陳旻哲，熊 誠，劉守印

(華中師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430079)

0 引 言

隨著人民生活水平的提高，客戶對中高端產(chǎn)品需求旺盛，整體市場消費水平明顯提高。在這一大環(huán)境下，當(dāng)大家忙于拼產(chǎn)品概念、拼促銷時，一種全新的人性化銷售服務(wù)理念——定制營銷，無疑將在滿足個性需求、豐富品牌文化內(nèi)涵、促進銷售增長等方面，發(fā)揮積極的作用。

消費新變局的背后，有著深刻的工業(yè)基礎(chǔ)。相比于流水線、標(biāo)準(zhǔn)化的傳統(tǒng)工業(yè)模式，基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的第三次工業(yè)革命，正開啟更加個性化、小型化的生產(chǎn)和商業(yè)模式[1]。定制營銷也逐漸被越來越多的美容化妝品商家、食品商家提上議程。越來越多的商鋪推出了現(xiàn)場私人定制化妝品、飲品的服務(wù)，并獲得了一定的成功[2]。但是，目前這種服務(wù)大多數(shù)依靠人工手動調(diào)配化妝品或飲品。這種方式存在4點缺陷：1)需要經(jīng)過培訓(xùn)的專業(yè)調(diào)配員，浪費人力物力；2)調(diào)配出的混合液體精度低、損耗大、質(zhì)量低；3)調(diào)配時間長，考驗用戶耐心；4)缺少信息化數(shù)據(jù)管理。

針對以上問題，本文創(chuàng)新設(shè)計了一套基于2種新型裝置的液體調(diào)配系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要服務(wù)于家庭或商家，幫助他們即時自動化定制混合液體(如精油、飲料、調(diào)味料等)，解決了傳統(tǒng)手工調(diào)配存在的諸多問題，使之具有高度自動化、原液損耗低、調(diào)配精度高、調(diào)配速度快、系統(tǒng)成本低等優(yōu)勢。

1 系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一套液體調(diào)配系統(tǒng)，其主要技術(shù)包括嵌入式技術(shù)、計算機技術(shù)和流體控制技術(shù)。

系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)共由底層設(shè)備、前端客戶端和后臺數(shù)據(jù)中心3個部分組成。底層設(shè)備為本系統(tǒng)的核心——液體調(diào)配儀(簡稱調(diào)配儀)。前端客戶端分為PC前端和Android前端。其中，PC前端通過USB2.0與調(diào)配儀通信，實現(xiàn)對調(diào)配儀的控制以及數(shù)據(jù)交互等功能；Android前端通過藍牙4.0與調(diào)配儀通信，實現(xiàn)的功能與PC前端基本一致。前端客戶端還可以通過公網(wǎng)(如4G、GPRS、以太網(wǎng)等)與數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器交互，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、信息推送和軟件更新等功能。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 底層設(shè)備設(shè)計

本系統(tǒng)的底層設(shè)備為調(diào)配儀。調(diào)配儀是一款嵌入式智能硬件，其基本功能包括液體調(diào)配、數(shù)據(jù)存儲、前端交互等。下面將詳細(xì)介紹調(diào)配儀的機械結(jié)構(gòu)及工作原理、底層硬件設(shè)計和底層軟件設(shè)計。

2.1 調(diào)配儀的機械結(jié)構(gòu)及工作原理

調(diào)配儀的機械結(jié)構(gòu)共分為亞克力外殼、金屬主架和旋轉(zhuǎn)滴壺3個部分，如圖2所示。亞克力外殼用于包裝調(diào)配儀，主要起美觀作用。金屬主架是調(diào)配儀的主體部分，用于安裝亞克力外殼、主控板、旋轉(zhuǎn)滴壺以及多個原液瓶、蠕動泵和電機。旋轉(zhuǎn)滴壺是實現(xiàn)液體調(diào)配功能的核心，上面安裝了紅外信號板、一個驅(qū)動機構(gòu)和一個收集瓶。

(a) 亞克力外殼 (b) 金屬主架 (c) 旋轉(zhuǎn)滴壺圖2 調(diào)配儀的基本組成圖

調(diào)配儀的基礎(chǔ)功能——液體調(diào)配分為液體的精確量取和液體的無損耗混合2個步驟：

1)液體的非接觸式精確量取。

本文提出一種非接觸式精確量取微量液體裝置(簡稱為取液裝置)。該裝置主要由蠕動泵、電機、液滴檢測裝置和主控板組成，其整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。輸液管穿插在蠕動泵內(nèi)，該輸液管的入口插入在原液瓶的液面下。主控板與電機電連接，通過控制電機工作進而控制蠕動泵擠壓輸液管。輸液管的出口連接液滴檢測裝置。液滴檢測裝置與主控板電連接，并將內(nèi)部紅外接收管檢測到的紅外信號轉(zhuǎn)換為電信號反饋至主控板。主控板利用液滴檢測算法將反饋信號換算成輸出液體體積。該裝置成本低，結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，能實現(xiàn)高精度量取微量液體，并且全程無接觸、無污染。

1 原液瓶；2 蠕動泵；3 液滴檢測裝置；4-1 紅外接收管；4-2 紅外發(fā)射管；5 收集瓶；6 主控板；7 電機；8 輸液管

圖3 一種非接觸式精確量取微量液體裝置結(jié)構(gòu)圖

2)液體的無損耗混合。

在取液裝置的基礎(chǔ)上，本文提出一種多通道微量液體精確混合裝置。裝置主要由底盤、轉(zhuǎn)盤、驅(qū)動轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動機構(gòu)、收集瓶組成的旋轉(zhuǎn)滴壺、主控板和多個取液裝置組成。其整體結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示。底盤位于轉(zhuǎn)盤上面，轉(zhuǎn)盤以其垂直中軸線為中心旋轉(zhuǎn)。底盤上設(shè)有多個液體混合入口。每個入口分別與其對應(yīng)的取液裝置的輸液管輸出末端連接。轉(zhuǎn)盤上設(shè)有一個液體混合出口。出口處設(shè)有一對液滴檢測紅外對管；出口下方設(shè)有混合液體收集瓶。轉(zhuǎn)盤上設(shè)有一個定位紅外發(fā)射管，底盤上設(shè)有多個定位紅外接收管。主控板控制驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，同時能夠控制取液裝置輸送原液瓶內(nèi)的待混合液體。液滴檢測紅外對管和定位紅外對管與主控板電連接。

當(dāng)用戶在前端輸入配方，即輸入各個通道的原液所占的混合比例后，調(diào)配儀通過USB或藍牙收到命令，開始工作。首先，主控板控制驅(qū)動機構(gòu)使旋轉(zhuǎn)滴壺上的轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，直至轉(zhuǎn)盤上的液體混合出口和配方中第一個比例大于0的原液對應(yīng)的液體混合入口在同一垂直線上。之后，主控板驅(qū)動對應(yīng)取液裝置的蠕動泵工作，進而從原液瓶中抽取原液至液體混合入口處滴下。在原液滴下至收集瓶的過程中，液體混合出口處的紅外對管不斷向主控板反饋電信號進行液滴計數(shù)。當(dāng)該通道的原液輸出量達到由配方換算得到的原液體積時，主控板立刻停止驅(qū)動蠕動泵的電機并回轉(zhuǎn)一小段時間，然后控制驅(qū)動機構(gòu)將轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)至下一原液對應(yīng)的液體混合入口，直至本次調(diào)配完成。裝置以一種新型結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了非接觸式多通道微量液體精確混合。這種混合方式相較于傳統(tǒng)的混合裝置，最后的液體混合精度完全依賴于液體量取精度，在混合過程中既不會降低精度也不會損耗液體。

(a) 裝置整體結(jié)構(gòu)圖

(b) 底盤和轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)圖

1 主控板；2 原液瓶；3 輸液管；4 蠕動泵；5 電機；6驅(qū)動機構(gòu)；7 底盤；7.1.1 液體混合入口；8 轉(zhuǎn)盤；8.1.1 電機固定口；8.2.2 液體混合出口；8.2.3 定位紅外發(fā)射管；9 收集瓶；10 支架

圖4 一種多通道微量液體精確混合裝置結(jié)構(gòu)圖

2.2 底層硬件電路設(shè)計

圖5 硬件電路設(shè)計框圖

調(diào)配儀中的底層硬件電路共分為2個部分，即安裝在金屬主架上的主控板和安裝在旋轉(zhuǎn)滴壺上的紅外信號板。系統(tǒng)硬件電路設(shè)計如圖5所示。

1)主控板。

對于本系統(tǒng)的核心控制器來說，其需要以一個較低的成本支持USB及其它各種通信，以保持與上位機及其他模塊間的交互；此外，根據(jù)用戶需求的不同，調(diào)配儀需要從多個原液瓶中取液，這就要求控制器能夠擁有多個IO口去控制每一個原液瓶對應(yīng)的蠕動泵，以及多路模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog-to-Digital，A/D)采樣通道去采集旋轉(zhuǎn)滴壺底盤上的多個定位紅外接收管和轉(zhuǎn)盤上的一個液滴檢測紅外接收管的電信號，從而實現(xiàn)液體的精確量取與混合。因此，本系統(tǒng)的核心控制器選用Microchip公司的PIC18F65J50單片機。PIC18F65J50是一款采用納瓦技術(shù)的64引腳高性能1MB閃存USB單片機。PIC18F65J50除了擁有PIC18F系列單片機的固有優(yōu)點(具備出色的計算性能和豐富的功能)之外，還擁有一個兼容USB2.0的串行接口引擎、12路通道的10 bit A/D、2個增強型USART等[3-5]。對于本系統(tǒng)來說，PIC18F65J50無疑是市場上性價比最高的一項選擇。

2)紅外信號板。

紅外信號板共有2塊，分別安裝在旋轉(zhuǎn)滴壺底盤和轉(zhuǎn)盤上。2塊紅外信號板通過底盤紅外信號板上的金屬彈針和轉(zhuǎn)盤紅外信號板上的環(huán)形銅片保持底盤旋轉(zhuǎn)時的電連接。2塊紅外信號板上裝有若干紅外發(fā)射管和紅外接收管。旋轉(zhuǎn)滴壺上轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)位置的確定以及液滴的檢測皆通過紅外光電傳感技術(shù)實現(xiàn)。

紅外對管正常工作時，發(fā)射管發(fā)射紅外光，紅外光直射接收管，接收管將接到的光強轉(zhuǎn)化為相應(yīng)大小的電流。若紅外光受到干擾或者遮擋、偏移時，光強損失大，接收管轉(zhuǎn)換的電流較弱[6]。在這一原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計如圖6所示的電路，將電流變化轉(zhuǎn)化為電壓變化，通過主控制器的A/D采樣口對該電壓進行采樣，從而將紅外對管檢測到的光強信息轉(zhuǎn)化為電壓信號波形。

圖6 紅外對管電路原理圖

對定位紅外對管來說，當(dāng)且僅當(dāng)某一液體混合入口和液體混合出口處于同一垂直線上時，該液體混合入口對應(yīng)的定位紅外接收管才會收到定位紅外發(fā)射管的直射紅外信號，產(chǎn)生一個相對較強的電流；其他時候，定位紅外接收管則一直處于幾乎接收不到任何紅外信號的狀態(tài)，電流極弱。由此，主控板通過同時判斷多個通道的定位紅外接收管的電流反饋信號來控制底盤的旋轉(zhuǎn)角度。

對液滴檢測紅外對管來說，在液滴的形狀大致相同的情況下，當(dāng)有液滴從對管間滴下時，紅外信號會發(fā)生特定的光強變化，相應(yīng)地主控板AD采樣到特定的電壓信號波形。主控板利用液滴檢測算法計算輸出液體的總體積。

2.3 底層軟件設(shè)計

底層軟件實現(xiàn)的主要功能包括與前端軟件的通信交互以及對調(diào)配儀的控制。在底層軟件主程序的基礎(chǔ)上，涉及的主要算法為液滴檢測算法。

1)底層軟件工作流程。

底層軟件的主要工作流程如圖7所示。

圖7 底層軟件工作流程圖

2)液滴檢測算法。

當(dāng)外界環(huán)境相對穩(wěn)定時，所輸原液在液體混合入口處形成的液滴的大小只與所輸液體本身的表面張力有關(guān),與滴管的直徑和滴流速度無關(guān)。因此，大致可以認(rèn)為液體混合入口滴下的每一滴液滴的體積相同[7]。本文以純凈水為例，在口徑為1.5 mm、蠕動泵電機空載轉(zhuǎn)速為20 r/s的情況下，多次測量滴下1000滴液滴的液體總體積，求得1000滴液滴的總體積平均為45.01 ml，由此計算出每一滴液滴的體積平均為0.045 ml。因此，只要調(diào)配儀能夠檢測并記錄當(dāng)前通道已經(jīng)抽取的總液滴數(shù)N，即可通過公式(1)算得當(dāng)前已抽取的總液體體積V：

V=0.045×N

(1)

在本系統(tǒng)中，調(diào)配儀通過采集轉(zhuǎn)盤上的液滴檢測紅外對管反饋的電壓信號，再利用液滴檢測算法來計算N的值。傳統(tǒng)的利用紅外光電傳感技術(shù)的液滴檢測方案大多在硬件上對信號進行了復(fù)雜的處理，如將發(fā)射信號調(diào)制、將轉(zhuǎn)換得到的電壓信號放大、整形，最后輸出標(biāo)準(zhǔn)的脈沖信號供給單片機檢測。每當(dāng)單片機檢測到一個脈沖，即為檢測到一滴液滴[8-10]。但是這種方案對連續(xù)落下的液滴的狀態(tài)要求嚴(yán)格，一旦液滴出現(xiàn)不規(guī)則的形狀，或者出現(xiàn)氣泡炸裂，這種方案將極易帶來誤判。因此在這種方案中對蠕動泵的要求非常嚴(yán)格，甚至需要使用步進電機驅(qū)動蠕動泵。但這樣一來方案的成本和體積會變得難以控制。除此之外，也有許多研究使用其他傳感器來進行液滴檢測，如電容、攝像頭、光纖等[11-14]。這些方案通過微控制器提取這些更復(fù)雜的傳感器的反饋信號，并進行算法檢測，從而實現(xiàn)超高精度的液滴檢測。但這些方案對傳感器和微控制器的要求均較高，從而造成成本的提高。

因此，本文綜合考慮成本、體積和精度，設(shè)計了一種紅外液滴檢測的改進方案。方案采用普通的直流電機來驅(qū)動蠕動泵工作，進而通過蠕動泵來抽取原液。待蠕動泵的輸液管輸出液滴時，輸液管輸出端的紅外接收電路將變化的紅外信號轉(zhuǎn)換為電壓信號后不做任何硬件信號處理，直接通過主控板的A/D采樣口進行電壓信號的采集，最后通過軟件中的液滴檢測算法對采樣波形進行檢測，從而判斷是否滴下一滴液滴。這種方案相較于傳統(tǒng)的液滴檢測方案具有成本低、體積小的優(yōu)點,是一種在犧牲一定取液精度的情況下，性價比極高的一種方案。

圖8 液滴電壓信號波形

通過實驗測得，當(dāng)有一滴液滴落下時，PIC18F65J50單片機A/D采樣得到的電壓信號大致如圖8所示。在對波形進行了均值濾波后，本系統(tǒng)的液滴檢測算法主要運用了滑動時間窗口和滑動閾值法來進行液滴檢測[15-16]。

3 前端設(shè)計

為了適應(yīng)各種應(yīng)用場景，調(diào)配儀除了能夠通過USB和PC前端進行有線通信外，還能通過藍牙4.0和Android前端進行無線通信。在系統(tǒng)內(nèi)2種通信機制之間互鎖，并且2種前端實現(xiàn)的基本功能大致相同。前端主要工作流程如圖9所示。

圖9 前端工作流程圖

同時，本系統(tǒng)還開發(fā)了相應(yīng)的后臺服務(wù)器，來進行數(shù)據(jù)存儲、信息推送和軟件更新。

4 系統(tǒng)分析

4.1 人機交互界面

本文設(shè)計的PC前端和Android前端的用戶界面和功能界面如圖10所示。整個前端功能完整、運行流暢，在與用戶進行充分交互的前提下，可按設(shè)定要求控制調(diào)配儀工作。

(a) PC前端 (b) Android前端圖10 前端控制界面

4.2 調(diào)配儀液體量取精度分析

由于調(diào)配儀的設(shè)計原理是以液滴滴數(shù)來計算液體體積，因此這里將0.045 ml作為一滴液滴的標(biāo)準(zhǔn)體積，在前端輸入多種理論輸出體積，在每種情況下通過10次實驗測量了實際液滴滴數(shù)和實際輸出液體體積的平均值。

表1 各液體輸出體積下液滴滴數(shù)及液體體積誤差

理論體積/ml理論滴數(shù)/滴平均實際體積/ml體積誤差/%平均實際滴數(shù)/滴滴數(shù)誤差/%51114.813.801100.90102229.752.502210.451533314.702.003300.903066729.601.336610.9050111149.550.9011040.63

由表1可見，滴數(shù)越多的情況下，最后輸出的液體體積誤差越??；而液滴滴數(shù)精度一直維持在一個較為穩(wěn)定的精度(誤差≤1.00%)，能充分滿足家用或商用液體調(diào)配的真實需求。

5 結(jié)束語

在如今這個資源豐足、產(chǎn)品選擇多樣甚至供過于求的社會狀態(tài)下，消費者在精神層面上對有別于他人的個性傾向和自我意識的表達有了更高的追求[17]。特別是在化妝品、食品等消耗品行業(yè)內(nèi)，“私人定制”已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢。這時，設(shè)計一款成熟的家用或商用的液體調(diào)配系統(tǒng)是十分有必要的。

本文針對上述市場需求設(shè)計了一款基于PIC18F系列單片機的液體調(diào)配系統(tǒng)。系統(tǒng)通過創(chuàng)新設(shè)計調(diào)配儀內(nèi)的非接觸式精確量取微量液體裝置和多通道微量液體無損耗混合裝置，配合相應(yīng)的軟、硬件設(shè)計，實現(xiàn)了對多種液體的個性化、精確、快速、無污染、無損耗、自動化調(diào)配。整個調(diào)配儀成本低、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、外形美觀，適用場景包括液態(tài)化妝品調(diào)配、飲品調(diào)配、調(diào)味料調(diào)配等。同時，本系統(tǒng)還配套開發(fā)了相應(yīng)的前端和后臺，讓整個系統(tǒng)功能完整、可移植性強、擴展性高，具有廣闊的市場前景。

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