所用的时间来测定粘度，也可以让球体滚动通过倾斜的平面。落球式粘度计原则上可测定绝对粘度，但往往也作为一种间接法，它可以用来测定加压下液体的粘度[7][8]。落球式粘度计的精度低于毛细管粘度计，测量的方法是以同一小球依次在测量管内的不同液体中下落，并记下其降落距离相等的时间。如果小球在所选用的参比液体中降落一定距离所需要的时间为幻，且参比液体的粘度及密度皆已知，则只需知道待测液体的密度，便可算出待测液体的粘度。
与落球法相类似的另一种方法是拉球法[9]，此法克服了落球法在测量技术上的困难，如在高温粘度测量中，由于高温炉、容器及熔体不透明，无法用直接目测法测量小球的下落速度，拉球法是一种使小球在液体中进行强制往上运动的方法。拉球法中，拉力与粘滞摩擦阻力的关系如式(1)所示：
T=6ηπRu=ku (1)
式中，T为拉力(可由加入天平的砝码质量求出)；
R为小球半径；
u为小球往上移动的速度；
k为与R有关的比例系数。
通过实验测量出不同拉力作用下的小球往上移动速度，作移动速度对拉力的图线，所得曲线的斜率即为比例系数k，于是可求得粘度数值。在该方法中，小球向上移动的速度，可通过测量小球吊丝上部任何一个固定点的移动速度求得。

3 液体粘度测量新方法
而随着计算机技术、光学技术、图像技术以及传感器技术的不断进步，大大推动了液体粘度测定技术的发展，液体粘度的测定装置及测定方法也得到了不断的完善和创新，粘度测量方法日益更新。
近年来，微型测量技术在粘度测量中得到了应用，这使得测量样品用量极大的减少。Nabil Ahmed[10]根据原子应力显微镜悬臂共振频率随其浸入不同粘性介质发生变化的原理，通过研究原子应力显微镜悬臂共振频率的移动进行了溶液粘度的测量，所需样品量一般少于200μl。Z. H. Silber-Li等[11]综合已有技术，设计了自动调温微管粘度计，管径只有20μm，通过CCD连接立体显微镜和计算机观测液流情况，进而推得粘度值，利用热电塞贝克效应进行控温。所需样品量少，在生物液粘度测量上有很大的优势。
超声波技术由Mason等最早引入液体的粘度测量[12]，但直到近年来才有了一定的发展。Thomas G.Hertz等[13]基于声流发展了一种非侵入式的粘度测量方法，通过超声波多普勒技术测量诱导波的速度，进而得出密封液体的粘度。Behic Mert等[14]基于圆柱管内液体引起声能的衰减依赖于液体粘度、声音频率、管厚度及管材料的关系，发展了一种新方法，通过测量圆柱导波器内平面波的声阻抗得到了液体粘度。
光学技术的发展，促进了其在粘度测量中的应用。Boza A. Nemet等[15]利用共焦显微镜和光钳技术发展了一种可以用来进行流体动力学测量的仪器，这种仪器对样品具有很小的破坏性。Alexis I. Bishop等[16]利用旋转激光捕获的粒子进行光学方式的微观流变学研究。将激光束线偏振光转变为圆偏振光后用来旋转浸入液体的双折射探测粒子，利用设计的光学系统，精确测量出施于旋转探测粒子上的力矩，又可知液体对粒子的粘性阻力矩，由探测粒子匀速旋转时两者相等，即可以得到液体粘度值。T. Oba等用CO2 激光束加热液体表面，并通过观察表面波瞬间的行为，分析其热力学行为得到液体粘度值[17]。Y. Yoshitake等[18]利用激光诱导表面应变技术，通过研究表面应变与激光诱导的延迟时间得到了液体粘度值。

4 液体粘度测量发展趋势
国民经济许多领域均与粘度测定技术密切相关，随着科学技术的不断发展，
一方面实际生产需要研究和应用新的粘度测试技术；另一方面由于相关领域的技
术进步，粘度测试技术将有可能获得改进与提高。综合分析两方面因素，液体粘
度测定技术将在以下三个方向得到较大发展：
(1)基于现代数据采集与处理方法完善传统粘度检测技术
经过多年的发展与完善，传统的粘度测量方法已经比较成熟，尽管许多仪表
体积偏大，操作较为复杂，但其测量精度及可靠性已经过长期考验。在此基础上，
适当结合现代数据采集与处理技术，将使智能化程度和测试精度得到较大改善。
(2)针对新型智能材料性能评价的粘度检测技术
随着科学技术的发展，一些新兴材料不断涌现，特别是以电流变液为代表的
新一代智能材料的出现，对液体粘度测定提出了新的挑战。作为一种固液两相悬
浮液，在外加电场(或磁场)的作用下，电(或磁)流变液的粘度会迅速变化，而现
有的各种粘度测量仪对粘度的变化只能望而却步。因此，研究适用于宽测量范
围的粘度测试方法和测试装置将是今后一个重要发展方向。
(3)适合生物体体液流动粘度监测的新技术
粘度是了解生物体体液流动机理的基础，对生物流体学的研究具有重要的意
义，它可以直接服务于生物医学工程，目前，虽然已有很多方法可以测定全血的
粘度，但在精度上还达不到医学的要求，所以在对全血粘度的精确测定上还有漫
长的道路，更应引起广大研究者的重视。

第二章 理论基础及模型建立

对几种传统粘度测量方法对比分析，旋转法测量精度不高且液体的粘性力矩不易准确测量，振动式测量法适用于低粘度液体的粘度测量，没有公认的理想计算公式，而毛细管式测量法具有测量精度高和具体的粘度计算公式的优点，并且可通过改变毛细管的粗细（内径）适应不同的粘度测量范围，课题组决定在传统毛细管法的基础上进行改进，克服装置内残留样品不易清洗的缺点，设计一个毛细管式在线粘度测量装置。

1 理论基础
毛细管法的理论基础是泊肃叶定律，即一定体积的液体在一定压力梯度下通过给定毛细管所需时间正比于层流液体的粘度，可通过测量液体流速和液体流经毛细管产生的压力计算出液体粘度。
毛细管法测定液体粘度的理论基础是泊肃叶(Poiseulle)定律，即：
(2)
令R＝8uL / (π r^4)，即Q＝ΔP / R，R称为流阻。
又流量Q=V / t，式(2)可变为：
(3)
式(3)中：r为毛细管半径：t为液体流经毛细管的时间：L为毛细管长度；Vt为t时问内液体所流过的体积；为流体流过毛细管在毛细管两端产生的压力差。

2 测量装置模型的建立

直线滑台
差压变送器
毛细管
待测液体
大气

气体
活塞

气液隔板

被吸入的液体

圆管

图1 毛细管在线粘度测量实验装置示意图

本课题实验装置模型如图1所示。工作原理：电机转动带动直线滑台推动活塞在圆管内移动，移动距离可计算得出，乘以圆管的截面积除以时间即为被吸入圆管内液体的流量，根据质量守恒定律，该流量也是毛细管内流体的流量。圆管内固定设置的气液隔板在其上方开孔可实现隔板两边同压力，如此测量气体压力即为被吸入液体的压力，而待测液体一边与大气相通，利用差压变送器测得圆管内外气体的压差即为毛细管两端的压差。与传统毛细管粘度仪相比，本装置采用气液隔板解决了测量时液体与传感器及动力部件相接触的难题。
考虑实际使用情况，流经毛细管的待测液体其粘度计算式由式(3)改为式(4)：
(4)
式中：为Δp毛细管两端的压差，d为毛细管内壁直径，l为毛细管长度，Q为毛细管内流体的体积流量。
基于上述测量原理的分析可知，粘度的测量为间接测量，为了获得粘度值，在本测量系统中主要的测量参数为毛细管两端压差信号Δp，和流体流量Q。

3 系统设计
系统设计主要包括硬件和软件两大部分，依据控制系统的工作原理和技术性能，将硬件和软件分开设计。硬件设计部分包括电路原理图、合理选择元器件、绘制线路图，然后对硬件进行调试、测试，以达到设计要求。软件设计部分，首先在总体设计中完成系统总框图和各模块的功能设计，拟定详细的工作计划；然后进行具体设计，包括各模块的流程图，选择合适的编程语言和工具，进行代码设计等；最后是对软件进行调试、测试，达到所需功能要求。
在系统设计中设计方法的选用是系统设计能否成功的关键。硬件电路是采用结构化系统设计方法，该方法保证设计电路的标准化、模块化。硬件电路的设计最重要的选择用于控制的单片机，并确定与之配套的外围芯片，使所设计的系统既经济又高性能。硬件电路设计还包括输入输出接口设计，画出详细电路图，标出芯片的型号、器件参数值，根据电路图在仿真机上进行调试，发现设计不当及时修改，最终达到设计目的。本系统软件设计采用模块化系统设计方法，先编写各个功能模块子程序，然后进行组合与调整，经过调试后，达到设计功能要求。
系统框图如图2所示：
差压变送器
AD模块
控制器
液晶显示

图2 系统框图
第三章 硬件设计
1元器件的选择
1.1电机的选择
电动机种类很多，大抵可分为直流电机、交流电机、步进电机和伺服电机，如何选择合适的电动机带动装置中直线滑台的移动需与测量所需参数移动距离等结合一起来考量。
1.1.1 直流电机
直流电动机是指输入为直流电能并可将直流电能转换成机械能的旋转电机。直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由主磁极、换向极、轴承和电刷等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器等组成。
直流电动机工作原理：导体受力的方向用左手定则确定。这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。
直流电动机的转速N和其他参量的关系可表示为
N=Ua-Ia*RaCe*Φ (5)
式中：Ua——电枢供电电压（V）；
Ia ——电枢电流（A）；
Ф——励磁磁通（Wb）；
Ra——电枢回路总电阻（Ω）；
Ce——电势系数。
分别改变Ua、Ra和Ф时，可以得到不同的转速N，从而实现对速度的调节。由于Ф=F(Ia)，当改变励磁电流Ia 时，可以改变磁通量Ф的大小，从而达到调速的目的。但由于励磁线圈发热和电动机磁饱和的限制，电动机的励磁电流Ia和磁通量Ф只能在低于其额定值的范围内调节，故只能弱磁调速。而对于调节电枢外加电阻Ra 时，会使机械特性变软，导致电机带负载能力减弱。所以调速时，改变电枢电压，实现对直流电机速度调节的方法被广泛采用。通常采用的调速方法是控制PWM的脉冲宽度（占空比）来改变电枢电压。
直流电动机有优良的控制性能，其机械特性和调速特性均为平行的直线，这是各类交流电动机所没有的特性。此外，直流电动机还有起动转矩大、效率高、调速方便、动态特性好等特点。但直流电动机的结构复杂，使用维护不方便，尤其是电刷和换向器的滑动接触造成了机械磨损和火花，使直流电动机的故障多、可靠性低、寿命短、保养维护工作量大。换向火花既造成了换向器的电腐蚀，还是一个无线电干扰源，会对周围的电器设备带来有害的影响。
最重要的一点是，该粘度测量装置直线滑台的移动距离要求精确计算求得，而直流电机由于其惯性不能快速停止，不能精确定位到目标点上，会有小段的滑行。如果短接电枢，会产生制动力矩，可以快速停止，但也不能做到立即停止；再或者，在需要停止时，采取反接，同时要快速识别速度是否为0，如果为0，立即结束反接，否则电机会反转。鉴于直流电机不能精确定位，故不采用直流电机。
1.1.2 交流电机
交流电机是用于实现交流电能和机械能间的转换。交流电机与直流电机相比，由于没有换向器，因此结构简单，制造方便，比较牢固，容易做成高转速、高电压、大电流、大容量的电机。且交流电机功率的覆盖范围很大，从几瓦到几十万千瓦、甚至上百万千瓦。由于交流电力系统的巨大发展，交流电机已成为最常用的电机。若采用交流电机，电机直接接入220V的交流电有一定的危险性，在有低压直流电源的条件下，不采用危险系数较大的交流电机。
1.1.4 伺服电机
伺服电机是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。伺服电机在许多性能方便都很优秀，但其价格比之普通电机要贵，在要求不高的情况下，使用伺服电机是浪费资源，故不采用。
1.1.3 步进电机
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机转动使用的是脉冲信号，而脉冲是数字信号，这恰是计算机所擅长处理的数据类型。
综合精度等的考虑下，本课题决定采用步进电机作为带动装置。

1.2 步进电机驱动器
步进电动机不能直接接到直流或交流电源上工作，必须使用专用的驱动电源（步进电动机驱动器）。控制器（脉冲信号发生器）可以通过控制脉冲的个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
步进电机驱动器的原理，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。驱动器的设计将在后续硬件设计中具体阐述。

1.3 差压变送器
差压变送器是测量工艺管道或罐体中介质的压力差，并且通过数据的转换、开方将测量得到的差压值转换成电流信号输出。
本装置采用差压变送器的型号为IDP10-A22B21F，该型号的差压变送器拥有出色的长期稳定性，五年内每年的漂移小于测量上限值的±0.05%。其在正常工作条件下，环境温度每变化280C，对变送器的影响为测量上限值的±0.03%，且易于安装，节省时间与安装成本。

供电电压
12.5 ～ 42 V DC
测量范围
0～5KPa (4～20mA)

因差压变送器的输出是4～20mA的电流信号，不能直接测量，需将电流转换为1～5V的电压信号后再进行检测，故在差压变送器的输出处串上阻值为250Ω的信号电流与电压的转换电阻。

1.4 AD数据采集模块
A/D 转换器基本原理：在A/D 转换器中，因为输入的模拟信号在时间上是连续量，而输出的数字信号代码是离散量， 所以进行转换时必须在一系列选定的瞬间（亦即时间坐标轴上的一些规定点上）对输入的模拟信号取样，然后再把这些取样值转换为输出的数字量。因此，一般的A/D 转换过程是通过取样、保持、量化和编码这四个步骤完成的。
本装置采用的芯片PCF8591是单片、单电源低功耗的8位CMOS数据采集器件，具有4个模拟输入、一个输出和一个串行I2C总线接口。3个地址引脚A0、A1和A2用于编程硬件地址，允许将最多8个器件连接至I2C总线而不需要额外硬件。器件的地址、控制和数据通过两线双向I2C总线传输。器件功能包括多路复用模拟输入、片上跟踪和保持功能、8位模数转换和8位模拟转换。最大转换速率取决于I2C总线的最高速率。（PCF8591引脚说明见附录）
从差压变送器采集的数据直接送到AD模块读取，并将其转换成电压值，由压差量程0～5KPa对应电流4～20mA，转换成对应于1～5V的电压，转换关系如下：
P=V*5-05-1-5-05-1=V*1.25-1.25
其中，P是压强，V是电压。

1.5 显示模块选择方案
方案一：
采用点阵式数码管显示，点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成，对于显示文字比较适合,如采用在显示数字显得太浪费,且价格也相对较高。以不用此种作为显示。
方案二：
采用LED数码管动态扫描，数码管是一类价格便宜使用简单，通过对其不同的管脚输入相对的电流，使其发亮，从而显示出数字能够显示时间、日期、温度等所有可用数字表示的参数的器件。
七段数码管动态显示驱动是将所有数码管通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示。将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。但由于数码管显示需要占用单片机内部定时中断，与程序冲突，因此不予采用。
方案三：
TFT-LCD液晶显示屏是薄膜晶体管型液晶显示屏，也就是“真彩”（TFT）。TFT液晶为每个像素都设有一个半导体开关，每个像素都可以通过点脉冲直接控制，因而每个节点都相对独立，并可以连续控制，不仅显示屏的反应速度快，同时可以精确控制显示色阶，所以TFT液晶的色彩更真。
本装置采用的显示模块即是1.8寸的TFT，分辨率为128xBGRx160，可达262K色。电压类型：支持5V 或3.3V 电压输入，5v 电压接入时，“VCC_SEL”(即16、17pin)断开；3.3v 电压接入时，“VCC_SEL”短接。接口类型：支持8 位数据接口或16 位数据接口，8 位数据接口可与12864 液晶接口兼容（修改一下程序中的接口定义即可）；使用16 位数据接口时，“MOD”(即18pin)连接到GND。并且兼容12864 接口。（TFT 液晶各引脚功能见附录）
因单片机I/O口有限，TFT液晶显示采用8位数据接口模式，其在程序中的接口定义如下：
TFT液晶显示
STC12C5A60S2单片机
CS
P0^3
RS
P0^4
WR_
P0^5
RD_
P0^6
RST
P0^7
D8～D15
P2

TFT在程序中对应的函数是display()，写入函数存放在tft.c中。

1.6 时钟芯片的选择方案和论证
方案一：
采用DS1302时钟芯片实现时钟，DS1302芯片是一种高性能的时钟芯片，可自动对秒、分、时、日、周、月、年以及闰年补偿的年进行计数，而且精度高,位的RAM做为数据暂存区，工作电压2.5V～5.5V范围内，2.5V时耗电小于300nA。但由于需要单片机引脚数较多且焊接不方便，所以不采用此方案。
方案二：
直接采用单片机定时计数器提供秒信号，使用程序实现年、月、日、星期、时、分、秒计数。采用此种方案可减少芯片的使用，节约成本。

1.7 光电编码器
光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图4所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90º的两路脉冲信号。
码盘
透镜
光敏元件
脉冲输出
放大整形
透镜
光源
转轴

图3 光电编码器原理示意图

本装置采用的是欧姆龙的增量式光电编码器，每600个脉冲转一圈。

1.8 速度测量方案的选择和论证
方案一：
T法测速：T法是测量两个脉冲之间的时间换算成周期，从而得到频率。因存在半个时间单位的问题，可能会有1个时间单位的误差。速度较高时，测得的周期较小，误差所占的比例变大。如要增加速度测量的上限，可以减小编码器的脉冲数，或使用更小更精确的计时单位，使一次测量的时间值尽可能大。
方案二：
M法测速：M法是测量单位时间内的脉数换算成频率，因存在测量时间内首尾的半个脉冲问题，可能会有2个脉的误差。速度较低时，因测量时间内的脉冲数变少，误差所占的比例会变大。如要降低测量的速度下限，可以提高编码器线数或加大测量的单位时间，使用一次采集的脉冲数尽可能多。本装置采用此方案。

2 硬件设计
2.1 驱动器设计
2.1.1 TB6560AHQ简介
TB6560AHQ是东芝公司推出的低功耗、高集成两相混合式步进电机驱动芯片。其主要特点有：内部集成双全桥MOSFET驱动；最高耐压40 V，单相输出最大电流3.5 A（峰值）；具有整步、1／2、1／8、1／16细分方式；内置温度保护芯片，温度大于150℃时自动断开所有输出；具有过流保护；采用HZIP25封装。TB6560AHQ步进电机驱动电路主要包括3部分电路：控制信号隔离电路、主电路和自动半流电路。

图4 TB6560 AHQ主电路

2.1.2步进电机控制信号隔离电路
步进电机控制信号隔离电路如图5所示，步进电机控制信号有3个(CLK、CW、ENABLE)，分别控制电机的转角和速度、电机正反方向以及使能，均须用光耦隔离后再与芯片连接。光耦隔离的作用有两个：首先，防止电机干扰和损坏接口板电路；其次，对控制信号进行整形。对CLK、CW信号，要选择中速或高速光耦，保证信号耦合后不会发生滞后和畸变而影响电机驱动，且驱动板能满足更高脉冲频率驱动要求。本设计中选择2片6N137高速光耦隔离CLK、CW，其信号传输速率可达到10 MHz，1片TLP521普通光耦隔离ENABLE信号。应用时注意：光耦的同向和反向输出接法；光耦的前向和后向电源应该是单独隔离电源，否则不能起到隔离干扰的作用。

图5 信号隔离电路模块

2.1.3步进电机主电路
步进电机主电路主要包括驱动电路和逻辑控制电路两大部分。
驱动电路电源采用24 V，电压范嗣为4.5～40 V，提高驱动电压可增大电机在高频范围转矩的输出，电压选择要根据使用情况而定。VMB、VMA为步进电机驱动电源引脚，应接入瓷片去耦电容和电解电容稳压。OUT_AP、OUT_AM、OUT_BP、OUT_BM引脚分别为电机2相输出接口，由于内部集成了续流二极管，这4个输出口不用像东芝公司的8435驱动芯片那样外接二极管，从而极大地减小电路板的布线空间。NFA、NFB分别为电机A、B相最大驱动电流定义引脚，最大电流计算公式为IOUT(A)=0.5(V)／RNF(Ω)，若预先定义电机每相的最大驱动电流为2.5 A，取RNF=0.2 Ω，则PGNDA、PGNDB、SGND分别为电机A、B相驱动引脚地和逻辑电源地。

图6 驱动器电源电路和指示灯电路

逻辑控制电路电源为5 V，VDD为逻辑电源引脚，应接入去耦电容和旁路电容减小干扰噪声；M0、PROTECT为工作状态和过流保护指示灯；RESET为芯片复位脚，低电平有效；OSC所接电容的大小决定了斩波器频率，推荐100～1 000 pF，斩波频率为400～44 kHz；M2、M1为细分设置引脚，外接拨码开关可设定不同的细分值，如整步、半步、1／8细分、1／16细分。由于步进电机在低频工作时，有振动大、噪声大的缺点，需要细分解决。
　　步进电机的细分控制，从本质上讲是通过对步进电机励磁绕组中电流的控制，使步进电机内部的合成磁场为均匀的圆形旋转磁场，从而实现步进电机步距角的细分。一般情况下，合成磁场矢量的幅值决定了步进电机旋转力矩的大小，相邻两合成磁场矢量之间的夹角大小决定了步距角的大小。DCY2、DCY1外接拨码开关设置电流衰减模式(0、25％、50％、100％)，用于满足不同的步进电机需要。由于电机本身状况、供电电源状况及脉冲频率等其他因素的影响，步进电机可能会产生高频噪声，通过电流衰减模式的设置可减小甚至消除这种噪声。图7显示了衰减模式为0和50％时线圈电流的变化，可看出波形具有明显的改善。
（a）衰减比为0 （b）衰减比为50%
图7 波形图

图8 电流和细分衰减设置电路模块

而步进电机在运行过程中可能会有发热量大或失步越步等的问题出现，为防止此类问题的发生或问题发生后的补救方法，驱动器的自动半流控制功能、脱机功能和细分功能就充分体现出来，这部分将在附录中具体介绍。
2.1.4 驱动器设置及接线
DIP开关功能：

4
1
2
3
ON

DIP1
DIP2
DIP3
DIP4
细分数
0
0
0
0
1
1
0
1
0
2
1
1
0
1
8
0
1
1
1
16

电流调整说明：

2
1
3
ON

0.5A
1.0A
1.5A
2.0A
2.5A
3.0A
3.5A
K1
1
0
1
0
1
0
1
K2
0
1
1
0
0
1
1
K3
0
0
0
1
1
1
1

步进电机的速度除了可以通过频率调节外，还可以通过细分数来控制，细分数越大，步进电机的速度越慢。假设步进电机的步距角为1.8度，即一个脉冲使步进电机转动1.8度，如果细分为10，则表示一个脉冲使步进电机转动1.8 / 10 = 0.18度，如此，步进电机转动一圈，所需的脉冲数较细分前多，速度也因此慢下来了。
电流调整是通过拨码开关设置输出相电流的大小，电流过大会引起步进电机发热严重。
本装置步进电机所需的速度无须太快，电流过大也易引起电机发热量大，综合考虑，本设计采用16细分（DIP1~DIP4：0111）和0.5A（K1~K3：100）的输出相电流。
电源接线：
24V：接电源。
GND：接地线。
A+&A-：接电机A相线圈的二根引线。
B+&B-：接电机B相线圈的二根引线。
控制信号接线：
EN：使能端。
PU：脉冲信号接入端。
DR：控制电机转动方向。
+5V：接控制器的+5V输出端。

2.1.5 步进电机驱动器原理图和PCB

图9 步进电机驱动器原理图

图10 步进电机驱动器PCB图

2.2 主控板设计
2.2.1 单片机模块
2.2.1.1芯片的选择
89C51芯片作为硬件核心，采用Flash ROM，内部具有4KB ROM 存储空间,能于3V的超低压工作,而且与MCS-51系列单片机完全兼容,但是运用于电路设计中时由于不具备ISP在线编程技术, 当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，对芯片的多次拔插会对芯片造成一定的损坏。而且内存太小。
而STC公司生产的芯片STC12C5A60S2,片内ROM全都采用Flash ROM；能以3V的超底压工作；同时也与MCS-51系列单片机完全该芯片内部存储器为8KB ROM 存储空间，具有在线编程可擦除技术，当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，不需要对芯片多次拔插，所以不会对芯片造成损坏。
综合对比下，选用型号为STC12C5A60S2的芯片，该芯片是一款高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12 倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM,8路高速10位精度A/D转换(250K/S，即25万次/秒)，针对电机控制，强干扰场合是不错的选择。
且该单片机有4个16位定时器。两个与传统8051兼容的定时器/计数器，16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器，再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器。而3个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟，独立波特率发生器可以在P1.0口输出时钟。2路PWM可用来当2路D/A使用，也可用来再实现2个定时器，还可用来再实现2个外部中断。且定时器还可用于实现多串口。
STC12C5A60S2系列单片机的内部结构框图如图11所示。STC12C5A60S2单片机中包含中央处理器(CPU)、程序存储器(Flash)、数据存储器(SRAM)、定时/计数器、UART串口、串口2、I/O接口、高速A/D转换、SPI接口、PCA、看门狗及片内R/C振荡器和外部晶体振荡电路等模块。STC12C5A60S2系列单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，可称得上一个片上系统。

图11 STC12C5A60S2系列单片机的内部结构框图

图12 单片机部分原理图

2.2.2 主控板电源
主控板电源模块采用78M05稳压芯片，为了是输出的电压稳定并且消除文波采用前后并联220uf的极性电解电容和0.1uf的无极电容的方法。并且在主控板上设置了4对5V的扩展电源，用以方便调试。

图13 主控板电源

第四章 软件设计

1. 按钮输入的软件处理
按钮的触点在闭合和断开时均会产生抖动，这是触点的逻辑电平是不稳定的，如不妥善处理，将会引起按键命令的错误执行或重复执行。现在一般均用软件延时的方法来避开抖动阶段，这一延时过程一般大于5ms，例如取10-20ms。如果监控程序中的读键操作安排在主程序（后台程序）或键盘中断（外部中断）子程序中，则该延时子程序便可直接插入读键过程中。如果读键过程安排在定时中断子程序中，就可省去专门的延时子程序，利用两次定时中断的时间间隔来完成抖动处理。
延时程序如下：（可通过设置Z的值来确定延时时间）
void delay ( int z )
{
uchar i, j;
for ( i=0; i < z; i++ )
{
for ( j=0; j < 125; j++);
}
}

2. 控制方案的比较选择
1.开环控制
开环控制的好处是控制算法简单程序比较容易，此外节省了许多元器件，从而硬件设计也比较简单，这个方法实现很容易。
但是这个方案的缺点是精确度不够，开环控制步进电机我们就无法知道步进电机的运行情况也不知道电机前进的步数，这样我们就无法精确的控制活塞前进的距离，导致计算的结果不准确，增加了可消除的误差。
2.闭环控制
闭环控制的优点是电机控制精确，所以活塞前进的距离也就先对准确许多，这样计算的结果也就比较精确，但是闭环控制的缺点就是结构和程序复杂。经过讨论为了要达目标要求的精度我们决定使用闭环控制方案。
单片机通过光电编码器的输出脉冲数计算出步进电机的转速n，将输出量n送回至系统的输入端，与程序设定转速初值n0进行比较，将两者偏差信号e作用于控制器上，控制器对偏差信号e进行PID运算，产生控制作用，使系统的输出量转速n趋向于设定初值n0 ，使步进电机的速度维持一个恒定的值。如此整个系统构成一个闭环，利用反馈的作用来减小系统的误差，即闭环反馈控制。

3. 控制算法比较
PID控制原理PID调节器由比例调节器(P)，积分调节器(I)和微分调节器(D) 构成，它通过对偏差值的比例积分和微分运算后，用计算所得的控制量来控制被控对象。图1所示为PID控制系统框图。

u(t)
＋
e(t)
r(t)
比例