基于ARM控制系统的新型微量注射器

南通大学毕业设计I南通大学毕业设计题目基于ARM控制系统的新型微量注射器姓名郭培波指导教师许田专业光信息科学与技术南通大学理学院2014年3月南通大学毕业设计I摘要本篇论文旨在叙述制造一台性能优越，价格低廉的多通道智能微量注射器，能够进行匀速微量注射，既能够同时联动4台微泵工作，又可分离单台操作控制。具有智能控制、人性化操作的特点。本设计通过自学QT界面开发平台、可剪裁LINUX开发系系统相关知识，开发可以在ARM开发板控制步进电机的可移植程序，通过7寸电容式LCD触摸屏可视化的控制，实现了计算机实时控制。本设计采用S5PV210核心板作为系统集成平台，因为ARM处理器具有超强的数据处理能力。本设计电路驱动模块核心采用L298N高细分步进电机驱动模块，其稳定的高放特性，为整个注射系统的稳定性提供了保障。本文阐述了微机处理技术，电子技术，机械设计、力学原理综合应用于新型微量注射器的设计开发，意义非凡。关键词智能控制，微型注射器，ARM，步进电机，步进电机驱动，LCD南通大学毕业设计IIABSTRACTTHISPAPERAIMSTODESCRIBEANEXCELLENTMANUFACTURINGPERFORMANCE,LOWCOSTMULTICHANNELINTELLIGENTMICROSYRINGE,CANBEUNIFORMMICROINJECTION,BOTHCANBECOORDINATEDSIMULTANEOUSLYFOURMICROPUMP,CANBESEPARATEDFROMASINGLEOPERATORCONTROLINTELLIGENTCONTROLFEATURESHUMANEOPERATIONTHISDESIGNTHROUGHSELFQTINTERFACEDEVELOPMENTPLATFORMTAILOREDLINUXDEVELOPMENTSYSTEMSYSTEMRELATEDKNOWLEDGE,DEVELOPMENTCANBECONTROLLEDSTEPPERMOTORINTHEARMDEVELOPMENTBOARDTRANSPLANTATIONPROCEDURES,BY7INCHCAPACITIVELCDTOUCHSCREENVISUALCONTROL,COMPUTERREALTIMECONTROLTHISDESIGNUSESS5PV210COREBOARDASTHESYSTEMINTEGRATIONPLATFORM,BECAUSETHEARMPROCESSORWITHSUPERIORDATAPROCESSINGCAPABILITIESTHECOREDRIVERMODULECIRCUITDESIGNUSINGHIGHL298NSTEPPERMOTORDRIVERMODULE,ITSSTABLEOFHIGHLEVELRADIOACTIVEPROPERTIES,THESTABILITYOFTHEENTIREINJECTIONSYSTEMTOPROVIDEAGUARANTEEINTHISPAPER,COMPUTERTECHNOLOGY,ELECTRONICTECHNOLOGY,MECHANICALDESIGN,APPLIEDMECHANICSHANDLEINTEGRATEDDESIGNANDDEVELOPMENTOFNEWMICROSYRINGE,SIGNIFICANCEKEYWORDSINTELLIGENTCONTROL,MICROSYRINGE,ARM,STEPPERMOTOR,STEPPERMOTORDRIVE,LCD南通大学毕业设计III目录摘要IABSTRACTII目录III第1章绪论111微量注射器概况112新型微量注射器设计思路2第二章步进电机的工作原理机421微量注射器的工作原理422步进电机概况523步进电机的调速原理524步进电机的选用原则6第三章驱动电路设计,8第四章控制系统941PWM调制原理942控制页面设计1043核心处理器11第五章总结12参考文献14致谢15南通大学毕业设计1第一章绪论11微量注射器概况微量注射器是一种能够进行长时间均匀微量注射的设备1，在材料物理与物理化学研究领域的应用十分广泛，用于微量滴定，微量注射，有效的节省了人员与物资上面的耗用。另外在实验室很多场合都是不适合研究人员长时间停留，有毒气体、有毒液体都有可能对人体造成伤害，微量注射器能够在人工设定程序下自动工作，有效的避免了有害物质对人身体的伤害，同时也解决了人工操作时误差大的缺陷。微量注射器操作快捷高效，有效的配合了许多场合的应用。国外微量注射器的研究比较早2，而国内对于微量注射器的研究起步甚晚，目前国内市售微量注射器多采用单片机控制，单片机本身很难实现高精度的控制要求，因此，稳定度不好而且功能较少是国内微量注射器的通病3。图1为目前常用的美制PHD系列微量注射器。图11PHD22精密微量泵图12PHD2000控制键盘国内外注射器面临的难点是控制不稳定，另外就是造价较高，目前国产的一部实验用微量注射器的价格基本在万元左右，而进口精确度较高的微量注射器的价格一般是国内的23倍。市售微量注射器使用时也经常出现故障，如速度不稳定，蓄电池电量耗光等，这些问题都极易损坏注射器【4】。市售微泵体积较大且主要是用于医院用来协助医护人员护理病患，普通小型化微量注射器价格昂贵，对于普通校园实验室或者专业性不太强的兴趣研究机构来说，一部试验用微量注射器，会造成不小的经济压力。所以说，就目前形式而言，微量注射器还是不能够被很好的应用于实验室中探究化学反应以及材料制备的研究。南通大学毕业设计212新型微量注射器设计思路通过在我校实验室中观察发现，实验室在二氧化硅纳米微球的制备过程中，需要缓慢滴加微量的正硅酸乙酯（TEOS），在以往的实验中，大多采用的是手工滴定，但最后制备出来的二氧化硅微球分布是不均匀的，规格大小也不一致。因此，本设计设计初衷就是设计制备一款简易微量注射器以代替原有的人工滴定，提高制备质量。通过查阅资料发现目前市售微量注射器大多都是单通道的，即使是多通道的也不能实现多通道与单立工作的实时切换与控制，而且价格昂贵，购买市售微量注射器实验成本会增加很多。基于此，本设计提出了一种新型智能微量注射器的设计构思，通过对智能控制部分以及机械传动部分的设计与制造，能够实现多通道工作与单通道工作方式之间的实时切换与分立控制，精确控制注射速度与注射时间尽可能满足实验室的应用要求。本设计方案的最终目标是在控制方式上利用智能控制代替原有的人工控制5，用更加先进的微机控制代替滞后的模拟控制。根据以上的设计思路，在控制核心模块本设计采用ARM控制系统，ARM控制器输出的脉冲稳定度高，使得步进电机的细分精度也很高；在核心ARM板上进一步开发，利用触摸式LCD显示屏触摸控制微量注射器的各项参数，更加快捷方便。新型智能微量注射器的总体方案图如图13所示图13新型智能微量注射器总体设计方案图南通大学毕业设计3需要特别指出的是本设计主体为铝制箱体，在其中两个侧面分别安装固定两个微泵，共2组4个微泵，并且为微泵配置不同减速比的减速箱，本设计选用的是1100和136减速比的减减速箱，这样设计可进行分组对比实验，便于直接观测不同条件下反应现象与结果的不同，便于比对分析，从而更利于发现实验规律。图14新型智能微量注射器的结构图南通大学毕业设计4第二章步进电机的工作原理21微量注射器的工作原理7微量注射器主要包括核心动力步进电机、智能控制软件、驱动放大电路、注射器外围硬件四部分。图21微量注射器实物图图22步进电机机械传动原理如图23所示，通过LCD触摸显示屏，对微量注射器的各项注射参数进行设定，通过串口通信技术将设定值传输到控制芯片，ARM核心板发出控制脉冲信号，驱动电路模块在得到脉冲命令后产生加载电压，激励步进电机转动。通过箱式减速器将步进电机转速进行细分，从而带动螺旋丝杆的转动。通过螺母横杆系统，利用相对运动的力学原理，将丝杆的旋转运动转换为横杆的上下直线运动。通过外部特别设计的注射器夹具对注射器的活塞进行夹持，实现与横杆的同步运动，从而实现推拉运动，完成注射与抽取。从注射器的工作原理里可以看出，微量注射器的核心部件就是步进电机。南通大学毕业设计5夹具注射器螺母横杆步进电机联轴器螺旋丝杆智能控制驱动电路图23新型微量注射器机械传动原理图图24步进电机结构图图25步进电机断面图23步进电机的调速原理步进电机主要通过电脉冲信号进行控制，当步进电机接收到电脉冲信号后将其转换成相应的角位移或者线位移，直观上就表现为电机的转动。也就是说，当外界给一个电脉冲，步进电机就转动一个角度，这个角度就被称为步距角；因此，步进电机也被形象的称为脉冲电动机。工作原理如图27所示。南通大学毕业设计6夹具注射器螺母横杆步进电机联轴器智能控制驱动电路步进电机由于输入为脉冲电流，所以也叫做脉冲电机夹具注射器螺母横杆步进电机联轴器螺旋丝杆智能控制驱动电路3步进角度2步进角度1步进角度由于输出位移为步进状态，所以叫做步进电机旋转角度图27步进电机原理图在此需要指出的是，电机转动的角度与其接受的脉冲数量成正比，脉冲数量越多，步进电机转过的角度就越大，直观的表现出来就是步进电机转过的圈数就越多。在步进电机脉冲最大限制频率范围内，单位时间内接收到的脉冲数量越多，步进电机的转速就会越高。如果在单位时间内接收到的脉冲数量超过步进电机的最大承受值，步进电机有可能会出现卡机不转的情况。另外在启动电机时要先以一个较小的脉冲频率启动，缓慢增大脉冲频率直至达到一个稳定的转速，这样步进电机才能正常的运转，否则以较高的启动频率启动，电机有可能会不能启动或者电机的转速不是设定的数值，这种情况即叫做失步7。步进电机固有频率估算值公式JTZFKR210式中ZR代表转子齿数；TK代表电机负载转矩；J代表转子转动贯量在电机启动和运转过程中，输入的脉冲频率就要限定在步进电机固有频率0之内。24步进电机的选用选择电机一般应遵循以下步骤电机型号负载步距角静力矩矩频特性曲线电流修正南通大学毕业设计7图29步进电机选用方法本设计选择螺距为1MM的全螺纹丝杆，步进电机的最大速度一般在6001200RPM，外加步进电机分别配置了1100,136的盒式减速箱，补充说明一下，本设计选用盒式减速箱，是因为盒式减速箱中减速齿轮组是成竖行排列，这样有效避免了在速度细分过程中齿轮之间的震动对速度细分的影响；采用两种减速比不一样的减速箱是为了能够作对比试验，便于总结在不同条件下试验规律。所以本设计理想计算提供速度线宽为0333MM/MIN和012MM/MIN,在这两个速度线宽范围内，完全能够满足大多实验需求。所以在电机最大速度选择这一块，本设计优先选择最大速度较大的步进电机。图210本设计采用的传动装置本新型微量微量注射器采用滚珠丝杆设计，如图210所示，将滚珠丝杆负载质量换算到电机输出轴上转动惯量7，计算公式为23102GLBPWJW可动部分总质量（KG）；BP丝杆螺距（MM）；GL减速比基于以上选用规则，通过系统的计算，新型微量注射器选择静力矩为110N/CM的步进电机，螺距为1MM的螺纹丝杆，通过计算，该种型号步进电机可以满足大多数情况下的试验用需求。南通大学毕业设计8图211本设计选用的步进电机（静力矩110NCM）第三章驱动电路设计在步进电机驱动电路设计之初，便通过相关软件对所设计的电路进行了仿真模拟测试，通过修改与测试，最终选择采用具有较大功率放大倍数的L298N步进电机驱动模块作为本设计的电机驱动。L298N最高耐高压为20V，峰值大电流为3A。如图31图31L298N实物图图32L298N外部引脚图33L298N驱动电路模拟图M1M2南通大学毕业设计9驱动器L298N外部引脚分布图如图33所示，其中EN1、EN2为使能端，当这两个引脚全部接高电平时，步进电机就会旋转，当这二者之一输入低电平时，步进电机就会停止旋转，也就是说这两个使能端是与的关系；引脚1、2、3、4为电机控制信号输入端，其中1和3为一组，分别控制步进电机的一个相，2和4为另外一组，控制两相步进电机的另一个相，通过改变这两组控制信号输入端接入电平的高低，就实现了对步进电机旋转方向的控制；控制信号输入后，经过L298N的放大、稳压后输出，引脚11、12、13、14为控制电平输出端，直接连接步进电机的AA，BB，在此需要强调的是，接线时A、A不能顺接在相邻的两个引脚上面，需要两两分开连接11。表31L298N细分设定分布表通过设定L298N的M1和M2，将会产生不同的细分效果，L298N最大细分数为1/8,也就是说在接受一个上位机脉冲后，步进电机旋转1/8步距角，因此，通过进一步细分，步进电机的速度线宽又被进一步增大13。第四章控制系统的设计41PWM调制原理本设计采用ARM控制系统，运用ARM板上面自带的PWM脉冲发生器，通过系统可开发，调节发射脉冲的脉宽，从而对L298N驱动部件供应电流的通断，以实现对步进电机的开关控制。控制原理图如图41所示11。M1M2细分数LL1LH1/2HL1/4HH1/8南通大学毕业设计10图41电流PWM细分驱动电路示意图PWM脉冲宽度调制，输出信号都有一个固定的输出周期，调整该输出周期内对下位机有效的脉冲宽度，即如图42所示，T为输出信号的周期长度，T为对下位机有效的工作范围，通过调节T的长度，下位机接收到的高电平限号时长就会改变，连带的就是L298N步进电机驱动器对步进电机进行“开”造作时间加长，在此时间内，步进电机接收到的脉冲数量就会增加，步进电机的速度也会逐渐增加；相应的，对步进电机实施的“关”操作时间就会缩短，即步进电机的断点时长缩短，步进电机的减速度不是会很大，加速度大于减速度，步进电机的转动速度会逐渐呈增加的趋势；同样的，当TTT时，也就是说步进电机减速度大于步进电机的及速度，如此的话，步进电机的速度就会逐渐减小，所以，根据实际情况，对T的长度进行设定，就会实现对步进电机转速的控制。也可以形象的将PWM脉冲宽度调制称为步进电机的“开关”，只是它的控制方法不是直接切断电源或者接通电源，而是通过控制断开或者接通时间的长短，来控制步进电机的加速度与减速度，从而实现对步进电机转速的控制。图42PWM控制图4、2控制界面设计如图43所示，这是通过界面开发程序QT开发设计的系统控制软件界面，通过串行通信口与7寸LCD电容显示屏相连。软件大致可以分割为4个栏位。设定注射时间南通大学毕业设计11图43控制界面速度设置栏位，在该栏位中，可以通过进度条对注射速度进行粗调，速度会显示出来，当接近要设定值时，可以通过速度显示窗的微调按钮进行微调；注射时间设定，在该栏位中，可以根据注射需要，对注射时间进行设定，本设计具有时钟设计，到达设定时间时，会自动断电停止注射。工作方式设定栏，每部微泵都有START、STOP、RETURN三个控制按键，可以根据实际要求对微量注射器的工作方式进行设定，完成注射和抽取动作。在工作过程中，也可以进行设备的急停、注射、回抽三种工作方式的及时切换。复位与关闭，当注射完成或者之前设定错误的情况下，可以通过复位键将所有设置数据复位，再重新设定。“CLOSE”键，关闭程序。在设定过程中，可以同时设定四台微泵同时联动工作，也可以分离设定其中单台微泵作注射或者抽取动作。43核心处理器10本设计核心处理器系统采用的是装配S5PV210芯片的ARM开发板，上位机控制界面对注射的速度、时间、工作方式进行设定后，通过串口通信技术14，S5PV210集成处理信息，进一步对下位机作出指令输出。采用此款芯片的ARM核心板功能较之以往普通的芯片ARM处理器更加省电，功能更加强大，而且此款芯片内部包含16位和32位双指令集合，能够适应不同的开发环境。实物图如图43所示。速度调节工作方式设置定复位与关闭南通大学毕业设计12图43TINY210V2开发板第五章总结以上阐述的就是自制的一台基于ARM控制系统的新型微量注射器，可以通过7寸LCD触摸显示器对注射速度进行设定，并能够实现实时控制；而且在微量注射器运行过程中还可以进行工作方式的切换，即能够实时控制注射器的注射与抽取作业方式。通过步进电机的选取，本设计能够提供0333MM/MIN的最大速度线宽，能够提供很缓慢的注射速度，同时注射完成后也能较快的完成回抽与排空作业。本设计还能够实现同时联动四部微泵同时工作，节省时间，便于作对比试验，也能够实现对每部微泵的分立控制，根据不同的需求能够实时切换。基于ARM控制系统的新型微量注射器主要技术参数注射方式微量连续性注射注射器规格根据不同注射量的需要，可更换不同的注射器适应注射其范围5ML200ML显示高清7寸LCD触摸显示屏外形尺寸250MM250MM350MM适用范围实验室微量注射，多通道微量滴定，缓慢加压南通大学毕业设计13实物如图所示新型微量注射器实物图南通大学毕业设计14触摸显示屏机械部分步进电机驱动电路参考文献1HARTLEY,FRANKTMINIATUREPER