毛细管式在线粘度测量装置的研制毕业论文

毛细管式在线粘度测量装置的研制摘要：本文首先分析了目前国内外液体动力粘度的在线测控需求情况，然后从泊肃叶定律出发，对常规毛细管粘度计进行改进设计，研制出一套新型自动粘度测量装置，该装置采用气液隔板隔离液体与传感器及动力部件，避免两者相接触而造成的清洗困难。该装置系统通过STC12C5A60S2单片机系统控制装置运行，并自动检测相关信号，计算被测液体粘度。文章最后给出测量误差分析及改进之处。关键词：粘度，在线测量，单片机系统，闭环控制第一章粘度在线测控现状及发展方向1课题研究背景及意义粘度是衡量液体抑制流动能力的一个重要的物理参数，是液体的重要物理性质和技术指标之一。液体的粘度特性往往与产品的其他特性如颜色、密度、稳定性、固体成分含量和分子量的改变有关系，而检测这些特性的最方便和灵敏的方法就是在线检测液体的粘度。在物理化学，流体力学等科学领域中，粘度测量对了解流体性质及研究流动状态起着重要的作用[1]。随着国民经济的不断提高，粘度的准确测定在许多工业部门和科学研究领域中都具有重要意义，粘度测量的要求日益突出。实际工程和工业生产中，经常需要在线检测流体的粘度，以保证最佳的过程运行环境与产品质量，从而提高生产效益，特别是在石油化工、医药、冶金及食品等行业中口[2][3]。例如：原油管道长距离输送过程中，原油粘度过大不仅影响输送效率，而且可能会造成原油凝管，发生事故。通过在线测量过程中的液体粘度，可以得到液体流变行为的数据，对于预测产品工艺过程的工艺控制，输送性以及产品在使用时的操作性有着重要的指导价值。总之，液体粘度的在线测量在石油、化工、国防、医学和煤炭等国民经济中发挥着越来越重要的作用。2液体粘度的传统测量方法传统的粘度测量方法有旋转法、振动法、毛细管法和落体式测量法。旋转法测量液体粘度是目前应用广泛的一种方法。其基本原理是：当流体与浸于其中的物体二者之一或者二者都作旋转运动时，物体将受到流体粘性力矩的作用而改变原来的转速或转矩，通过测量流体作用于物体的粘性力矩或物体的转速来确定流体的粘度。旋转法适用范围宽，测量方便，易得到大量的数据，但测量精度较低，测得的粘度值一般为相对值[4]。振动法测量方式有扭转振动式和振动片式等多种。常用的扭转振动式测量包括衰减振动式和强制振动式。衰减振动式基于浸于液体中作扭转振动的物体由于受到液体施于的粘性力，其扭转振幅会衰减，测量出振幅衰减情况和衰减周期，即可通过相应公式计算出液体粘度；强制振动式原理是由外界补充振动物体由于粘性所损耗的能量，使振动物体维持恒定振动频率和振幅，由所补充的能量和液体粘度之间的关系计算粘度值。振动法常用于低粘度液体的粘度测量。振动法具有振动周期和衰减测量方便、样品用量少、控温方便的优点，但没有公认的理想粘度计算公式[5]。毛细管法的理论基础是泊肃叶定律，即一定体积的液体在一定压力梯度下通过给定毛细管所需时间正比于层流液体的粘度，可通过测量液体流速和液体流经毛细管产生的压力计算出液体粘度。毛细管粘度仪作为分析性粘度仪已应用多年，可在基础温度(参考温度)下直接测量粘度。其工作过程如下：部分样品由一个精确的计量泵由过滤器吸入到粘度分析仪中，并在加热槽中循环，直至样品温度稳定；而后，样品流过一段短毛细管，期间测量毛细管两端的压降(为动态粘度的函数)，再利用密度测量值加以校正，便可获得参考温度下的运动粘度值。毛细管粘度测量精度高、测量过程中能够进行精确稳定的温度控制，具有良好的趋势分析效果。但毛细管粘度仪的成本和安装费用很高，且存在装置内残留样品不易清洗，测量周期长等缺点[6]。落体式粘度计的基本原理是球体或柱体在被测液体中下落，通过测量落体通过两定点所用的时间来测定粘度，也可以让球体滚动通过倾斜的平面。落球式粘度计原则上可测定绝对粘度，但往往也作为一种间接法，它可以用来测定加压下液体的粘度[7][8]。落球式粘度计的精度低于毛细管粘度计，测量的方法是以同一小球依次在测量管内的不同液体中下落，并记下其降落距离相等的时间。如果小球在所选用的参比液体中降落一定距离所需要的时间为幻，且参比液体的粘度及密度皆已知，则只需知道待测液体的密度，便可算出待测液体的粘度。与落球法相类似的另一种方法是拉球法[9]，此法克服了落球法在测量技术上的困难，如在高温粘度测量中，由于高温炉、容器及熔体不透明，无法用直接目测法测量小球的下落速度，拉球法是一种使小球在液体中进行强制往上运动的方法。拉球法中，拉力与粘滞摩擦阻力的关系如式(1)所示：T=6ηπRu=ku(1)式中，T为拉力(可由加入天平的砝码质量求出)；R为小球半径；u为小球往上移动的速度；k为与R有关的比例系数。通过实验测量出不同拉力作用下的小球往上移动速度，作移动速度对拉力的图线，所得曲线的斜率即为比例系数k，于是可求得粘度数值。在该方法中，小球向上移动的速度，可通过测量小球吊丝上部任何一个固定点的移动速度求得。3液体粘度测量新方法而随着计算机技术、光学技术、图像技术以及传感器技术的不断进步，大大推动了液体粘度测定技术的发展，液体粘度的测定装置及测定方法也得到了不断的完善和创新，粘度测量方法日益更新。近年来，微型测量技术在粘度测量中得到了应用，这使得测量样品用量极大的减少。NabilAhmed[10]根据原子应力显微镜悬臂共振频率随其浸入不同粘性介质发生变化的原理，通过研究原子应力显微镜悬臂共振频率的移动进行了溶液粘度的测量，所需样品量一般少于200μl。Z.H.Silber-Li等[11]综合已有技术，设计了自动调温微管粘度计，管径只有20μm，通过CCD连接立体显微镜和计算机观测液流情况，进而推得粘度值，利用热电塞贝克效应进行控温。所需样品量少，在生物液粘度测量上有很大的优势。超声波技术由Mason等最早引入液体的粘度测量[12]，但直到近年来才有了一定的发展。ThomasG.Hertz等[13]基于声流发展了一种非侵入式的粘度测量方法，通过超声波多普勒技术测量诱导波的速度，进而得出密封液体的粘度。BehicMert等[14]基于圆柱管内液体引起声能的衰减依赖于液体粘度、声音频率、管厚度及管材料的关系，发展了一种新方法，通过测量圆柱导波器内平面波的声阻抗得到了液体粘度。光学技术的发展，促进了其在粘度测量中的应用。BozaA.Nemet等[15]利用共焦显微镜和光钳技术发展了一种可以用来进行流体动力学测量的仪器，这种仪器对样品具有很小的破坏性。AlexisI.Bishop等[16]利用旋转激光捕获的粒子进行光学方式的微观流变学研究。将激光束线偏振光转变为圆偏振光后用来旋转浸入液体的双折射探测粒子，利用设计的光学系统，精确测量出施于旋转探测粒子上的力矩，又可知液体对粒子的粘性阻力矩，由探测粒子匀速旋转时两者相等，即可以得到液体粘度值。T.Oba等用CO2激光束加热液体表面，并通过观察表面波瞬间的行为，分析其热力学行为得到液体粘度值[17]。Y.Yoshitake等[18]利用激光诱导表面应变技术，通过研究表面应变与激光诱导的延迟时间得到了液体粘度值。4液体粘度测量发展趋势国民经济许多领域均与粘度测定技术密切相关，随着科学技术的不断发展，一方面实际生产需要研究和应用新的粘度测试技术；另一方面由于相关领域的技术进步，粘度测试技术将有可能获得改进与提高。综合分析两方面因素，液体粘度测定技术将在以下三个方向得到较大发展：(1)基于现代数据采集与处理方法完善传统粘度检测技术经过多年的发展与完善，传统的粘度测量方法已经比较成熟，尽管许多仪表体积偏大，操作较为复杂，但其测量精度及可靠性已经过长期考验。在此基础上，适当结合现代数据采集与处理技术，将使智能化程度和测试精度得到较大改善。(2)针对新型智能材料性能评价的粘度检测技术随着科学技术的发展，一些新兴材料不断涌现，特别是以电流变液为代表的新一代智能材料的出现，对液体粘度测定提出了新的挑战。作为一种固液两相悬浮液，在外加电场(或磁场)的作用下，电(或磁)流变液的粘度会迅速变化，而现有的各种粘度测量仪对粘度的变化只能望而却步。因此，研究适用于宽测量范围的粘度测试方法和测试装置将是今后一个重要发展方向。(3)适合生物体体液流动粘度监测的新技术粘度是了解生物体体液流动机理的基础，对生物流体学的研究具有重要的意义，它可以直接服务于生物医学工程，目前，虽然已有很多方法可以测定全血的粘度，但在精度上还达不到医学的要求，所以在对全血粘度的精确测定上还有漫长的道路，更应引起广大研究者的重视。第二章理论基础及模型建立对几种传统粘度测量方法对比分析，旋转法测量精度不高且液体的粘性力矩不易准确测量，振动式测量法适用于低粘度液体的粘度测量，没有公认的理想计算公式，而毛细管式测量法具有测量精度高和具体的粘度计算公式的优点，并且可通过改变毛细管的粗细（内径）适应不同的粘度测量范围，课题组决定在传统毛细管法的基础上进行改进，克服装置内残留样品不易清洗的缺点，设计一个毛细管式在线粘度测量装置。1理论基础毛细管法的理论基础是泊肃叶定律，即一定体积的液体在一定压力梯度下通过给定毛细管所需时间正比于层流液体的粘度，可通过测量液体流速和液体流经毛细管产生的压力计算出液体粘度。毛细管法测定液体粘度的理论基础是泊肃叶(Poiseulle)定律，即：令R＝8uL/(πr^4)，即Q＝ΔP/R，R称为流阻。又流量Q=V/t，式(2)可变为：(3)式(3)中：r为毛细管半径：t为液体流经毛细管的时间：L为毛细管长度；Vt为t时问内液体所流过的体积；为流体流过毛细管在毛细管两端产生的压力差。2测量装置模型的建立直线滑台直线滑台差压变送器毛细管待测液体大气气体活塞气液隔板被吸入的液体圆管图1毛细管在线粘度测量实验装置示意图本课题实验装置模型如图1所示。工作原理：电机转动带动直线滑台推动活塞在圆管内移动，移动距离可计算得出，乘以圆管的截面积除以时间即为被吸入圆管内液体的流量，根据质量守恒定律，该流量也是毛细管内流体的流量。圆管内固定设置的气液隔板在其上方开孔可实现隔板两边同压力，如此测量气体压力即为被吸入液体的压力，而待测液体一边与大气相通，利用差压变送器测得圆管内外气体的压差即为毛细管两端的压差。与传统毛细管粘度仪相比，本装置采用气液隔板解决了测量时液体与传感器及动力部件相接触的难题。考虑实际使用情况，流经毛细管的待测液体其粘度计算式由式(3)改为式(4)：(4)式中：为Δp毛细管两端的压差，d为毛细管内壁直径，l为毛细管长度，Q为毛细管内流体的体积流量。基于上述测量原理的分析可知，粘度的测量为间接测量，为了获得粘度值，在本测量系统中主要的测量参数为毛细管两端压差信号Δp，和流体流量Q。3系统设计系统设计主要包括硬件和软件两大部分，依据控制系统的工作原理和技术性能，将硬件和软件分开设计。硬件设计部分包括电路原理图、合理选择元器件、绘制线路图，然后对硬件进行调试、测试，以达到设计要求。软件设计部分，首先在总体设计中完成系统总框图和各模块的功能设计，拟定详细的工作计划；然后进行具体设计，包括各模块的流程图，选择合适的编程语言和工具，进行代码设计等；最后是对软件进行调试、测试，达到所需功能要求。在系统设计中设计方法的选用是系统设计能否成功的关键。硬件电路是采用结构化系统设计方法，该方法保证设计电路的标准化、模块化。硬件电路的设计最重要的选择用于控制的单片机，并确定与之配套的外围芯片，使所设计的系统既经济又高性能。硬件电路设计还包括输入输出接口设计，画出详细电路图，标出芯片的型号、器件参数值，根据电路图在仿真机上进行调试，发现设计不当及时修改，最终达到设计目的。本系统软件设计采用模块化系统设计方法，先编写各个功能模块子程序，然后进行组合与调整，经过调试后，达到设计功能要求。系统框图如图2所示：差压变送器差压变送器AD模块控制器液晶显示图2系统框图第三章硬件设计1元器件的选择1.1电机的选择电动机种类很多，大抵可分为直流电机、交流电机、步进电机和伺服电机，如何选择合适的电动机带动装置中直线滑台的移动需与测量所需参数移动距离等结合一起来考量。1.1.1直流电机直流电动机是指输入为直流电能并可将直流电能转换成机械能的旋转电机。直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由主磁极、换向极、轴承和电刷等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器等组成。直流电动机工作原理：导体受力的方向用左手定则确定。这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。直流电动机的转速N和其他参量的关系可表示为N=Ua-Ia*Ra式中：Ua——电枢供电电压（V）；Ia——电枢电流（A）；Ф——励磁磁通（Wb）；Ra——电枢回路总电阻（Ω）；Ce——电势系数。分别改变Ua、Ra和Ф时，可以得到不同的转速N，从而实现对速度的调节。由于Ф=F(Ia)，当改变励磁电流Ia时，可以改变磁通量Ф的大小，从而达到调速的目的。但由于励磁线圈发热和电动机磁饱和的限制，电动机的励磁电流Ia和磁通量Ф只能在低于其额定值的范围内调节，故只能弱磁调速。而对于调节电枢外加电阻Ra时，会使机械特性变软，导致电机带负载能力减弱。所以调速时，改变电枢电压，实现对直流电机速度调节的方法被广泛采用。通常采用的调速方法是控制PWM的脉冲宽度（占空比）来改变电枢电压。直流电动机有优良的控制性能，其机械特性和调速特性均为平行的直线，这是各类交流电动机所没有的特性。此外，直流电动机还有起动转矩大、效率高、调速方便、动态特性好等特点。但直流电动机的结构复杂，使用维护不方便，尤其是电刷和换向器的滑动接触造成了机械磨损和火花，使直流电动机的故障多、可靠性低、寿命短、保养维护工作量大。换向火花既造成了换向器的电腐蚀，还是一个无线电干扰源，会对周围的电器设备带来有害的影响。最重要的一点是，该粘度测量装置直线滑台的移动距离要求精确计算求得，而直流电机由于其惯性不能快速停止，不能精确定位到目标点上，会有小段的滑行。如果短接电枢，会产生制动力矩，可以快速停止，但也不能做到立即停止；再或者，在需要停止时，采取反接，同时要快速识别速度是否为0，如果为0，立即结束反接，否则电机会反转。鉴于直流电机不能精确定位，故不采用直流电机。1.1.2交流电机交流电机是用于实现交流电能和机械能间的转换。交流电机与直流电机相比，由于没有换向器，因此结构简单，制造方便，比较牢固，容易做成高转速、高电压、大电流、大容量的电机。且交流电机功率的覆盖范围很大，从几瓦到几十万千瓦、甚至上百万千瓦。由于交流电力系统的巨大发展，交流电机已成为最常用的电机。若采用交流电机，电机直接接入220V的交流电有一定的危险性，在有低压直流电源的条件下，不采用危险系数较大的交流电机。1.1.4伺服电机伺服电机是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。伺服电机在许多性能方便都很优秀，但其价格比之普通电机要贵，在要求不高的情况下，使用伺服电机是浪费资源，故不采用。1.1.3步进电机步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机转动使用的是脉冲信号，而脉冲是数字信号，这恰是计算机所擅长处理的数据类型。综合精度等的考虑下，本课题决定采用步进电机作为带动装置。1.2步进电机驱动器步进电动机不能直接接到直流或交流电源上工作，必须使用专用的驱动电源（步进电动机驱动器）。控制器（脉冲信号发生器）可以通过控制脉冲的个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机驱动器的原理，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。驱动器的设计将在后续硬件设计中具体阐述。1.3差压变送器差压变送器是测量工艺管道或罐体中介质的压力差，并且通过数据的转换、开方将测量得到的差压值转换成电流信号输出。本装置采用差压变送器的型号为IDP10-A22B21F，该型号的差压变送器拥有出色的长期稳定性，五年内每年的漂移小于测量上限值的±0.05%。其在正常工作条件下，环境温度每变化280C，对变送器的影响为测量上限值的±0.03%，且易于安装，节省时间与安装成本。供电电压12.5～42VDC测量范围0～5KPa(4～20mA)因差压变送器的输出是4～20mA的电流信号，不能直接测量，需将电流转换为1～5V的电压信号后再进行检测，故在差压变送器的输出处串上阻值为250Ω的信号电流与电压的转换电阻。1.4AD数据采集模块A/D转换器基本原理：在A/D转换器中，因为输入的模拟信号在时间上是连续量，而输出的数字信号代码是离散量，所以进行转换时必须在一系列选定的瞬间（亦即时间坐标轴上的一些规定点上）对输入的模拟信号取样，然后再把这些取样值转换为输出的数字量。因此，一般的A/D转换过程是通过取样、保持、量化和编码这四个步骤完成的。本装置采用的芯片PCF8591是单片、单电源低功耗的8位CMOS数据采集器件，具有4个模拟输入、一个输出和一个串行I2C总线接口。3个地址引脚A0、A1和A2用于编程硬件地址，允许将最多8个器件连接至I2C总线而不需要额外硬件。器件的地址、控制和数据通过两线双向I2C总线传输。器件功能包括多路复用模拟输入、片上跟踪和保持功能、8位模数转换和8位模拟转换。最大转换速率取决于I2C总线的最高速率。（PCF8591引脚说明见附录）从差压变送器采集的数据直接送到AD模块读取，并将其转换成电压值，由压差量程0～5KPa对应电流4～20mA，转换成对应于1～5V的电压，转换关系如下：P=V*其中，P是压强，V是电压。1.5显示模块选择方案方案一：采用点阵式数码管显示，点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成，对于显示文字比较适合,如采用在显示数字显得太浪费,且价格也相对较高。以不用此种作为显示。方案二：采用LED数码管动态扫描，数码管是一类价格便宜使用简单，通过对其不同的管脚输入相对的电流，使其发亮，从而显示出数字能够显示时间、日期、温度等所有可用数字表示的参数的器件。七段数码管动态显示驱动是将所有数码管通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示。将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。但由于数码管显示需要占用单片机内部定时中断，与程序冲突，因此不予采用。方案三：TFT-LCD液晶显示屏是薄膜晶体管型液晶显示屏，也就是“真彩”（TFT）。TFT液晶为每个像素都设有一个半导体开关，每个像素都可以通过点脉冲直接控制，因而每个节点都相对独立，并可以连续控制，不仅显示屏的反应速度快，同时可以精确控制显示色阶，所以TFT液晶的色彩更真。本装置采用的显示模块即是1.8寸的TFT，分辨率为128xBGRx160，可达262K色。电压类型：支持5V或3.3V电压输入，5v电压接入时，“VCC_SEL”(即16、17pin)断开；3.3v电压接入时，“VCC_SEL”短接。接口类型：支持8位数据接口或16位数据接口，8位数据接口可与12864液晶接口兼容（修改一下程序中的接口定义即可）；使用16位数据接口时，“MOD”(即18pin)连接到GND。并且兼容12864接口。（TFT液晶各引脚功能见附录）因单片机I/O口有限，TFT液晶显示采用8位数据接口模式，其在程序中的接口定义如下：TFT液晶显示STC12C5A60S2单片机CSP0^3RSP0^4WR_P0^5RD_P0^6RSTP0^7D8～D15P2TFT在程序中对应的函数是display()，写入函数存放在tft.c中。1.6时钟芯片的选择方案和论证方案一：采用DS1302时钟芯片实现时钟，DS1302芯片是一种高性能的时钟芯片，可自动对秒、分、时、日、周、月、年以及闰年补偿的年进行计数，而且精度高,位的RAM做为数据暂存区，工作电压2.5V～5.5V范围内，2.5V时耗电小于300nA。但由于需要单片机引脚数较多且焊接不方便，所以不采用此方案。方案二：直接采用单片机定时计数器提供秒信号，使用程序实现年、月、日、星期、时、分、秒计数。采用此种方案可减少芯片的使用，节约成本。1.7光电编码器光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图4所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90º的两路脉冲信号。码盘码盘透镜光敏元件脉冲输出放大整形透镜光源转轴图3光电编码器原理示意图本装置采用的是欧姆龙的增量式光电编码器，每600个脉冲转一圈。1.8速度测量方案的选择和论证方案一：T法测速：T法是测量两个脉冲之间的时间换算成周期，从而得到频率。因存在半个时间单位的问题，可能会有1个时间单位的误差。速度较高时，测得的周期较小，误差所占的比例变大。如要增加速度测量的上限，可以减小编码器的脉冲数，或使用更小更精确的计时单位，使一次测量的时间值尽可能大。方案二：M法测速：M法是测量单位时间内的脉数换算成频率，因存在测量时间内首尾的半个脉冲问题，可能会有2个脉的误差。速度较低时，因测量时间内的脉冲数变少，误差所占的比例会变大。如要降低测量的速度下限，可以提高编码器线数或加大测量的单位时间，使用一次采集的脉冲数尽可能多。本装置采用此方案。2硬件设计2.1驱动器设计2.1.1

TB6560AHQ简介TB6560AHQ是东芝公司推出的低功耗、高集成两相混合式步进电机驱动芯片。其主要特点有：内部集成双全桥MOSFET驱动；最高耐压40

V，单相输出最大电流3.5

A（峰值）；具有整步、1／2、1／8、1／16细分方式；内置温度保护芯片，温度大于150℃时自动断开所有输出；具有过流保护；采用HZIP25封装。TB6560AHQ步进电机驱动电路主要包括3部分电路：控制信号隔离电路、主电路和自动半流电路。图4TB6560AHQ主电路2.1.2步进电机控制信号隔离电路步进电机控制信号隔离电路如图5所示，步进电机控制信号有3个(CLK、CW、ENABLE)，分别控制电机的转角和速度、电机正反方向以及使能，均须用光耦隔离后再与芯片连接。光耦隔离的作用有两个：首先，防止电机干扰和损坏接口板电路；其次，对控制信号进行整形。对CLK、CW信号，要选择中速或高速光耦，保证信号耦合后不会发生滞后和畸变而影响电机驱动，且驱动板能满足更高脉冲频率驱动要求。本设计中选择2片6N137高速光耦隔离CLK、CW，其信号传输速率可达到10

MHz，1片TLP521普通光耦隔离ENABLE信号。应用时注意：光耦的同向和反向输出接法；光耦的前向和后向电源应该是单独隔离电源，否则不能起到隔离干扰的作用。图5信号隔离电路模块2.1.3步进电机主电路步进电机主电路主要包括驱动电路和逻辑控制电路两大部分。驱动电路电源采用24

V，电压范嗣为4.5～40

V，提高驱动电压可增大电机在高频范围转矩的输出，电压选择要根据使用情况而定。VMB、VMA为步进电机驱动电源引脚，应接入瓷片去耦电容和电解电容稳压。OUT_AP、OUT_AM、OUT_BP、OUT_BM引脚分别为电机2相输出接口，由于内部集成了续流二极管，这4个输出口不用像东芝公司的8435驱动芯片那样外接二极管，从而极大地减小电路板的布线空间。NFA、NFB分别为电机A、B相最大驱动电流定义引脚，最大电流计算公式为IOUT(A)=0.5(V)／RNF(Ω)，若预先定义电机每相的最大驱动电流为2.5

A，取RNF=0.2

Ω，则PGNDA、PGNDB、SGND分别为电机A、B相驱动引脚地和逻辑电源地。图6驱动器电源电路和指示灯电路逻辑控制电路电源为5

V，VDD为逻辑电源引脚，应接入去耦电容和旁路电容减小干扰噪声；M0、PROTECT为工作状态和过流保护指示灯；RESET为芯片复位脚，低电平有效；OSC所接电容的大小决定了斩波器频率，推荐100～1

000

pF，斩波频率为400～44

kHz；M2、M1为细分设置引脚，外接拨码开关可设定不同的细分值，如整步、半步、1／8细分、1／16细分。由于步进电机在低频工作时，有振动大、噪声大的缺点，需要细分解决。步进电机的细分控制，从本质上讲是通过对步进电机励磁绕组中电流的控制，使步进电机内部的合成磁场为均匀的圆形旋转磁场，从而实现步进电机步距角的细分。一般情况下，合成磁场矢量的幅值决定了步进电机旋转力矩的大小，相邻两合成磁场矢量之间的夹角大小决定了步距角的大小。DCY2、DCY1外接拨码开关设置电流衰减模式(0、25％、50％、100％)，用于满足不同的步进电机需要。由于电机本身状况、供电电源状况及脉冲频率等其他因素的影响，步进电机可能会产生高频噪声，通过电流衰减模式的设置可减小甚至消除这种噪声。图7显示了衰减模式为0和50％时线圈电流的变化，可看出波形具有明显的改善。（a）衰减比为0（b）衰减比为50%图7波形图图8电流和细分衰减设置电路模块而步进电机在运行过程中可能会有发热量大或失步越步等的问题出现，为防止此类问题的发生或问题发生后的补救方法，驱动器的自动半流控制功能、脱机功能和细分功能就充分体现出来，这部分将在附录中具体介绍。2.1.4驱动器设置及接线DIP开关功能：44123ONDIP1DIP2DIP3DIP4细分数000011010211018011116电流调整说明：2213ON0.5A1.0A1.5A2.0A2.5A3.0A3.5AK11010101K20110011K30001111步进电机的速度除了可以通过频率调节外，还可以通过细分数来控制，细分数越大，步进电机的速度越慢。假设步进电机的步距角为1.8度，即一个脉冲使步进电机转动1.8度，如果细分为10，则表示一个脉冲使步进电机转动1.8/10=0.18度，如此，步进电机转动一圈，所需的脉冲数较细分前多，速度也因此慢下来了。电流调整是通过拨码开关设置输出相电流的大小，电流过大会引起步进电机发热严重。本装置步进电机所需的速度无须太快，电流过大也易引起电机发热量大，综合考虑，本设计采用16细分（DIP1~DIP4：0111）和0.5A（K1~K3：100）的输出相电流。电源接线：eq\o\ac(○,1)24V：接电源。eq\o\ac(○,2)GND：接地线。eq\o\ac(○,3)A+&A-：接电机A相线圈的二根引线。eq\o\ac(○,4)B+&B-：接电机B相线圈的二根引线。控制信号接线：eq\o\ac(○,1)EN：使能端。eq\o\ac(○,2)PU：脉冲信号接入端。eq\o\ac(○,3)DR：控制电机转动方向。eq\o\ac(○,4)+5V：接控制器的+5V输出端。2.1.5步进电机驱动器原理图和PCB图9步进电机驱动器原理图图10步进电机驱动器PCB图2.2主控板设计2.2.1单片机模块芯片的选择89C51芯片作为硬件核心，采用FlashROM，内部具有4KBROM存储空间,能于3V的超低压工作,而且与MCS-51系列单片机完全兼容,但是运用于电路设计中时由于不具备ISP在线编程技术,当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，对芯片的多次拔插会对芯片造成一定的损坏。而且内存太小。而STC公司生产的芯片STC12C5A60S2,片内ROM全都采用FlashROM；能以3V的超底压工作；同时也与MCS-51系列单片机完全该芯片内部存储器为8KBROM存储空间，具有在线编程可擦除技术，当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，不需要对芯片多次拔插，所以不会对芯片造成损坏。综合对比下，选用型号为STC12C5A60S2的芯片，该芯片是一款高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM,8路高速10位精度A/D转换(250K/S，即25万次/秒)，针对电机控制，强干扰场合是不错的选择。且该单片机有4个16位定时器。两个与传统8051兼容的定时器/计数器，16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器，再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器。而3个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟，独立波特率发生器可以在P1.0口输出时钟。2路PWM可用来当2路D/A使用，也可用来再实现2个定时器，还可用来再实现2个外部中断。且定时器还可用于实现多串口。STC12C5A60S2系列单片机的内部结构框图如图11所示。STC12C5A60S2单片机中包含中央处理器(CPU)、程序存储器(Flash)、数据存储器(SRAM)、定时/计数器、UART串口、串口2、I/O接口、高速A/D转换、SPI接口、PCA、看门狗及片内R/C振荡器和外部晶体振荡电路等模块。STC12C5A60S2系列单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，可称得上一个片上系统。图11STC12C5A60S2系列单片机的内部结构框图图12单片机部分原理图2.2.2主控板电源主控板电源模块采用78M05稳压芯片，为了是输出的电压稳定并且消除文波采用前后并联220uf的极性电解电容和0.1uf的无极电容的方法。并且在主控板上设置了4对5V的扩展电源，用以方便调试。图13主控板电源第四章软件设计1.按钮输入的软件处理按钮的触点在闭合和断开时均会产生抖动，这是触点的逻辑电平是不稳定的，如不妥善处理，将会引起按键命令的错误执行或重复执行。现在一般均用软件延时的方法来避开抖动阶段，这一延时过程一般大于5ms，例如取10-20ms。如果监控程序中的读键操作安排在主程序（后台程序）或键盘中断（外部中断）子程序中，则该延时子程序便可直接插入读键过程中。如果读键过程安排在定时中断子程序中，就可省去专门的延时子程序，利用两次定时中断的时间间隔来完成抖动处理。延时程序如下：（可通过设置Z的值来确定延时时间）voiddelay(intz) {uchari,j;for(i=0;i<z;i++){for(j=0;j<125;j++);}}2.控制方案的比较选择1.开环控制开环控制的好处是控制算法简单程序比较容易，此外节省了许多元器件，从而硬件设计也比较简单，这个方法实现很容易。但是这个方案的缺点是精确度不够，开环控制步进电机我们就无法知道步进电机的运行情况也不知道电机前进的步数，这样我们就无法精确的控制活塞前进的距离，导致计算的结果不准确，增加了可消除的误差。2.闭环控制闭环控制的优点是电机控制精确，所以活塞前进的距离也就先对准确许多，这样计算的结果也就比较精确，但是闭环控制的缺点就是结构和程序复杂。经过讨论为了要达目标要求的精度我们决定使用闭环控制方案。单片机通过光电编码器的输出脉冲数计算出步进电机的转速n，将输出量n送回至系统的输入端，与程序设定转速初值n0进行比较，将两者偏差信号e作用于控制器上，控制器对偏差信号e进行PID运算，产生控制作用，使系统的输出量转速n趋向于设定初值n0，使步进电机的速度维持一个恒定的值。如此整个系统构成一个闭环，利用反馈的作用来减小系统的误差，即闭环反馈控制。3.控制算法比较PID控制原理PID调节器由比例调节器(P)，积分调节器(I)和微分调节器(D)构成，它通过对偏差值的比例积分和微分运算后，用计算所得的控制量来控制被控对象。图1所示为PID控制系统框图。u(t)＋e(t)r(t)比例积分微分执行机构对象c(t)－＋＋eq\o\ac(○,×)u(t)＋e(t)r(t)比例积分微分执行机构对象c(t)－＋＋图14PID控制系统框图3.1比例调节（P）比例调节是数字控制中最简单的一种调节方法。其特点是调节器的输出与控制偏差e成线性比例关系，控制规律为：(6)式中：-比例系数，-偏差e为零时调节器的输出值。当输出值S与设定的期望值R间产生偏差时，比例调节器会自动调节控制变量y(如为控制阀门的开度)的大小。控制变量y的大小会朝着减小偏差e的方向变化。比例系数的大小决定了比例调节器调节的快慢程度，大调节器调节的速度快，但过大会使控制系统出现超调或振荡现象。小调节器调节的速度慢，但过小又起不到调节作用。另外，虽然比例调节器控制规律简单，控制参数易于整定，但缺点是它只能在一种负载情况下实现无静差值的调节，当负载变化时，除非重新调整相应的值的大小，否则控制系统将会产生无法消除的静差值。3.2比例微分调节（PI）比例调节器的主要缺点是存在无法消除的静差值，影响了调节精度。为了消除静差值，在比例调节器的基础上并人一个积分调节器构成比例积分调节器，其调节规律可用下列(4)式表示。（7）式中：为积分常数，它的物理意义是当调节器积分调节作用与比例调节作用的输出相等时所需的调节时间称为积分常数。积分常数的大小决定了积分作用强弱程度，选择的越小，积分的调节作用越强，但系统振荡的衰减速度越慢。当过小时，甚至会造成系统的持续振荡，使调节器的输出波动不定，给生产过程带来严重的危害。相反地当选择的越大，积分的调节作用越弱，虽然过渡过程中不容易出现振荡现象，但消除偏差e的时间却很长。积分调节对偏差有累积作用，所以，只要有偏差e存在积分的调节作用就会不断地增强，直至消除比例调节器无法消除的静差值。3.3比例积分微分调节（PID）加入积分调节后，虽可消除静差，使控制系统静态特性得以改善，但由于积分调节器输出值的大小是与偏差值e的持续时间成正比的，这样就会使系统消除静差的调节过程变慢，由此带来的是系统的动态性能变差。尤其是当积分常数很大时，情况更为严重。另外，当系统受到冲激式偏差冲击时，由于偏差的变化率很大，而PI调节器的调节速度又很慢，这样势必会造成系统的振荡，给生产过程带来很大的危害。改善的方法是在比例积分调节的基础上再加人微分调节，构成比例积分微分调节器(PID)。其调节规律可用(7)式表示。（8）式中：为微分常数，它的物理意义是当调节器微分调节作用与比例调节作用的输出相等时所需的调节时间称为微分常数。本设计的控制对象为步进电机的转速N，控制算法采用传统的PID算法，若系统存在余差，可快速消除余差达到控制要求。4.中断系统中断源是指能发出中断请求，引起中断的装置或事件。STC12C5A60S2系列单片机提供了10个中断请求源，它们分别是：外部中断0(INT0)、定时器0中断、外部中断1(INT1)、定时器1中断、串口1(UART1)中断、A/D转换中断、低压检测(LVD)中断、PCA中断、串口2中断及SPI中断。4.1中断处理过程中断处理过程大致可分为四步：中断请求、中断响应、中断服务、中断返回。1.中断请求中断源发出中断请求信号，相应的中断请求标志位(在中断允许控制寄存器IE中)置“1”。2.中断响应CPU查询（检测）到某中断标志为“1”，在满足中断响应条件下，响应中断。（1）中断响应条件：该中断已经“开中断”；CPU此时没有响应同级或更高级的中断；当前正处于所执行指令的最后一个机器周期；④正在执行的指令不是RETI或者是访向IE、IP的指令，否则必须再另外执行一条指令后才能响应。（2）中断响应操作保护断点地址；撤除该中断源的中断请求标志；关闭同级中断；将相应中断的入口地址送入PC；（3）常用五个中断入口地址如下：INT0：0003H；T0：000BH；INT1：0013H；T1：001BH；串行口：0023H；3.执行中断服务程序中断服务程序应包含以下几部分：（1）保护现场（2）执行中断服务程序主体，完成相应操作（3）恢复现场4.中断返回在中断服务程序最后，必须安排一条中断返回指令RETI，当CPU执行RETI指令后，自动完成下列操作：（1）恢复断点地址。（2）开放同级中断，以便允许同级中断源请求中断。4.2中断服务程序：脉冲信号由单片机STC12C5A60S2的I/O口产生，一般的脉冲信号的占空比为0.3-0.4左右，电机转速越高，占空比则越大。本控制器采用的占空比为0.5，采用定时器中断生成PWM波。初始化程序：TMOD=0x15;//T1定时方式1，T0计数器方式K=4000; //4msTH1=(65535-K)/256;//定时器初值TL1=(65535-K)%256;定时中断程序：voidtimer1()interrupt3{ pwm=~pwm; TH1=(65536-K)/256; TL1=(65536-K)%256;}5.定时/计数器5.1定时器/计数器原理在测量控制系统中，常需要有实时时钟和计数器，以实现定时（或延时）控制以及对外界事件进行计数。STC12C5A60S2系列单片机有4个定时器，其中定时器0和定时器1是两个16位定时器，与传统8051的定时器完全兼容，也可以设置为1T模式，当在定时器1做波特率发生器时，定时器0可以当两个8位定时器用(另外2路PCA/PWM可以再实现2个16位定时器)。它们既可用作定时器方式，又可用作计数器方式。（1）定时工作方式当定时/计数器设置为定时工作方式时，输入的时钟脉冲是由晶体振荡器的输出经12分频后得到的，所以定时器也可看作是对计算机机器周期的计数器（因为每个机器周期包含12个振荡周期，故每一个机器周期定时器加1，可以把输入的时钟脉冲看成机器周期信号），故其频率为晶振频率的1/12。如果晶振频率为12MHz，则定时器每接收一个输入脉冲的时间为1us。（2）计数工作方式当定时/计数器设置为计数工作方式时，计数器对来自输入引脚T0（P3.4）和T1（P3.5）的外部信号计数，外部脉冲的下降沿将触发计数器加1。当设置了定时器的工作方式并启动定时器工作后，定时器就按被设定的工作方式独立工作，不再占用CPU的操作时间，只有在计数器计满溢出时才可能中断CPU当前的操作。定时/计数器是单片机系统一个重要的部件，其工作方式灵活、编程简单、使用方便，可用来实现定时控制、延时、频率测量、脉宽测量、信号发生、信号检测等。此外，定时/计数器还可作为串行通信中波特率发生器。单片机内部有两个定时/计数器T0和T1，其核心是计数器，基本功能是加1。对外部事件脉冲（下降沿）计数，是计数器；对片内机周脉冲计数，是定时器。计数器由二个8位计数器组成。定时时间和计数值可以编程设定，其方法是在计数器内设置一个初值，然后加1计满后溢出。调整计数器初值，可调整从初值到计满溢出的数值，即调整了定时时间和计数值。定时/计数器作为计数器时，外部事件脉冲必须从规定的引脚输入。且外部脉冲的最高频率不能超过时钟频率的1/24。5.2T0脉冲计数T0对光电编码器返回的脉冲进行计数。程序如下：TH0=0；TL0=0；count=TH0*256+TL0；6.压差计算压差计算程序如下： temp=Read_AD(0); volt=(float)temp*4.8/256;PP0=volt*1.25-1.25;//PP0为初始压差值7.粘度计算装置中所用的毛细管长度l为3.4厘米，内径d为1毫米；体积流量Q由一定时间内流经毛细管的被测液体容量除以时间求得，也即π*r*r*(L/t)，其中，r是圆筒的半径，L是时间t内直线滑台运动的距离，t是时间，试验中，t取30，则L为0.9厘米，r为1.5厘米。由以上已知条件可计算被测液体粘度，程序如下：voidcalculator(floatPP){floatPI=3.14159; floatl=3.4; //单位cm floatd=0.1; //单位cm floatQ; //单位cm^3/s Q=PI*1.5*1.5*(0.9/30); vv=PI*PP*1000*1000*(d*d*d*d)/(128*l*Q);//kpa~1000pa}8.主程序流程图主程序流程如图15所示。主程序是整个信号处理系统的总调度程序，调用各个模块中的子程序，实现测量系统所要求的各项功能。系统一上电，主程序自动运行，进入不断计算和处理的循环中。基本过程为：系统上电开始后，立即进行初始化，参数设置后进入信号采集以及A／D转换子程序，然后调用计算模块，对信号采样序列采用信号处理算法进行处理，接下来调用系统输出模块，完成输出后，主程序将返回，重新开始进行信号处理，计算粘度和输出信号，不断循环。系统上电后，首先调用初始化模块，完成系统内可编程器件和全局变量等的初始化。系统内需要初始化的器件主要为系统处理器STC和显示器件，STC12C5A60S2内部集成的诸多功能模块都被系统分配使用，如定时器、看门狗、串行通讯接口和数字复用口等，因此系统在正常运行前，需要对STC12C5A60S2的状态控制寄存器及各功能模块的工作模式进行设置。开始开始程序初始化参数设置启动键按下启动定时器信号采集启动A/D转换调用数据处理模块粘度计算显示结束图15主程序流程图第五章系统调试系统调试分为硬件调试和软件调试。系统硬件调试用以保证硬件各部分正常工作，软件调试则用来正确实现系统所设计的各部分功能。1.硬件调试硬件调试是软件调试的基础，是整个调试过程的关键。编写测试程序，对每个可编程的硬件模块进行单独测试，以确定它们能否正常工作，本测量系统中所涉及的可编程的硬件模块调试主要包括：验证单片机STC12C5A60S2是否正常工作。主要包括中断、采样、I／O口以及看门狗等。验证PCF8591能否正确完成A／D转换，以实现速度传感器信号的采样；。(3)验证EEPROM能否实现数据的存储与读取。(4)验证TFT液晶是否正确显示、刷新以及复位等。(5)调试各按键、利用中断扫描各键，确保其能够正确实现参数的调整。2.软件调试在硬件调试成功的基础上，可以实施系统整体软件的调试。系统软件调试主要完成系统软件的编写，根据系统软件的运行情况，实现软件程序的改写，直至符合系统的要求。软件调试主要部分有：(1)中断向量表的配置(2)初始化模块(3)中断模块(4)信号处理模块。(5)粘度计算模块(6)键盘扫描和刷新(7)显示模块经过以上步骤，在系统软件程序调试成功后，通过程序编写器将调试成功的程序写入单片机ROM中，进行离线运行。第六章实验结果与测量误差分析经实验测量的粘度与标准粘度对比可得，本粘度测量系统运行可靠。但对于本粘度测量系统而言，由于需要检测并计算多个被测量和中间参数，因此每个被测量的测量误差都将引起中间参数的计算误差，从而导致最终的粘度误差的变化，故需要对误差进行整体分析。根据该系统的测量原理，我们可以从毛细管两侧差压的测量误差和装置上圆筒安放的不平衡带来阻力等出发，对流体的粘度计算误差分别加以讨论。在粘度测量系统中，引入的差压的测量误差对最终的粘度计算误差具有一定的影响。根据粘度测量方法原理，毛细管两端的准确压差应该扣除毛细管两端液位高度带来的影响，因选用的盛放待测液体的容器较大，圆筒抽满液体后，液面下降高度大约只有2毫米，为0.0002Pa，可忽略不计；主要考虑的是圆筒内液面高度带来的误差，采用的方法是将液面升高或降低的过程等效为一个近似函数，在软件中计算压差时加上或减去这部分压差。而圆筒在安装过程中很难做到完全平衡，对于此类影响，通过多次观察分析，选取其中某一段影响最小的圆筒范围作为测量范围。第七章总结与展望论文围绕当前流体粘度在线测量这一课题，首先简单介绍了项目课题的技术背景和国内外技术发展趋势，对传统粘度测量方法以及当前粘度测量的新方法进行了阐述和分析，接着根据课题项目实际需求并结合各测量方法的特点，提出了在线粘度测量系统方案和模拟装置图；然后对在线粘度测量系统的器件选择以及硬件设计和软件设计部分进行了详细的分析和阐述；最后给出了在线粘度测量系统的实验结果和精度误差分析。然而这套粘度测量装置还有许多可以改进之处，比如可以加入温度传感器模块，构建环境温度对粘度测量的影响关系；还可以加入通讯模块，以便工业应用时远程监控。再者，随着科学技术的发展和各种工业生产技术要求的提升，各种仪器仪表正得到越来越多的应用。同时在软件处理方面，以小波变换等为基础的各种处理方法被嵌入到系统中，这样就使得以单片机为内核的仪表在速度和精度的问题上面不能满足人们对信息处理的需求。DSP有着软件编程灵活，自由度大，实时运算速度，数据处理能力强等优点，远远超过单片机，所以可在日后的工作研究中引入DSP。由于工业生产的集成化、自动化越来越高，所以粘度在线控制系统应该向中央控制系统方向改进，既整个生产领域有中央控制计算机，包括粘度在内的所有可控参数采集后集中到中央处理系统，根据该生产流程的专家系统提供的控制规律，完成整个生产流程的生产过程在线计算机控制[24]。参考文献[1]陈惠钊.粘度测量[M],北京:中国计量出版社,2003.[2]MINALEM,MAFFETTONEP.MorphologyEstimationfromNormalStressMeasurementforDiluteImmisciblePolymerBlends[J].RheologicaActa(s0035-4511),2003,42(1):158-165.[3]MIYOSHIE,MISHINARIK,Non-NewtonianFlowBehaviourofGellanGunAqueousSolutions[J].ColloidandPolymerScience(s0303-402X),1999,277(8):727-734.[4]贾达,马芙蓉,汪霞.自由旋转粘度计的研究与设计[J].仪表技术与传感器,2008,(4):88-90.[5]王淑红,庄侃,郭强.振动式在线黏度计在合成橡胶生产中的应用[J].石油化工自动化,2005,4:62-64.[6]林海军,滕召胜,杨圣洁,等.毛细管粘度计自适应液位检测方法研究[J].仪器仪表学报,2009,30(3):625-630.[7]张小卫．一种液体粘度的检测方法[J]，传感器技术，2000，19(3)：53-55[8]Dymond，J.H.，R-obenson，J.，andIsdaleJ.D.，TransportPropertiesofnonelectrolyteliquidmixtures，Inter．J．H.Thermophysics，198l，2(3)：223-235[9]Estrada—Baltazar，A,Alvarado.J.F.J.，Experimentalliquidviscositiesofdecaneandoctanedecanefrom298.15to373.15Kandupto25MPa,JChem.Eng.Data,1998b,43(4):601-604[10]NabilA,DiegoNinoF,VincentMoyT.MeasurementofSolutionViscositybyAtomicForceMicroscopy[J].Rev.Sci.Instrum.,2001,72(6):2731-2734.[11]Silber-LiZH,TanYP,WengPF.AMicrotubeViscometerwithaThermostat[J].ExperimentsinFlorida,2004,36:586-592.[12]MasonWP,BakerWO,McSkiminHJ,etal.MeasurementofShearElasticityAndViscosityofLiquidsatUltrasonicFrequencies[J].Phys.Rev.,1949,75(6215):936-946.[13]ThomasG.Hertz,StephanDymlingO,etal.ANon-invasiveUltrasonicMethodforViscosityMeasurements[J].UltrasonicSymposium,1990,1:299-302.[14]BehicMert,HartonoSumali,OsvaldoCampanellaH.ANewMethodtoMeasureViscosityandIntrinsicSoundVelocityofLiquidsUsingImpedanceTubePrinciplesatSonicFrequencies[J].Rev.Sci.Instrum.,2004,75(8):2613-2619.[15]BoazNemetA,YossefShabtai.ImagingMicroscopicViscositywithConfucianScanningOpticalTweezers[J].OpticsLetters,2002,27(4):264-266.[16]AlexisBishopI,TimoNieminenA,etal.OpticalMicrorheologyUsingRotatingLaserTrappedParticles[J].PhysicalReviewletters,2004,92(19):98-104.[17]ObaT,KidoY,NagasakaY.DevelopmentofLaserinducedCapillaryWaveMethodforViscosityMeasurementUsingPulsedCarbonDioxideLaser[J].InternationalJournalofThermophysics,2004,25(5):1461-1474.[18]YoshitakeY,MitaniS,SakaiK,etal.MeasurementofHighViscositywithLaserInducedSurfaceDeformationTechnique[J].J.Appl.Phys.,2005,97:24-29.[19]龚沛曾,王志强.C/C++程序设计教程[M].北京:高等教育出版社,2009.[20]韩峻峰,海涛.单片机原理及应用[M].北京:机械工业出版社,2010.[21]海涛.现代检测技术[M].重庆:重庆大学出版社,2011.[22]梁明湖.液体动力粘度在线单片计算机控制系统.中国海洋大学.硕士论文.2005.[23]唐为义.流体粘度在线测量系统的设计与研究.青岛科技大学.硕士论文.2008.附录步进电机原理及静动态指标三相步进电机的定子铁心上有六个形状相同的大齿，相邻两个大齿之间的夹角为60度。每个大齿上都套有一个线圈，径向相对的两个线圈串联起来成为一相绕组。各个大齿的内表面上又有若干个均匀分布的小齿。转子是一个圆柱形铁心，外表面上圆周方向均匀的布满了小齿。转子小齿的齿距是和定子相同的。设计时应使转子齿数能被二整除。但某一相绕组通电，而转子可自由旋转时，该相两个大齿下的各个小齿将吸引相近的转子小齿，使电动机转动到转子小齿与该相定子小齿对齐的位置，而其它两相的各个大齿下的小齿必定和转子的小齿分别错开正负1/3的齿距，形成“齿错位”，从而形成电磁引力使电动机连续的转动下去。本实验所用的步进电机为感应子式步进电机（型号为42BYG016）。感应子式步进电机与传统的反应式步进电机相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。1.1步进电机的静态指标(1)相数：产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。(2)拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.(3)步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。1.1步进电机的动态指标（1）步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误差步距角*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。（2）失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。（3）失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。（4）最大空载起动频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。（5）最大空载的运行频率：电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。（6）运行矩频特性：电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。PCF8591引脚说明：图16PCF8591引脚图AIN0～图16PCF8591引脚图A0～A3：引脚地址端。VDD、VSS：电源端（2.5～6V）。SDA、SCL：I2C总线的数据线、时钟线。OSC：外部时钟输入端，内部时钟输出端。EXT：内部、外部时钟选择线，使用内部时钟EXT接地。AGND：模拟信号地。AOUT：D/A转换输出端。VREF：基准电源端。TFT液晶各引脚功能：GND：接地；VCC：5V/3V电压输入；CS：片选信号；RS：命令/数据选择；RS=0写数据，RS=1写命令；WR：写控制信号；RD：读控制信号；D8～D15：使用8位数据口时为8位数据/命令并行口；使用16位数据/命令并行口时为其高8位；RST：液晶复位信号；VCC_SEL：5vVCC接入时“VCC_SEL”断开；3.3vVCC接入时“VCC_SEL”短接；MOD：数据/命令并行口的模式选择，MOD=GND时TFT为16位工作模式，MOD不连接时TFT为8位工作模式；D0～D7：仅在使用16位数据/命令并行口时使用，为16位数据/命令并行口的低位；光电编码器种类根据编码器刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。增量式编码器增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90º，从而可方便地判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。绝对式编码器绝对编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N条码道。目前国内已有16位的绝对编码器产品绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制（葛莱码）方式进行光电转换的。绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。它的特点是：eq\o\ac(○,1)可以直接读出角度坐标的绝对值；eq\o\ac(○,2)没有累积误差；eq\o\ac(○,3)电源切除后位置信息不会丢失。但是分辨率是由二进制的位数来决定的，也就是说精度取决于位数，目前有10位、14位等多种。混合式绝对值编码器混合式绝对值编码器，它输出两组信息：一组信息用于检测磁极位置，带有绝对信息功能；另一组则完全同增量式编码器的输出信息。5.驱动器功能5.1步进电机自动半流电路步进电机要减少发热，就要减少铜损和铁损。减少铜损就是减小电阻和电流，要求在选型时尽量选择电阻小和额定电流小的电机，但是这往往与力矩和高速的要求相抵触。对于已选定的电机，首先，应充分利用驱动器的自动半流控制功能和脱机功能，自动半流在电机处于静态时自动减小电流，脱机功能是将输出电机电流切断；其次，细分驱动器由于电流波形接近正弦，谐波少，电机发热也会较少。减少铁损与电机驱动电压有关，高压驱动的电机虽然会带来高速特性的提升，但也带来发热的增加。所以应当选择合适的驱动电压等级，兼顾高速性、平稳性和发热、噪声等指标。为尽可能减小电机发热，需要TB6560的TQ2和TQ1引脚电平在电机工作时设置为电流输出最大，在电机不工作时电流减半甚至更小，故称为“自动半流电路”。用NFA、NFB定义最大输出电流后，通过TQ2和TQ1设置电流比率输出，设为00、01、10、11时，输出的电流分别为最大电流的100％、75％、50％、25％。改变电机的驱动电流，也就改变了电机输出扭矩的大小。自动半流电路设计选用可重复触发的单稳态电路芯片74CH123，用电机的驱动脉冲CLK作为单稳态电路的触发脉冲。单稳态电路的反向输出接TQ2引脚，电机驱动脉冲持续时TQ2一直保持低电平，无驱动脉冲时保持高电平。在图8电路中，TQ1连接3个跳线帽。接跳线1，TQ2、TQ1始终同为高或低电平，驱动电流在25％～100％切换；接跳线2，TQ2始终为低，电流在50％～100％切换；接跳线3，电流在25％～75％切换。可根据工作驱动电流需要选择不同跳线。5.2步进电机失步和越步问题及解决方法步进电机中产生的同步力矩无法使转子速度跟随定子磁场的旋转速度，从而引起失步。失步产生的主要原因及解决方法：①步进电机的转矩不足，拖动能力不够，当驱动脉冲频率达到某临界值开始失步。由于步进电机的动态输出转矩随着连续运行频率的上升而降低，因而凡是比该频率高的工作频率都将产生失步。有3种解决方法：可使步进电机产生的电磁转矩增大，为此可在额定电流范围内适当加大驱动电流；在高频范围转矩不足时，适当提高驱动电路的驱动电压；改用转矩大的步进电动机等，也可使步进电机需要克服的转矩减小，为此可适当降低电机运行频率，以便提高电机的输出转矩。②步进电机起动失步。由于步进电机自身及所带负载存在惯性，当加速时间过短时会出现这一现象。应该设置合理的加速时间，使电机从低速度平稳上升到某个速度。③步进电机产生共振也是引起失步的一个原因。步进电机处于连续运行状态时，如果控制脉冲的频率等于步进电机的固有频率，将产生共振。在一个控制脉冲周期内，振动尚未得到充分衰减，下一个脉冲就已来到，因而在共振频率附近动态误差最大并导致步进电机失步。解决方法：减小步进电机的驱动电流；采用细分驱动方法和阻尼方法。转子在步进过程中获得过多的能量时，转子的平均速度会高于定子磁场的平均旋转速度，使得步进电动机产生的输出转矩增大，从而使步进电机产生越步。

当步进电机存在越步时，可减小步进电动机的驱动电流，以便降低步进电机的输出转矩或使减速时间加长。基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究HYPERLINK"/detail.ht