基于单片机微量液体定量定程注入系统的设计

白志青

（安徽工贸职业技术学院，安徽 淮南 232001）

0 引言

在生物、医疗、化工等领域注射液体时，有时需要对液体进行精确、微量、均匀、持续的注入。传统的注入方法一般由工作人员注射，由于不同工作人员的技术和经验存在差异，很难保证注射时液体的定量均匀，精度也难以达到微升和毫升量级，当误差稍大时，会直接影响注射效果，增大操作难度。为达到注射要求，设计了一款微量液体定量定程注入控制系统，其结构简单、操作方便，能够对测试液进行高精度的定量定程控制，可以满足工作需求。

1 微量液体定量定程注入系统的外部结构

微量液体定量定程注入控制系统的外部结构主要由活动推板、基座、丝杠螺母、丝杠、谐波减速器、步进电机、螺旋测微杆、单片机、显示屏和固定板夹等构成。其结构如图1 所示。

图1 微量液体定量定程注入系统的外部结构示意图Fig.1 External structure diagram of quantitative and scheduled liquid injection system

正常工作时，单片机发出控制脉冲信号驱动步进电机工作，步进电机通过谐波减速器带动丝杠旋转［1］，在丝杠螺母的作用下，活动推板直线运动，从而推动注射柱塞直线滑移。通过改变脉冲的顺序，可改变步进电机的转动方向，从而实现针管内液体的排出与吸入［2］。

2 硬件结构设计与实现

微量液体定量定程注入控制系统采用单片机控制技术，利用单片机对步进电机的脉冲信号进行驱动细分，将步进电机的固有步距角细分成若干小步，即产生极小的角位移量，实现高精度定位［3］。此外，还在步进电机的输出端增加了一个微型的谐波减速器，使得角位移量进一步微量化，可以精确地控制微小角位移量，从而实现微量的直线进给量；通过螺旋测微杆达到精确控制柱塞的目的，使液体微量注入，完成液体微量定量定程的进给注射，所产生的误差几乎为零。定量定程注入控制系统硬件结构如图2 所示。

单片机每产生一个脉冲信号，驱动电路就驱动步进电机的转轴按照设定的方向转动一个固定步距角（角位移），通过控制脉冲个数控制角位移量，从而实现高精度定位的目的［4］。谐波减速器使得步距角更加稳定微量化，产生的步距角（角位移）会在显示屏上实时显示。另外，通过单片机还可以对脉冲信号进行驱动细分，将步进电机固有的步距角细分成若干小步，即产生极小的角位移量，进而达到定量定程的控制；螺旋测微杆内有测量距离的传感器，可记录测微螺杆的移动量，然后反馈给单片机计算出液体的排出量，并通过显示屏实时进行显示。

图2 定量定程注入控制系统硬件结构图Fig.2 Hardware structure diagram of the control system

2.1 单片机控制步进电机单元设计

单片机采用高速、低功耗、超强抗干扰能力的STC 系列的STC12C5A60S2，该单片机在同样晶振的情况下，速度是传统8051 系列单片机的8 ～12 倍，并且指令代码与传统8051 完全兼容。步进电机驱动电路选用高耐压、大电流达林顿晶体管阵列的ULN2003A 作为步进电机驱动器，具有高电流增益、高工作电压、宽温度范围、强负载能力等特点［5］。利用单片机控制步进电机电路设计如图3 所示。

图3 步进电机控制演示图Fig.3 Diagram of stepper motor control

按下KP，步进电机顺时针正转，丝杆前进旋转带动活动推杆使液体注入；按下KN，步进电机逆时针反转，丝杆后退旋转带动活动推杆使液体吸入针管。

步进电机细分驱动控制技术采用单片机控制的电流矢量恒幅均匀旋转。单片机STC12C5A60S2 发出细分量化控制电压信号［6］，经过D/A 转换器得到模拟信号，与三角波发生器发出的三角信号进行比较，形成PWM 控制信号，输入到步进电机驱动器ULN2003A 中，实现步进电机的细分驱动。其结构如图4 所示。

图4 步进电机细分驱动框图Fig.4 Block diagram of driving and segmenting for stepper motor

2.2 谐波减速器

谐波减速器具有体积小、重量轻、承载能力高、结构紧凑、传动精度高等优点，与普通减速器相比，是一种高端精密减速器。谐波减速器是通过柔轮的弹性形变而带动刚轮传动，是以一种少齿传动的方式工作。柔轮、刚轮、波发生器3 个部件中，其中前面2 个轮为主动，后面的为从动。该设计中的微型谐波减速器可使得步进电机输出的角位移量进一步微量化，可以精确地控制微小角位移量，从而实现微量的直线进给量。

2.3 螺旋测微杆

本系统中螺旋测微杆在上述谐波减速器输出微量化角位移量的同时产生相应的角位移量，通过转换得到精确的直线进给量。因此，通过螺旋测微杆达到精确控制柱塞的目的，使液体小微量注入，完成液体微量定量定程的进给注射，所产生的误差几乎为零。

2.4 电源模块

电源模块采用7805 稳压器，将交流220 V 电源经过变压、整流、滤波、稳压，得到+ 5 V 的直流电，其硬件结构如图5 所示。

3 软件流程设计

选用Proteus 以及Keil4 软件对单片机系统进行仿真和调试。利用单片机控制液体的输入量精确给定，程序流程如图6 所示。

图6 单片机软件流程图Fig.6 Software flow chart of single chip microcomputer

单片机的工作流程如下：上电后，系统进入初始化，完成初始设置与清零；基于工作状态给定精确的液体输入量数字信号，启动按钮动作后，实现微量的直线进给，液体开始缓慢注入，依据螺旋测微杆的反馈值，完成液体输入，返回按钮动作，系统完成工作。

4 结语

基于单片机微量液体定量定程注入系统主要应用于生物、医疗、化工等领域的微量液体定量定程的注入，一次排出的液体可以精确到毫升级，能进行精确的量化控制。其特点如下：

1）包含的零部件较少，结构简单，操作方便，成本低；

2）采用单片机控制技术，确保了系统的可靠性和稳定性；

3）以步进电机为动力源，步进电机具有瞬间启动和急速停止的特性，控制性能好、转矩稳定、误差小，并且误差不累积，容易实现定量定程控制；

4）在步进电机的输出端增加了一个谐波减速器，使得角位移量进一步微量化；

5）螺旋测微杆可以精确控制微小的角位移量，从而产生微量的直线进给量。

综上所述，该系统能够对注射器内的液体进行精确的定量定程控制，可以满足实际工作需求。