基于STM32的离心机控制系统硬件设计

基于STM32的离心机控制系统硬件设计摘要离心机按结构形式不同可以分为台式离心机和落地式离心机；按转速高低不同可以分为低速离心机、高速离心机、超速离心机、超高速离心机。离心机广泛应用于生物制药、血站、医疗、高校、科研单位、农牧业、精细化工、石油、新材料、环保、食品、基因工程等许多领域上。近几年国内外离心机技术发展迅速，朝着高转速，高精度，自我检测，网络化，远程监控，智能化的方向发展。本文以智能台式离心机为主体，设计了智能台式离心机控制系统的硬件部分，将硬件电路按功能分为控制器，显示模块，按键模块，电机模块，指示模块，提示模块，水位检测模块。电机控制采用主控板上的STM32发送指令进行控制。STM32主要完成频率的输出以及电流、电压的控制信号输出。本文分别对各部分电路进行了研究和设计，使得各电路能够达到离心机控制系统的要求。关键词：离心机；控制系统；STM32目录TOC\o"1-3"\h\u摘要 第一章绪论1.1研究背景与意义离心机的品种很多，依据转速不同，能够分为低速离心机、高速离心机和超速离心机，转速少于6000r/min的为低速离心机，低于25000r/min的为高速离心机，超越30000r/min的是超速离心机；依据温度控制不同，能够分为冷冻离心机和普通离心机，冷冻离心机带有制冷系统，能够控制温度最低至-20℃，普通离心机不带制冷系统；依据用处不同，还能够将离心机分为剖析离心机和制备离心机。实验室常用电动离心机有低速、高速离心机和低速、高速冷冻离心机，以及超速剖析、制备两用冷冻离心机等多种型号。其中以低速(包括大容量)离心机和高速冷冻离心机应用最为普遍，是生化实验室用来分别制备生物大分子必不可少的设备。台式离心机不同于其他类型的离心机有其自身的特点。台式离心机容量小适用于一次分离量较少的场合；台式离心机重量轻、易于搬运；台式离心机相对大容量、高速超速离心机来说价格便宜；台式离心机一般来说转速不高，适用于低速、中速的分离场合。一般来说台式离心机基本都采用微机控制，可以进行RCF（ReactiveCentrifugalForce，离心力）自动计算与设定。台式离心机具有造型美观、体积小、功能齐全、性能稳定、速度可调、温升低、使用效率高以及适用性广等特点。台式离心机广泛适用于医药制品、血站、临床试验及生物化学实验室作血清、血浆、尿素的定性分析。从转速看，台式离心机基本属于低速、高速离心机的范畴，因此具有低速和高速离心机的技术特点，其结构主要由电机驱动系统、制冷系统、机械系统、转子和系统控制等几部分组成，与落地式离心机相比尺寸和容量相对较小。随着我国生物医疗事业的不断发展，台式离心机在医院、科研机构、学校科研实验室等单位的需求量越来越大。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状在对离心机流体方面的研究，国外的研究学者偏重于实验的研究，尤其是在流体力学方面的实验成果是很丰富的。索柯罗夫主要研究了卧螺离心机内流体的运动态，通过实验的方法证明了固相在离心机内流体中的受力情况主要分为三种，即离心力、离心液压和科氏力，并推导出了相应的流体动力学方程。早在我国工业化发展初期的1836年，在德国就已经研制出现了一种新型工业用三足式压力离心机，自此以后各种各样的离心机层出不穷，适用领域越来越广泛，性能参数越来越优良。同年便开始出现了一种用于洗涤棉布面料脱水的新式离心机;在1877年以后还陆续出现了一种用于脱水分离新鲜牛奶母乳制造品和奶酪的新式离心机。随着现代人类对天然石油的不断综合利用离心机的发展也随之加速了；1988年日本的铃木发明了中双斜转鼓的离心机；1997年，舍伯恩在黄瓶离心机的内筒中安装了一个结构控制流量，以获得干燥的滤饼。日本学者打破了传统的锥型离心机，研发了能够在转鼓壁位置处更方便的排除沉渣的结构设计直筒压榨式卧螺离心机，这种离心机特殊的设计是结构上的的压榨结构，可以进一步实现降低残渣的含湿率，并提高其分离的能力。1.2.2国内研究现状在国内，最开始发明的离心机是在五十年代的时候；然而到七十年代的时候，我国才开始从国外引进离心机并开始对其研究；随着到八十年代的时候，我国才开始越来越重视离心机的发展应用，于是就大量的翻译国外关于离心机的资料，从而为我国自主研发提供了全面的理论知识；到了九十年代的时候，由国内自主研制并生产出了离心机，并且在工业上得到了广泛应用。在针对离心机存在的问题在实际应用中，东北工学院采选机械研究室，分析了液体和固体颗粒运动的原理和实验数据进行分析，并通过理论计算得出离心机生产率的计算方法，同时还研究了固体颗粒在离心分离过程中的动力学特性、在离心机内的运输规律、在离心机选择时参数的适应性以及离心机的功率的特性等。离心机的沉渣在浙江化工学院的蔡圩涛详细研究的情况下，作出了特别详细的受力分析，及沉渣的受力情况，并建立了其计算公式。同时更详细地研究沉渣的运动归律，在对沉渣进行运动学和动力学分析的基础上，此推导了螺旋输送沉渣的功率计算公式。卧式沉升螺旋自动卸料机和沉降卧式离心机设备具有连续工作运行、自动化处理程度高、单机自动处理物料能力大、对不同物料环境适应能力强等几大优点。对离心机的结构特征和控制优势的全面研究，通过在国内几家大型烟草企业进行实验和利用，离心机分离效果稳定，实现了液体澄清、残渣湿度很低、操作简单、易于清洗的技术需求。同时掌握了一些工作参数和分离指标。由于研究缺乏科学的实验观察与科学测试实验手段，目前的相关研究主要重点集中在流动强度、差速流动系统、减振、耐磨和具体技术应用等几个方面，内部液体流动与材料分离系统性能的相关研究反而较少。近年来，采用科学数值化和模拟分析方法进行分析大型流体离心机械的内部运动流场已经发展成为一种重要的科学研究技术手段，在流体离心机研究领域，国内外相关学者已经相继获得了一些重要成。第二章离心机总体设计方案2.1离心机设计方案研究设计课题是卧式螺旋沉降离心机，要求对离心机的转鼓、螺旋输送器、主，副电动机、带传动的机械设计计算。从原理上保证离心机正常工作，分离混合液效率高的优点。设计时需要对整体及各个零部件的选用，保证达到生产效率的改善提高的目的。2.1.1原理分析和总体结构设计设计的卧式螺旋卸料沉降离心机的总体传动系统，如图3.1所示：主电机10通过带传动驱动轴上的转鼓5转动提供沉降离心力，副电机9也是通过带传动8接通差速器7驱动螺旋螺旋输料器4提供排渣力，离心机达到额定工作转速和差转速时开始进料，原料通过泵送入进料管1，然后进入高速旋转的螺旋输料器4，原料被加速旋转进入到转鼓5内，由于液体和固体存在比重差，固体优先快速沉降在转鼓5内壁，在通过螺旋从出渣口12连续排出转鼓5，液体则从转鼓5另一端均匀分布的从出液口13流出转鼓，以此达到离心机分离固体和液体的目的。分离结束后，降低离心机转速，将剩余残渣排出转鼓5；同时，清洗液通过进料管1进入转鼓5内部将原分离液置换出来。如图2.1所示。1.进料管2.机座3.机壳4.螺旋输料器5.转鼓6.轴承座7.差速器8.带轮9.副电机10.主电机11.减振器12.出渣口13.出液口图2.1卧式螺旋离心机结构示意图2.1.2离心机传动设计卧式螺旋离心机需要实现混合的原液分离出固体和液体，采用差速器通过螺旋输料器来实现固液分离所需要的离心力。主电机可以通过带传动并使皮带高速往复转动时并从而使转鼓转动实现转鼓高速旋转，副电机可以通过带传动并使皮带高速旋转带动螺旋输料器高速往复转动。螺旋输料器与转鼓之间转动差和速度差，提供原液分离需要的离心力。如图2.2所示。1.左轴承2.转鼓3.螺旋4.螺旋轴5.右轴承6.差速器7.副电机8.主电机图2.2卧式螺旋离心机结构传动图2.2离心机主要结构部件2.2.1转鼓转鼓是离心机及其重要的部件。离心机的类型可以按其转鼓的形状分为圆柱形、圆锥形、柱-锥形和双锥形等类型［17］，而在本设计所采用的是柱-锥形转鼓。如下图2.31.小端盖；2.转鼓筒体；3.环状凸缘；4.大端盖；5.液位调节装置；6.筋条图2.3转鼓结构图转鼓的部件主要有这六个部件组成：小端盖、大端盖、环状凸缘、转鼓筒体、液位调节装置［18］；转鼓的形状最开始是为锥形，随着工业的发展到后面才出现了柱-锥形。柱-锥形转鼓的优点是大大增加了液池的容量，从而大大提高使用澄清的效果。但是有的离心机仍然主要采用的是圆锥形转鼓，因为它不仅适用于在进行脱水的过程同时还根据需要粒子密度及其大小将脱水物料进行分类的各种情况。转鼓简体在圆锥形部分的转鼓与筒壁发生摩擦时的磨损比较大。为了有效率地减少整个转鼓的高速旋转时的磨损，在其内表面沿整个转鼓内表面母线及其平行线的方向分别均匀塞焊若干条筋条，这不仅可以使其能有效率地在整个转鼓内表层形成由整个转鼓内部沉渣与钢板块连接构成的密实的保护层的，防止沉渣在整个转鼓圆周内表面的上高速旋转产生打滑。2.2.2螺旋输送器螺旋输送器是卧式螺旋沉降离心机的主要部件，它能不间断地输送沉渣至排渣口外。它的传动机体的结构、材料和性能参数不仅直接影响着离心机的生产能力和使用寿命，而且还直接影响着我离心机的传动工作效果的稳定性和好坏［20］。为了能够方便输送沉降在转鼓内壳体表面的物料，螺旋输送器与转鼓必定是同心的装在轴承上，螺旋输送器与转鼓以相同的方向旋转，但它们之间存在一定转速差（一般转速差为转鼓转速的0.2～3%）。1.左轴颈；2.螺旋叶片；3.内筒；4.加料隔仓；5.加速锥；6.右轴颈螺旋图2.4柱锥形螺旋卸料器输送器部件的结构：螺旋输送器一般由螺旋叶片、内筒、加料隔仓、左右轴颈组成如上图2.4所示：螺旋叶片上的结构材料一般与转鼓主体材料相同。螺旋叶片表面受到严重磨损后，通常都会使螺旋叶片输渣的能力逐渐降低，沉渣湿含量的变化含量逐渐增大。特别重要指的也就是在应当在进行分离各类物料过程对其中的各种类型固体物质粒子的耐磨蚀性很大时，所以我们特别要求螺旋叶片材料应必须具有高的硬度和具有较高的抗耐磨性:1.大型材料螺旋材料叶片表面堆叠材料硬质材料；2.表面喷涂耐磨层；3.可定期更换的耐磨扇形片。2.2.3差速器差速器是最复杂而又极为重要的零部件，其设计性能和产品质量往往直接决定着整个差速机器的正常工作稳定能力和速度可靠性。它主要是由一个转子转速通过一个空心轴加速带动转动，让一个螺旋与转鼓之间有一定的转速差，这个转速差一般为转鼓转速的0.2～3%，称为差转速［21］。欲设计出一个体积小、重量轻、效率高的差速器，就必须正确合理地选择差速传动的类型，。渐开线行星齿轮差速器传动在现离心机中应用最广泛。因此，本设计中选用的是2K-H渐开线行星轮差速器。如下图2.5所示：1.螺旋输送器；2.转鼓；H1.第一级转臂；H2.第二级转臂；a1.第一级太阳;a2.第二级太阳轮；b1.第一级内齿圈；b2.第二级内齿圈图2.52K-H渐开线行星轮差速器差速器内有两级半联的2K-H行星齿轮传动。两内齿轮b1和b2同差速器外壳整体与转鼓是相连接在一起的，第二级传动的转臂H2与螺旋输料器是相连接在一起的。渐开线行星齿轮差速器是多个分流对称结构的传动装置，其充分利用了内部齿轮的传输空间。并分为多个传输功率。另外，内啮合本身还具有承载能力，而且可以利用内部齿轮的空间，使结构更紧凑。因此，该差速器具有承载能力大、体积小、噪声低、易于维修等优点。第三章控制系统硬件设计3.1系统硬件电路本设计的硬件部分有控制器，显示模块，按键模块，电机模块，指示模块，提示模块，水位检测模块组成，以控制器为核心，通过协调各模块之间的工作来完成整个工作，按键模块主要是用户确定和选择不同的工作模式，指示模块用来指示当前工作状态和工作模式。水位检测模块是用于检测离心机内部水位状态，配合继电器控制进水出水，在各个模块都工作完成后控制器控制电机进行工作3.2最小系统单片机的最小系统，是指单片机能够正常工作时，所需的最少的原件。对本次采用的51单片机，最小系统除了单片机应该还有电源电路，晶振电路和复位电路。3.2.1电源电路电源电路是整个系统的能源来源，电源电路方面，国内家用电器一般接通的是220v的交流电，可以通过变压器将电压降低，在通过全桥整流，将电源变为12v的直流电。本次设计采用模拟的思路直接接入低电压，固不设计变压电路直接采用外部USB供电，其电路图如3-1所示。在该电路中，S7为电源与单片机电源之间的控制开关，C5为滤波电容，L1为电源指示灯。图3-1电源电路原理图3.2.2时钟电路时钟电路是为单片机提供脉冲信号的，单片机在工作中这是必不可少的，其电路图如图3-2所示，其中Y1是晶振，它为单片机提供工作频率。晶振与单片机相连接之后与引脚之间会形成振荡电路，晶振会在其中产生偕波，降低电路的时钟振荡器的稳定性。为了减弱谐振带来的影响，在时钟电路中会接入两个30pf的瓷片电容C3、C4，通过电容能在高频电路中充放电的电气特性来削减偕波对电路的稳定性的影响。图3-2时钟电路原理图3.2.3复位电路复位电路的作用：是当一个计算机系统出现死机等程序错误导致程序不能继续进行的时候能够使系统重新开始。单片机的复位有手动复位和自动复位两种。在此次设计中采用手动复位，如图3-3所示。在电路中S6为复位按键，按下S6的瞬间，电容充电，RST端的电压与VCC相同，高电平使单片机复位。电容充电完成后RST端电压降低，等待下一次充电。图3-3复位电路原理图3.3模式选择与显示3.3.1模式选择电路本系统采用按键进行模式选择，其按键电路图如图3-4所示。在电路中，单片机外接入上拉电阻用作判断信号，没有按下按键操作时，所有的输入端都是高电平。一旦有键按下，则输入端电压就会被拉低，通过读入输入端的电压状态就可得知是否有键被按下。按键控制电路主要控制离心机的启动，停止，和功能的选择。其中S2为菜单键、S3为开始键、S4为停止键、S5为菜单选择键，分别与单片机的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3相连。用户第一次按压菜单键时进入模式选择，多次按压选择不同模式。选择需要的模式，等待模式确定后按压菜单选择键来确认模式的选择，确认好模式后再按压开始键，离心机开始工作。如果想要停止离心机工作则需要按压暂停键。图3-4按键原理图3.3.2模式指示电路指示电路有8个发光二极管组成，分别指示离心机的洗涤、漂洗、脱水、结束、标准、轻洗、快速、调试，他们分别与单片机的P0口P1口相连接。本次设计采用共阳极接法。没有指示输出时，控制led灯的端口输出高电平，反则输出低电平。其电路如图3-5所示。图3-5指示电路原理图3.3.3时间显示电路时间显示电路由单片机通过三极管等控制数码管组成，时间显示电路是用来显示当前工序所剩余工作时间的，数码管是一种基于多根发光二极管按照一定排列组成的发光器件。根据显示数字的数量分成一位、两位、多位显示数码管。按发光单元数量数码管分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个小数点显示发光二极管单元。数码管根据结构分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。反之不亮。共阴数码管就是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。与共阳相反，高电平点亮，低电平熄灭。本设计使用的是二位八段共阳的数码管显示器来显示剩余工作时间。电路原理图如图3-6所示：电路采用的是动态扫描的方式，公共端口由单片机P0端口控制，分别接引脚P06和P07来控制第一位和第二位的显示，字形码端接入单片机的P2口，按照从上往下，从右往左的顺序接入P20~P27脚。图3-6数码管原理图3.4电机驱动电路其中电机驱动采用了l298n驱动芯片，内部含有两个高电压，低电流双全桥式，4信道逻辑驱动电路，是一种二相和四相步进电机的专用驱动器，可同时驱动两个二相电机或一个四相步进电机。利用外部电压给使能端口提供电压，在通过单片机来给驱动芯片信号控制电机的正反转和转速达到控制电机的目的。其L298n的真值表如表3-7所示：只有使能端口有高电平时才能驱动电机，单片机通过给两个IN口不同的电平达到控制电机正反转的目的。表3-7L28N真值表ENAIN1IN2 运行状态0XX停止110正转101反转111停止100停止其电机驱动电路如图3-7所示。其中在输出端口OUT1，OUT2之间接入电容过滤电机中电感原件产生的电压。在驱动芯片旁加入一个开关模拟离心机门的开合。单片机端口P30给出低电平信号，当离心机打开时使能端接入P30，此时使能端没有电压，电机停止工作，重新闭合时才继续工作。图3-7电机驱动原理图3.5蜂鸣器驱动电路当洗衣工作结束后，本设计采用蜂鸣器响铃提醒用户工作结束的形式，蜂鸣器工作需要一个高电平才能驱动，单片机输出电压达不到，需要通过三极管来放大信号才能达到想要的电压。由单片机连接一个电阻，接上三极管Q1，在蜂鸣器一端接入电压源VCC，一端接入三极管，单片机给出低电压，三极管导通，蜂鸣器开始工作。

结语本论文主要是在实验室已有成果上对智能台式离心机进行了设计，包括电控系统的硬件、软件等方面的研究与设计。提出了智能台式离心机电机控制方法的优化设计。论文的主要工作有：在智能台式电控系统的硬件中，将硬件分为主控板，直流无刷电机驱动板，人机交互界面以及电源系统。然后，按功能分别介绍各个电路的硬件电路设计，包括：直流无刷电机控制电路，舱门检测与转子识别电路，温度控制检测与控制电路，存储与通信接口电路，人机交互界面，电源系统，离心机转子故障检测电路。主控板采用目前主流的STM32F103VET6微处理器作为微控制器，然后，控板上主要设计了转子识别电路，转速检测电路、温度控制电路以及通信接口电路等，这些电路都是在实验室之前的研究基础上，进行改进及优化，使其控制更加稳定和合理。

参考文献[1]余宏翔.工业远程物联网技术在卧螺离心机控制系统中的应用[J].上海化工,2022,47(01):34-37.[2]林录云.基于西门子PLC的变频调速离心机控制系统的设计[J].上海化工,2022,47(01):31-33.[3]潘俊孜,周好斌,高峰,徐向前.多臂多自由度动物离心机控制系统设计[J].机械工程与自动化,2022(01):155-157.[4]丁建国,陈崔龙,刘呈启,朱碧肖.机械传动双轴系翻袋离心机自动控制系统设计[J].自动化仪表,2022,43(01):102-105+110.[5]黄健华.斜沟煤矿选煤厂沉降离心机入料控制系统的优化[J].煤炭加工与综合利用,2021(09):39-42+46.[6]董雪明,王敏林,任雪梅,代洁.高动态离心机系统的自抗扰控制设计[J].测控技术,2021,40(04):107-112.[7]王保军,李映萍,徐健.可编程逻辑控制器在二氧化钛分级行业中的应用[J].上海化工,2020,45(06):24-26.[8]高晓军,杨杰.钻井液高速离心机数字化自动控制系统研制与应用[J].中国设备工程,2020(22):16-17.[9]丁金林,王峰,周燕,管明杰,王廷伟.基于工业互联网的离心机控制系统设计[J].苏州市职业大学学报,2020,31(03):3