趙夢(mèng)軍，戴爾晗，徐君，陳誠，馬亞男

　?。暇┼]電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210023）

　　摘要：設(shè)計(jì)了一種數(shù)字旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)，分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。硬件部分主要包括主控板、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和扭矩測(cè)量3個(gè)方面；軟件部分通過指數(shù)加速算法對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，解決了電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的啟動(dòng)慢和失步等問題。粘度計(jì)采用STC90C516RD為核心芯片，負(fù)責(zé)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)以及采集力矩信號(hào)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終通過液晶顯示屏顯示出測(cè)得的粘度值、轉(zhuǎn)速等信息。提出的數(shù)字旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)能夠簡(jiǎn)單、直觀、精確地測(cè)得流體的粘度值。

　　關(guān)鍵詞：粘度計(jì)；旋轉(zhuǎn)式；數(shù)字；STC90C516RD

0引言

　　粘度是衡量液體流變特性的一個(gè)重要指標(biāo)，在石油、化工、電力、食品等很多領(lǐng)域， 測(cè)定流體的粘度和流動(dòng)特性至關(guān)重要。根據(jù)不同的測(cè)量原理，粘度測(cè)量的主要方法有毛細(xì)血管法、落球式、旋轉(zhuǎn)法和振動(dòng)法。在以上的粘度測(cè)量方法中，旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)由于具有能夠在不同的切變速率下對(duì)同種材料進(jìn)行測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在牛頓以及非牛頓液體的粘度和流變特性的測(cè)量中。目前，單圓筒旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)的精度大概在5%左右，它的工作原理是：步進(jìn)電機(jī)通過一個(gè)經(jīng)過校驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)的鈹銅合金彈簧（游絲）帶動(dòng)一個(gè)浸泡在待測(cè)液中的轉(zhuǎn)子持續(xù)恒速旋轉(zhuǎn)，彈簧的扭矩大小與轉(zhuǎn)子受到待測(cè)液的粘性阻力成正比，因此，可以通過彈簧的扭矩（彈簧形變程度）來測(cè)得待測(cè)液的粘度值。彈簧受到的扭矩不僅與待測(cè)液粘度值成正比，還與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)子的大小成正比。因此，根據(jù)待測(cè)液的粘度量級(jí)可以采用不同的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子大小，來確保待測(cè)液粘度值在彈簧測(cè)量范圍內(nèi)，同時(shí)可以提高測(cè)量的準(zhǔn)確性和精度［12］。

　　傳統(tǒng)的機(jī)械式旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)需要通過刻度盤讀出指針對(duì)應(yīng)數(shù)字，然后換算成粘度值，這種方法不僅不夠簡(jiǎn)便，誤差也相對(duì)較大。而數(shù)字旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)可以通過液晶顯示屏直接讀取待測(cè)液粘度值，不僅簡(jiǎn)單方便，精確度也相對(duì)較高。

1硬件電路設(shè)計(jì)

　　本文設(shè)計(jì)的數(shù)字旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)的硬件電路主要包括主控板電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和扭矩測(cè)量電路三個(gè)部分。主控板電路負(fù)責(zé)接收控制信號(hào)來控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，并采集扭矩測(cè)量信號(hào)，將數(shù)據(jù)處理后顯示在液晶屏上；電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路負(fù)責(zé)接收主控板指令，按照指令要求的速度驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)；扭矩測(cè)量電路將扭矩轉(zhuǎn)化為光電信號(hào)，并將信號(hào)輸出給主控板。整個(gè)系統(tǒng)的示例性結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

　　1.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

　　本文采用步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為線位移或角位移的開環(huán)控制步進(jìn)電機(jī)。在未超載情況下，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及其停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率與脈沖數(shù)，而與負(fù)載大小的變化無關(guān)，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定好的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，也就是“步距角”。

　　電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路由單片機(jī)STC90C52RC、NJU39610D2和NJM3771D2等組成。STC90C52RC單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的單片機(jī)。NJU39610D2是一款雙7位外加符號(hào)的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（DAC)，特別是在開發(fā)中與NJM3771D2一起使用，非常適合步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)應(yīng)用［35］。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖如圖2所示。

　　STC90C52RC是驅(qū)動(dòng)電路的控制中心和數(shù)據(jù)處理中心，它通過INT0中斷口和A13、A14、A15數(shù)據(jù)口與粘度計(jì)主控板相連，來接收主控板命令。P0口為數(shù)據(jù)輸出口，輸出步進(jìn)電機(jī)各項(xiàng)繞組的電流和方向，通過定時(shí)器T0就能精確控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和方向。

　　1.2扭矩測(cè)量電路設(shè)計(jì)

　　本文粘度計(jì)是通過轉(zhuǎn)子在待測(cè)液體中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)游絲的扭轉(zhuǎn)角度來測(cè)定的，游絲的扭轉(zhuǎn)角可以通過兩個(gè)光電開關(guān)來測(cè)量計(jì)算出。光電開關(guān)是光電接近開關(guān)的簡(jiǎn)稱，它是通過被檢測(cè)物對(duì)光線的反射或遮擋，來檢測(cè)物體的有無。本文使用槽型光電開關(guān)，當(dāng)凹槽中無遮擋物時(shí)，輸出高電平，當(dāng)凹槽中有遮擋物時(shí)，輸出低電平［6］。光電開關(guān)電路原理圖如圖3所示。

　　本文采用非接觸式平面蝸卷型游絲，使用時(shí)，游絲一端固定，一端承受外加扭矩，扭矩大小與游絲形變程度成正比。本文將游絲一端固定在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，另一端固定在放入待測(cè)液的轉(zhuǎn)子上，并在游絲兩端分別安裝一個(gè)水平遮擋板，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每轉(zhuǎn)一圈兩個(gè)遮擋板都會(huì)各自遮擋一次槽型光耦，只要測(cè)得兩個(gè)擋板經(jīng)過槽口的時(shí)間差，就可計(jì)算出扭矩的大小。

　　1.3主控板電路設(shè)計(jì)

　　圖4STC90C516最小系統(tǒng)電路圖主控板電路以STC90C516為核心芯片，STC90C516是數(shù)據(jù)處理中心，負(fù)責(zé)接收按鍵指令和扭矩測(cè)量數(shù)據(jù)，以及向電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送控制指令和向液晶屏發(fā)送顯示指令。STC90C516最小系統(tǒng)電路圖如圖4所示。

　　主控板采用LM2596S芯片來提供5 V電源。LM2596S芯片是電壓調(diào)節(jié)器，具有降壓功能，它的最大輸入電壓為40 V，輸出電壓為5 V左右。降壓電路如圖5所示。

　　本文按鍵電路包括6個(gè)按鍵，分別是上下左右方向鍵和確定鍵以及復(fù)位鍵。按鍵電路如圖6所示。

　　本文采用以T6963C為內(nèi)核的128×64液晶顯示屏［7］，顯示屏有20個(gè)管腳，主控板上設(shè)計(jì)了一個(gè)20口的排孔用來連接液晶顯示屏。液晶顯示電路圖如圖7所示。

2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　2.1指數(shù)加速算法

　　步進(jìn)電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)啟動(dòng)緩慢、失步甚至是卡死的現(xiàn)象，這是由于頻率越大，電機(jī)轉(zhuǎn)矩越小，在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)直接輸出最終需要的高頻率，就會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩不足以啟動(dòng)電機(jī)。為了避免電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩不足，本文采用了指數(shù)加速算法，也就是在電機(jī)剛啟動(dòng)時(shí)輸出低頻率，然后頻率慢慢加大，直到電機(jī)達(dá)到所需要的速度平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)。

　　指數(shù)加速算法是讓角速度按照指數(shù)曲線變化的一種控制算法，它可以讓步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)角速度按指數(shù)曲線慢慢增大，保持電機(jī)轉(zhuǎn)矩足夠帶動(dòng)負(fù)載。指數(shù)加速算法如圖8所示［8］。

　　2.2粘度測(cè)量程序

　　粘度測(cè)量程序主要包括以下幾個(gè)程序模塊：初始化模塊、按鍵模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、光電開關(guān)模塊、液晶顯示模塊。程序流程圖如圖9所示。

　　粘度測(cè)量的重點(diǎn)是測(cè)得游絲偏轉(zhuǎn)角度，本文測(cè)量兩個(gè)光電開關(guān)被遮擋的時(shí)間差，然后只要知道電機(jī)轉(zhuǎn)速，就可算出游絲偏轉(zhuǎn)角度，再根據(jù)粘度計(jì)算公式求得待測(cè)液體的粘度值。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　本文采用蔗糖水來檢驗(yàn)設(shè)計(jì)出的數(shù)字旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)的可靠性和精度，通過改變蔗糖水的濃度就可以得到多種已知粘度的待測(cè)液。不同濃度的蔗糖水在溫度為30℃時(shí)的粘度標(biāo)準(zhǔn)值如表1所示，其中蔗糖水溶液濃度百分比表示每百克水中蔗糖的克數(shù)。表1不同濃度蔗糖水的粘度標(biāo)準(zhǔn)值蔗糖水溶液濃度百分比/%30℃粘度標(biāo)準(zhǔn)值/（mpa·s）201.501302.386404.4055010.186034.07調(diào)配好所需濃度的蔗糖水，然后用溫度控制器將其溫度控制在30℃附近，再使用數(shù)字旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)量其粘度值。測(cè)得的數(shù)據(jù)記錄在下面的表2中。

　　從表2中可以看出，測(cè)量得到的粘度值比標(biāo)準(zhǔn)值略高，這是由于粘度計(jì)的系統(tǒng)摩擦力導(dǎo)致的，相對(duì)誤差基本上在5%以內(nèi)，本文設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)具有較高的可靠性和精度。

4結(jié)論

　　本文以STC90C516RD芯片為控制核心，設(shè)計(jì)了一種數(shù)字旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，該粘度計(jì)能夠簡(jiǎn)單、精確地測(cè)得待測(cè)液粘度。同時(shí)，本設(shè)計(jì)使用了指數(shù)加速算法來啟動(dòng)電機(jī)，解決了電機(jī)啟動(dòng)時(shí)失步、卡死等問題。最后，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的粘度計(jì)的可靠性和精確度。本系統(tǒng)在粘度測(cè)量領(lǐng)域具有一定的理論和研究價(jià)值。

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