白志青

（安徽工貿(mào)職業(yè)技術學院，安徽 淮南 232001）

0 引言

在生物、醫(yī)療、化工等領域注射液體時，有時需要對液體進行精確、微量、均勻、持續(xù)的注入。傳統(tǒng)的注入方法一般由工作人員注射，由于不同工作人員的技術和經(jīng)驗存在差異，很難保證注射時液體的定量均勻，精度也難以達到微升和毫升量級，當誤差稍大時，會直接影響注射效果，增大操作難度。為達到注射要求，設計了一款微量液體定量定程注入控制系統(tǒng)，其結構簡單、操作方便，能夠?qū)y試液進行高精度的定量定程控制，可以滿足工作需求。

1 微量液體定量定程注入系統(tǒng)的外部結構

微量液體定量定程注入控制系統(tǒng)的外部結構主要由活動推板、基座、絲杠螺母、絲杠、諧波減速器、步進電機、螺旋測微桿、單片機、顯示屏和固定板夾等構成。其結構如圖1 所示。

圖1 微量液體定量定程注入系統(tǒng)的外部結構示意圖Fig.1 External structure diagram of quantitative and scheduled liquid injection system

正常工作時，單片機發(fā)出控制脈沖信號驅(qū)動步進電機工作，步進電機通過諧波減速器帶動絲杠旋轉(zhuǎn)［1］，在絲杠螺母的作用下，活動推板直線運動，從而推動注射柱塞直線滑移。通過改變脈沖的順序，可改變步進電機的轉(zhuǎn)動方向，從而實現(xiàn)針管內(nèi)液體的排出與吸入［2］。

2 硬件結構設計與實現(xiàn)

微量液體定量定程注入控制系統(tǒng)采用單片機控制技術，利用單片機對步進電機的脈沖信號進行驅(qū)動細分，將步進電機的固有步距角細分成若干小步，即產(chǎn)生極小的角位移量，實現(xiàn)高精度定位［3］。此外，還在步進電機的輸出端增加了一個微型的諧波減速器，使得角位移量進一步微量化，可以精確地控制微小角位移量，從而實現(xiàn)微量的直線進給量；通過螺旋測微桿達到精確控制柱塞的目的，使液體微量注入，完成液體微量定量定程的進給注射，所產(chǎn)生的誤差幾乎為零。定量定程注入控制系統(tǒng)硬件結構如圖2 所示。

單片機每產(chǎn)生一個脈沖信號，驅(qū)動電路就驅(qū)動步進電機的轉(zhuǎn)軸按照設定的方向轉(zhuǎn)動一個固定步距角（角位移），通過控制脈沖個數(shù)控制角位移量，從而實現(xiàn)高精度定位的目的［4］。諧波減速器使得步距角更加穩(wěn)定微量化，產(chǎn)生的步距角（角位移）會在顯示屏上實時顯示。另外，通過單片機還可以對脈沖信號進行驅(qū)動細分，將步進電機固有的步距角細分成若干小步，即產(chǎn)生極小的角位移量，進而達到定量定程的控制；螺旋測微桿內(nèi)有測量距離的傳感器，可記錄測微螺桿的移動量，然后反饋給單片機計算出液體的排出量，并通過顯示屏實時進行顯示。

圖2 定量定程注入控制系統(tǒng)硬件結構圖Fig.2 Hardware structure diagram of the control system

2.1 單片機控制步進電機單元設計

單片機采用高速、低功耗、超強抗干擾能力的STC 系列的STC12C5A60S2，該單片機在同樣晶振的情況下，速度是傳統(tǒng)8051 系列單片機的8 ～12 倍，并且指令代碼與傳統(tǒng)8051 完全兼容。步進電機驅(qū)動電路選用高耐壓、大電流達林頓晶體管陣列的ULN2003A 作為步進電機驅(qū)動器，具有高電流增益、高工作電壓、寬溫度范圍、強負載能力等特點［5］。利用單片機控制步進電機電路設計如圖3 所示。

圖3 步進電機控制演示圖Fig.3 Diagram of stepper motor control

按下KP，步進電機順時針正轉(zhuǎn)，絲桿前進旋轉(zhuǎn)帶動活動推桿使液體注入；按下KN，步進電機逆時針反轉(zhuǎn)，絲桿后退旋轉(zhuǎn)帶動活動推桿使液體吸入針管。

步進電機細分驅(qū)動控制技術采用單片機控制的電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)。單片機STC12C5A60S2 發(fā)出細分量化控制電壓信號［6］，經(jīng)過D/A 轉(zhuǎn)換器得到模擬信號，與三角波發(fā)生器發(fā)出的三角信號進行比較，形成PWM 控制信號，輸入到步進電機驅(qū)動器ULN2003A 中，實現(xiàn)步進電機的細分驅(qū)動。其結構如圖4 所示。

圖4 步進電機細分驅(qū)動框圖Fig.4 Block diagram of driving and segmenting for stepper motor

2.2 諧波減速器

諧波減速器具有體積小、重量輕、承載能力高、結構緊湊、傳動精度高等優(yōu)點，與普通減速器相比，是一種高端精密減速器。諧波減速器是通過柔輪的彈性形變而帶動剛輪傳動，是以一種少齒傳動的方式工作。柔輪、剛輪、波發(fā)生器3 個部件中，其中前面2 個輪為主動，后面的為從動。該設計中的微型諧波減速器可使得步進電機輸出的角位移量進一步微量化，可以精確地控制微小角位移量，從而實現(xiàn)微量的直線進給量。

2.3 螺旋測微桿

本系統(tǒng)中螺旋測微桿在上述諧波減速器輸出微量化角位移量的同時產(chǎn)生相應的角位移量，通過轉(zhuǎn)換得到精確的直線進給量。因此，通過螺旋測微桿達到精確控制柱塞的目的，使液體小微量注入，完成液體微量定量定程的進給注射，所產(chǎn)生的誤差幾乎為零。

2.4 電源模塊

電源模塊采用7805 穩(wěn)壓器，將交流220 V 電源經(jīng)過變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓，得到+ 5 V 的直流電，其硬件結構如圖5 所示。

3 軟件流程設計

選用Proteus 以及Keil4 軟件對單片機系統(tǒng)進行仿真和調(diào)試。利用單片機控制液體的輸入量精確給定，程序流程如圖6 所示。

圖6 單片機軟件流程圖Fig.6 Software flow chart of single chip microcomputer

單片機的工作流程如下：上電后，系統(tǒng)進入初始化，完成初始設置與清零；基于工作狀態(tài)給定精確的液體輸入量數(shù)字信號，啟動按鈕動作后，實現(xiàn)微量的直線進給，液體開始緩慢注入，依據(jù)螺旋測微桿的反饋值，完成液體輸入，返回按鈕動作，系統(tǒng)完成工作。

4 結語

基于單片機微量液體定量定程注入系統(tǒng)主要應用于生物、醫(yī)療、化工等領域的微量液體定量定程的注入，一次排出的液體可以精確到毫升級，能進行精確的量化控制。其特點如下：

1）包含的零部件較少，結構簡單，操作方便，成本低；

2）采用單片機控制技術，確保了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性；

3）以步進電機為動力源，步進電機具有瞬間啟動和急速停止的特性，控制性能好、轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定、誤差小，并且誤差不累積，容易實現(xiàn)定量定程控制；

4）在步進電機的輸出端增加了一個諧波減速器，使得角位移量進一步微量化；

5）螺旋測微桿可以精確控制微小的角位移量，從而產(chǎn)生微量的直線進給量。

綜上所述，該系統(tǒng)能夠?qū)ψ⑸淦鲀?nèi)的液體進行精確的定量定程控制，可以滿足實際工作需求。