电化学检测用双电机工作台控制器的设计

刘继伦　陈建威

摘 要：本文设计了一种可用于电化学检测的双电机工作台控制器。它采用单片机闭环PWM控制，实现了转杯转速连续可调和实时显示、电极自动升降等功能，可对检测样品特别是毒性样品进行无污染、无搅拌旋转。该系统具有程序控制、操作简便和不需要人工搅拌的特点。

关键词：电化学检测;单片机;电机控制

中图分类号：TH742 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）32-0061-03

Control System of Two Motors for Electrochemical Detection

LIU Jilun CHEN Jianwei

（Zhengzhou University of Aeronautics，Zhengzhou Henan 450046）

Abstract： This paper designed a dual motor table controller that could be used for electrochemical detection. It adopts closed-loop PWM control of single-chip microcomputer， realizes the functions of continuously adjustable rotor speed and real-time display， automatic electrode lifting and so on， and can perform non-polluting and non-stirring rotation on test samples， especially toxic samples. The system is characterized by program control， easy operation and no need for manual mixing.

Keywords： electrochemical detection;single chip microcomputer;motor control

電化学测试仪器是电化学检测试验中的主要设备，广泛应用于化工、医药、食品、环保等领域。电解池体系构成了电化学测试仪器的反馈回路，正确设计电解池体系十分重要[1]。电解池体系主要由电极、电解池、搅拌机构构成。搅拌溶液时，人们可以采用手动操作，也可以用磁力搅拌器搅拌或者电机带动烧杯旋转。手工操作时，采用手动方式晃动烧杯，然后通过测试电极来测试，这种方式需要手工操作，还可能导致搅拌不均匀[2]。磁力搅拌器可以自动搅拌样品溶液，简化操作过程[3]，而搅拌子的存在会影响检测精度。通过电极带动烧杯自动旋转的方法可以实现均匀搅拌[4]，却无法与电极架协调动作。

针对以上问题，本文设计并研制了一种基于单片机的双电机工作台控制器。该控制器通过PWM闭环控制实现转杯转速连续可调、转速实时显示、电极自动升降等功能。该控制器的优点是检测电解池样品特别是有毒化学溶液时，操作过程无污染、无搅拌旋转，不需要人工搅拌，应用价值较高。

1 硬件设计

双电机工作台控制器总体硬件电路由转杯电机控制电路、电机测速电路、电极架电机控制电路、单片机系统电路、显示和键盘电路、电源电路等部分组成。硬件框图如图1所示。单片机接收测速信号并计算转速，对转杯电机转速进行闭环控制，对电极架电机进行升降控制，扫描键盘键码并按键中断程序，分时显示实时转速和设定转速。

1.1 转杯电机控制电路

工作台上的旋转杯由直流电机进行驱动旋转。电机控制回路采用9V电源，单片机系统采用5V电源，如图2所示。

CW317三端稳压器、电位器组成电压可调稳压电路，为电机供电。CW317的输出端接至直流电机M+端。单片机MCU发出PWM转速控制信号，通过TLP512光电耦合隔离器，再经过8050三极管放大电路后，接至直流电机的M-端，实现对电机速度的实时控制。

霍尔元件将检测到的转速脉冲信号通过缓冲器7406分为两路传输，一路传送到单片机的INT0中断输入端，由单片机计算转速并进行速度控制，另一路传送给LED转速指示灯。霍尔元件通过反馈电路将检测到的电机转速信息反馈给单片机，单片机计算转速并与设定转速比较后，输出PWM转速调整信号使得电机运行在设定转速左右，实现了PWM电机转速控制。此外，为了方便系统调试，设计了电位器PH，电机的最高转速可通过电位器手动调节。

1.2 电极架电机控制电路

工作台上的电极架通过螺杆和减速电机相连，控制减速电机的正反转可以实现电极架上下运动。调换电机的两个接线端，就可改变减速电机的转向。本系统中，MCU发出电极架升降控制信号，控制两个继电器交替动作，实现电机转向的切换。电极架控制电路采用9V电源供电，还采用光电耦合电路和三极管放大电路，以增强驱动能力。电极架电机控制电路如图3所示。

1.3 单片机系统电路

采用89C52单片机作为主控制器。此单片机共有40个引脚，其中包括电源引脚、时钟电路、复位控制等的输入端。P0、P1、P2口的输入输出引脚作为I/O口使用，P3口使用第二功能，10、11引脚为串行数据的输入输出口，12、13引脚作为外部中断输入口，14、15引腳作为定时器外部输入口，16、17作为外部存储器读写控制口[5]。

电源由31引脚通过R1上拉电阻向单片机提供稳定电压。18、19引脚外接12M晶振，9引脚作为系统的复位端;12、13引脚为中断引脚，电机转速反馈以及电机速度的调节输入信号端;36、37、38、39引脚作为显示板的控制信号端，经译码器译码后，由7段LED数码显示器显示电机的实时转速和设定转速;32、33、34、35引脚作为4位LED显示器的数据输出端，分别根据MCU所输出的实时数据进行显示;21、22引脚作为电极架电机升降信号输出端。23引脚输出为控制转杯电机转速的PWM信号;24、25引脚为电极架升降的状态信号;1、2、3、4引脚作为键盘输入端，接收键盘的输入信号。

1.4 键盘和显示电路

1.4.1 键盘电路。它由74LS08逻辑门电路构成，共有电极架升降、加速、减速、旋转杯电机启停、复位五个按钮。除复位键外，其余4个按键产生中断，由中断程序判断键码后进行相应的操作。

1.4.2 转速显示。显示电路由译码器和4个七段LED数码管组成[6]，简化了程序设计。由程序控制分时显示直流电机实时转速和设定转速。

1.4.3 工作状态显示。4个LED指示灯用于显示工作台运行时的状态。分别是电极架“高”位指示、电极架“低”位指示、转杯电机运行指示和停止指示。

2 系统软件

系统软件设计是实现工作台系统各项功能的关键。软件程序采用C语言编程，主要包括：主程序、PWM控制子程序、键盘输入外部中断子程序、加速调整子程序、减速调整子程序、自动运行子程序和电极架升降子程序等。

主程序流程如图4所示，包含端口初始化、中断初始化、定时器初始化、电极架位置初始化和键盘扫描显示等。

外部中断1服务子程序用于响应键盘输入信号，并进入相应的键盘处理子程序（见图5）。当加速键或减速键有效时，转速显示值连续增加或减小，停止按动，显示当前设定值。按自动运行键时，转杯开始旋转，再次按动时，停止转动。电极架升降键有效时，电极架升至高位或降至低位。

3 试验验证

根据以上设计方案，本研究研制了双电机工作台系统，如图6所示。试验结果表明，PWM直流电机转速控制运行正常，电极架电机能够按照设定程序可靠运行，各指示灯的状态正常。当转速在200～1 500r/min时，转速误差很小，能够满足电化学检测需要。试验还发现，由于该转杯电机启动转矩较小，当设定转速过小（<200r/min）时，启动转速有一定的死区。人们可以选取功率较大的电机，消除该问题。

4 结论

本文设计研制的电化学检测用双电机工作台控制器，采用PWM闭环控制，实现了旋转杯转速可调并实时显示、电极自动升降等功能，可以对电化学检测样品进行无污染、无搅拌旋转。系统采用程序控制，操作简便，不需要人工搅拌，可满足环境化学、生物医药类企业、科研机构、高等院校的有关电化学检测试验的需要。

参考文献：

[1]张鉴清.电化学测试技术[M].北京：化学工业出版社，2010.

[2]姜志宏.智能型磁力搅拌器的控制方法与实现[J].实验技术与管理，2003（4）：36-38.

[3]陈竹.超薄磁力搅拌器的设计与实现[J].微型机与应用，2011（13）：17-19.

[4]陈烈春.带烧杯旋转的pH测试仪：中国，CN204064994U[P].2014-12-31.

[5]赵嘉蔚.单片机原理与接口技术[M].北京：清华大学出版社，2010.

[6]康华光.电子技术基础数字部分[M].北京：高等教育出版社，2008.