多功能一體化原子化器設計

魏立峰, 駱 陽， 王慶輝， 李 月， 趙幼南

(1.沈陽化工大學 信息工程學院， 遼寧 沈陽 110142； 2.沈陽華光精密儀器有限公司， 遼寧 沈陽 110036)

多功能一體化原子化器設計

魏立峰1, 駱 陽1， 王慶輝1， 李 月2， 趙幼南2

(1.沈陽化工大學 信息工程學院， 遼寧 沈陽 110142； 2.沈陽華光精密儀器有限公司， 遼寧 沈陽 110036)

多功能一體化原子化器是原子吸收分光光度計采樣系統的重要組成部分，要求裝置定位在光路上并保證精確可靠.為集成5種功能于一體，硬件設計以STM32為核心的電機控制模塊和氣路控制模塊，采用實時分布式結構.系統利用S曲線算法實現了雙軌行進控制定位，并設計了氣體壓力檢測和氣路控制，保證系統通氣安全.實驗結果表明:原子化器能夠實現5種功能的快速平穩切換，提高儀器定位精度及效率.

原子化器； STM32； S曲線； 雙軌行進

當今市場上銷售的多功能原子吸收分光光度計需要用戶手工裝卸不同種類的原子化器，并且切換步驟繁瑣，加大了用戶的工作量和人為因素對儀器測量的影響[1].隨著各行業標準的完善和原子吸收分光光度計應用于越來越多的行業，該類儀器所測定的元素種類相對較少，操作流程復雜，儀器占據空間大[2]，已經不能滿足用戶的需求.多功能一體化原子吸收分光光度計集成火焰原子吸收分光光度計、石墨爐原子吸收分光光度計、氫化物原子吸收分光光度計、紫外可見分光光度計、火焰光度計5種儀器功能，能測定73種元素的含量，只需要用戶通過操作界面簡單地設置，就能自動完成不同種類原子化器的切換，大大提高了用戶操作效率.本文主要介紹使用雙處理器來實現多功能一體化原子化器的設計，完成火焰原子化器(火焰吸收分光光度計和火焰光度計使用同一裝置)、石墨爐原子化器、氫化物原子化器、光度計比色皿4種裝置切換，以及5種分析方法所需氣體的電磁閥控制.

1 原子化器系統設計

原子化器系統設計主要由嵌入式單板計算機(EPIC)、CAN收發器、STM32微控制器、光電開關檢測、電機驅動模塊、氣體壓力檢測、電磁閥模塊組成，系統結構如圖1所示.整個儀器采用實時分布式結構，EPIC作為上位機，提供界面讓用戶管理不同測量方法的切換以及氣路狀態的改變；CAN收發器采用的是GY8507 USB-CAN總線適配器，通過USB接口連接一個標準CAN網絡，實現上位機與下位機的交互通訊；STM32微控制器作為下位機，芯片支持現場總線CAN功能，滿足控制步進電機和氣路狀態檢測及控制的要求[3]；光電開關作為檢測元件，用于設置機械結構的零點位置，為定位做參照基準；步進電機模塊是由3個A3977驅動的步進電機組成，分別控制前置原子化器的水平定位、高度定位以及石墨爐原子化器的定位；氣體壓力傳感器檢測4路氣體(空氣、乙炔、笑氣、氮氣)的壓力，保證通氣安全；氣路控制模塊主要控制9個電磁閥(空氣閥、乙炔總閥、乙炔工作閥、笑氣閥、氮氣閥、石墨爐頭閥、石墨爐內氣閥、石墨爐外氣閥、氫化器閥)的狀態.

圖1 原子化器系統結構

上位機(ID：0)經過CAN收發器，向CAN總線發送擴展幀，下位機接收CAN幀觸發中斷，通過對擴展幀的組裝和解析，提取信息，實現功能；STM32微處理器(ID：1)接收到上位機(ID：0)所發出的定位指令，控制A3977芯片分別來驅動三個步進電機(前置水平電機1、前置高度電機2、石墨爐電機3)，同時檢測光電開關的狀態來確定電機復位的零點位置，成功定位后向上位機發送成功定位信息.STM32微處理器(ID：2)接收到上位機(ID：0)所發出的查詢指令，采集4種氣體壓力值和控制9個電磁閥的開關并把當前狀態反饋給上位機；STM32的GPIO驅動電壓為3.3 V，A3977的最佳邏輯電壓為5 V，因此，使用電平轉換芯片LJ245A來提高GPIO的驅動能力，如圖2所示.利用74HC595是為了節省STM32控制端口，方便對電機的配置.STM32分別用84腳、85腳、86腳、87腳來控制電機的方向、使能、步數、復位，而使用67腳、77腳、78腳則控制74HC595的RCK、SCK、SI，進而控制電機的細分數、睡眠模式[4].

圖2 電機驅動電路圖

空氣、笑氣、乙炔、氮氣的壓力檢測放在氣路最前端，在打開電磁閥前，先檢測4種氣體壓力是否滿足開閥要求.空氣閥、笑氣閥控制火焰法時助燃氣的切換；乙炔需要2個電磁閥，乙炔閥控制火焰法乙炔的使用，而如果儀器檢測到乙炔有泄漏，乙炔總閥將被主動關閉，保證儀器的安全[5]；石墨爐內氣閥、外氣閥、氫化器閥主要控制氮氣在石墨爐法和氫化物法中的使用；石墨爐頭閥則控制石墨爐頭的開合，方便用戶更換石墨管.氣控模塊示意圖見圖3.

圖3 氣控模塊示意圖

2 原子化器結構設計

雙軌行進控制指的是兩個電機實現同時進行不同速度、不同距離、不同方向地定位動作.在傳統的原子化器設計中，切換不同測量方法時需要用戶手動更換設備，這大大地增加了人為因素對儀器測量精度的影響，同時也增加了對原子化器機械結構在更換過程中的磨損[5].通過STM32控制步進電機來切換所需方法的設備，無需手動更換，這讓用戶能夠更加方便地使用儀器，也保證了儀器的安全性能.該設備所用到的分析方法有5種，分別為火焰吸收法、石墨爐法、氫化物法、光度計法、火焰發射法.這5種方法則對應4種不同的設備，即火焰原子化器(火焰吸收法和火焰發射法共用)、石墨爐原子化器、氫化物原子化器、比色皿.利用雙軌行進控制，快速地實現5種方法之間的切換成為需要改進的地方.

儀器的光源由元素燈通過出射光孔射入燃燒室，所以，光源位置是固定的.控制前置水平電機1和前置高度電機2，將火焰噴射器的縫口定位到光路正下方2 mm并與光路平行，如圖4所示.為了節約實驗空間，光度計法所需要的比色皿則需要架在火焰噴射器上，圖4中虛線位置即比色皿的位置.光度計法實驗時，紫外可見光從入光孔透過架在火焰噴射器上的比色皿，控制前置水平電機1來移動比色皿的位置，使光路透過不同池的樣品試劑或空白試劑.

圖4 火焰法(光度計法)定位示意圖

氫化器和火焰原子化器設計為一體，即前置原子化器，如圖5所示.氫化器固定在火焰噴射器背面，控制前置水平電機1和前置高度電機2將氫化器定位在光路上，讓光源正好通過氫化器石英加熱管.

圖5 氫化物法定位示意圖

石墨爐原子化器與前置原子化器則為兩個不同的機械結構，控制石墨爐電機3來定位石墨爐位置.由于火焰法和氫化物法中所發生的反應會產生污染，所以，石墨爐原子化器在不工作的情況下定位在隔離室中，防止污染石墨爐中的石墨管.通過圖6可發現，石墨爐定位到光路上時，由于前置原子化器結構的限制，必須將其降到燃燒室的底部，來保證石墨爐的順利定位.石墨爐只需要水平定位而無需高度定位，這減少了電機的使用，同時也增加了對3個電機控制的要求.

圖6 石墨爐法定位示意圖

3 雙軌行進控制算法設計

步進電機具有控制精度高、控制簡單等特點，即使在開環條件下也能獲得較高的控制精度.但是步進電機在啟動時，也存在著啟動慢、啟動失步和啟、停段沖擊大等現象[6]，因此，增加對步進電機啟動、停止階段的加速度控制，保證步進電機啟、停時加速度和速度的連續性以減小沖擊具有實際意義.在該設計中，主要使用S形曲線算法來控制電機的動作[7].

雙軌行進定位主要用于前置原子化器，即同時控制前置水平電機1和前置高度電機2.在電機動作前，首先要通過定位距離、電機步距角和細分數計算出2個電機所要定位的步數，并進行比較，設計中規定兩個電機在減速過程中需要同步吻合，即兩電機同時停.圖7為雙軌行進流程圖，通過比較兩電機的步數，規定先動的電機為M1，后動的電機為M2.M1由于定位步數多，必定有加速、勻速、減速3個過程，即表示為長距離定位，而M2的定位步數少于M1，則相比于M1會出現3種情況，分別用長距離、中距離、短距離來區分M2的這3種情況.下面使用M1、M2同時動作的速度曲線圖來解釋雙軌行進定位.

圖7 雙軌行進流程

兩個電機定位步數，影響著它們運動狀態的變化，所以協調好電機動作至關重要.由于M1定位距離必定為長距離，而M2定位可在長、中、短距離上變化，圖8、圖9、圖10給出了在M1為長距離定位而M2為長、中、短距離定位時的情況.圖8中，當t=0時，M1先啟動，做加速運動；當t=t1時，M1仍在做加速運動，M2開始加速運動；當t=t2和t=t3時，M1、M2分別進入勻速運動，速度為v1；當t=t4時，M1、M2同時開始減速運動，由于M1和M2做的減速運動曲線吻合，2個電機的控制實現也就變得容易了.圖9中，M1、M2所做運動狀態與圖8基本一致，唯一不同之處在于M1做勻速運動時，M2剛開始做加速運動.而圖10中，M2做短距離定位，當t=t4時，M1做減速運動，M2做加速運動，兩者的速度正好相同，此時速度為v2，此時M2隨著M1做減速運動直到停止.

圖8 M1、M2長距離定位

圖9 M1長距離定位、M2中距離定位

圖10 M1長距離定位、M2短距離定位

4 結束語

實驗中，為了了解S曲線算法對步進電機產生的效果，分別使用勻速控制、直線加速度控制、S曲線加速度控制3種控制方式，對其最大勻速速度和啟動的現象進行比較(見表1).表1中電機速度無法直觀地表達，用電機輸出頻率來代替速度，其關系成正比.啟動頻率為直線加速度和S曲線加速度開始加速時的瞬時頻率，經過一段時間加速后能進入勻速運動.最大勻速頻率為電機由于速度過快出現丟步現象的臨界值.10 cm定位所消耗時間指電機從啟動到停止所使用的時間，勻速控制只有一個過程，直線加速度有恒加速、勻速、恒減速3個過程，而S曲線加速度則有7個過程，分別為加加速、勻加速、減加速、勻速、加減速、勻減速、減減速.啟動現象主要為電機抖動的狀態.

表1 勻速、直線加速度、S曲線加速度控制電機的現象比較

從表1可知:使用勻速控制時，電機啟動抖動厲害，勻速最大脈沖頻率為5 kHz，超過該頻率，電機就出現“丟步”的現象；使用直線加速度，電機啟動比勻速控制時抖動較小，但仍然有抖動，勻速最大脈沖頻率為7.14 kHz；使用S曲線加速度控制，電機啟動無抖動，勻速最大脈沖頻率為7.26 kHz.可以發現，步進電機在升降速過程中，脈沖頻率的變化不合理，就會使電機失步或者過沖，使系統無法做到精確定位，而在實驗中，利用S曲線算法的目的就是克服不同程度的加減速突變，保證在啟動和升速時，步進電機產生足夠的轉矩驅動負載，能達到規定的速度和加速度，以及在降速時負載不產生過沖，能停止在規劃的位置.考慮到抖動對電機、儀器使用壽命等的損害，選用S曲線加速度控制效果更好.雙軌行進控制比單軌行進控制提速一倍以上，有效地節省測試時間，提高了自動化控制效率.

[1] 彭楊.淺談原子吸收分光光度計[J].大眾標準化,2010，4(S1):63-65.

[2] 于紅梅,王超.國產原子吸收光譜儀器的發展現狀及新趨勢[J].現代科學儀器,2010，12(6):81-83.

[3] 閉金杰,羅曉曙,丘森輝.基于CAN總線的一體化兩相步進電機驅動器的設計[J].電子技術,2012，5(5):30-32.

[4] 馬晉,彭福紅,任作新.基于A3977兩相步進電機驅動器的應用[J].機械管理開發,2007，12(6):42-43.

[5] 坂本正文.步進電機應用技術[M].王自強,譯.北京:科學出版社,2010:21-23.

[6] 楊超.基于S曲線的步進電機加減速的控制[J].電機工程，2011,28(7):814-815.

[7] 張碧陶.S曲線加減速控制新算法的研究[J].控制與液壓，2009,37(10):27-29.

Design of Multifunction Integrate Atomizer System

WEI Li-feng1， LUO Yang1， WANG Qing-hui1， LI Yue2， ZHAO You-nan2

(1.Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang 110142, China;2.Shenyang Huaguang Precision Instrument Co.,LTD., Shenyang 110036, China)

Multi-functional integrate atomizer was an important part of the sampling system of atomic absorption spectrophotometer,for device positioning in the optical path to ensure accurate and reliable.In order to integrate the function of five analytical instruments,motor control module and pneumatic control module,which were based on STM32,employed real-time distributed structure for hardware design.The system achieved double-track location by the S-curve algorithm,and gas pressure detection and pneumatic control were designed,ensuring safety of the ventilation.The result shows that the system achieves apparatus switching fast and steady,improving the positioning precision and efficiency.

atomizer； STM32； S-curve； double-track location

2014-08-31

國家重大科學儀器設備開發專項(2014YQ240713)

魏立峰(1962-)，男，浙江紹興人，教授，博士，主要從事智能測控技術與裝置的開發與研制.

2095-2198(2015)04-0353-05

10.3969/j.issn.2095-2198.2015.04.012

TP23

A