基于單片機和LabVIEW的小型自動化微量進樣系統設計

郭曉暾

摘 要 介紹一種小型自動化微量進樣系統的設計。該系統由LabVIEW上位機與STC12C5410AD單片機進行串口通信，通過驅動步進電機，帶動微量進樣器實現通量進樣。整個系統體積小、成本低、精度高、操作方便，可有效提高微量樣品分析實驗的可操作性。

關鍵詞 自動化微量進樣系統；STC12C5410AD單片機；步進電機；LabVIEW

中圖分類號：TH83 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2015）08-0027-03

Abstract A design of an automatic trace sampling system was introduced. It communicates between STC12C5410AD micro-controller and the LabVIEW based upper program. With specific driving circuit， the stepper motor was operated to drive the micro-sampler in motions of sampling， introducing， cleaning procedure in turns to accomplish throughput sampling. The system is small， cheap， simple and easy to use while the precision is high. It could be widely used under circumstances of trace analyzing with instruments to improve the operability of the experiment.

Key words automatic trace sampling system； STC12C5410AD MCU； stepper motor； LabVIEW

1 引言

隨著技術的進步，成分分析儀器已呈現出使用門檻降低、適用范圍擴大、檢測能力增強的趨勢，原本對實驗條件有著苛刻要求的微量樣品分析檢測現在已經能夠輕松實現，如質譜儀能夠在常壓下對痕量樣品直接進行定量分析。而針對微量樣品，大多數分析儀器并未配備專用的進樣裝置，進樣操作或依靠實驗人員手動實現，或依賴于體積龐大的三維位移平臺，這對微量樣品的檢測帶來很大不便。因此，設計一種小型的自動化微量進樣裝置具有重要意義。

本文以LabVIEW設計的上位機控制單片機、驅動步進電機，帶動進樣模塊實現取樣—進樣，能夠有效提高微量樣品檢測的可操作性，并可實現通量進樣，具有結構簡單、成本低廉、使用方便的特點。

2 系統總體設計

如圖1所示，整個系統由六部分組成：上位機軟件用LabVIEW編寫，實現人機交互；以STC12C5410AD單片機為核心的主控模塊，負責實現產生控制信號及各模塊間通信；電機及驅動模塊包括步進電機及其驅動電路，用以實現系統的受控運動；微量進樣模塊包括進樣器及其支持結構，用來實現取樣和進樣；回零模塊通過對射式光電傳感器來對系統進行回零動作；清潔模塊通過振動電機帶動毛刷對完成檢測后的進樣器進行清潔。

3 系統硬件電路設計

主控模塊設計 主控模塊由供電電路、單片機最小系統及串口通信電路構成。供電電路采用220 V轉12 V的開關電源，可直接向電機驅動器供電，通過LM2596降壓電路處理后向單片機及對射式光電傳感器供電。單片機最小系統采用STC12C5410AD為核心，該型單片機針對電機控制設計，內置四路PWM和MAX810專用復位電路，具有高速、低功耗、抗干擾的特性，體積小、價格低廉，符合小型化和成本控制的要求[1]。串口通信電路以MAX232A芯片為主，實現單片機與PC之間的通信。

電機及驅動模塊設計 電機及驅動模塊實現電能到機械能的轉化，包括步進電機及其驅動電路。步進電機屬于數字執行單元，每接收到一個脈沖信號轉動一個固定的角度。選取步進電機是由于其具有精度高、無累積誤差、不受負載變化影響、能瞬間啟動和急速停止的優越特性。但步進電機不能直接通電啟動，需要專門的驅動電路提供脈沖方可正常運轉。

本設計中采用兩相四線制混合式步進電機，內部包含兩對繞組，步距角為1.8°，精度可觀。驅動電路以THB7128高細分、大功率兩相步進電機專用驅動芯片為核心，整個電路可分為供電部分、芯片配置部分、信號隔離部分、細分調節部分和輸出電流調節部分[2]，如圖2所示。驅動電流輸出范圍在0～2 A內連續可調，通過撥碼開關可實現最高128步細分。

回零模塊設計 回零模塊由對射式光電傳感器及其放大電路組成，實現回零動作。由于運動系統存在慣性、摩擦，步進電機可能出現失步等誤差，可能導致進樣針的定位出現偏差。通過回零動作，在每次系統上電后對進樣針的位置進行標定，能夠有效消除誤差影響?；亓隳K位置可通過手動調節至進樣位置后通過螺絲鎖緊，當系統上電后自動運行，至標定位置處，傳感器受到遮擋，輸出電平翻轉，運動停止，標定完成。其中，由于傳感器的輸出信號較弱，需經三極管放大后才能由單片機的IO口檢測到。

清潔模塊設計 在通量進樣時，需要對沾有樣品的進樣器進行清潔，方便再次進樣。清潔模塊由軟毛刷、空心杯振動電機及其控制電路組成，為可拆卸設計，安裝在進樣模塊一側，具體位置需根據運動方向而定。系統上電但處于靜止狀態時，單片機通過繼電器控制清潔模塊開始工作。在進樣過程中，直徑約1 cm的羊毛材質的軟毛刷固定于電機頂端，空心杯振動電機帶動軟毛刷振動來清潔進樣針上沾染的樣品。電機供電電壓為3 V，通過LM317三端穩壓器獲得，繼電器控制電路在接受到單片機的信號時吸合，控制電機啟動。endprint

4 微量進樣模塊結構設計

傳統的進樣系統大多采用直線步進電機配合滾珠絲杠，體積龐大，且一次操作只能完成一次進樣。本設計采用履帶式轉動結構，大大縮小了裝置體積，降低了成本，并能夠實現通量進樣。微量進樣模塊由進樣器、傳動履帶及其支架構成，如圖3所示。微量進樣的方法中，最為常用、經濟的是采用針狀結構的裝置進行取樣、持樣、進樣，根據文獻[3]報道，采用鋼針制作的進樣針持樣量最小可達納升級，完全可滿足大多數實驗的要求。

本設計中的進樣器由鋼針及其夾持結構組成，鋼針長度約為5 cm，針尖部分經過在稀鹽酸中約半小時的浸泡，可獲得纖細而不均勻的尖端，方便收集微量樣品。傳動履帶采用內置鋼絲的聚氨酯材質同步帶，強度高，無揮發性氣味，耐磨耐溫性能好，并能抗多種酸堿和有機溶劑腐蝕。同步帶內側有梯形齒槽，與配套的同步輪嚙合以保證轉動的穩定性。傳動履帶外側等距安裝固定四個進樣器，轉動時進樣器依次在三個位置之間循環：進樣位—清潔位—取樣位—進樣位。轉動方向可根據需要改變，但需同時調整清潔模塊的安裝位置。

5 系統軟件設計

下位機設計 下位機完成四個功能：

1）系統的初始化；

2）系統上電后自動執行回零動作；

3）串口通信；

4）清潔模塊控制。

主程序流程如圖4所示。

上位機設計 LabVIEW上位機軟件實現最頂層的控制：

1）配置串口通信[4]；

2）電機運行速度及運行方向設定；

3）電機啟動和停止控制。

在LabVIEW2013平臺上編寫的上位機程序負責將用戶的命令傳達至單片機[5]，可方便地控制單片機發出不同頻率的脈沖進行10檔調速、通過。經過安裝后的校準，粗調可使進樣器直接轉動至下一個工作位置?？紤]到不同環境下的需求不同，進樣器停止時間不作限制。細調一次使單片機向步進電機發送一個脈沖，用于對進樣器位置進行微調。將VI程序封裝成為可執行文件后，能夠方便地在其他PC上安裝并使用?；贚abVIEW編寫的上位機程序界面如圖5所示。

6 結語

本文設計了一種小型自動化微量進樣系統，系統由上位機軟件、主控模塊、電機及驅動模塊、微量進樣模塊、回零模塊和清潔模塊六部分組成，能夠實現通量進樣，體積小、成本低，結構簡單，操作方便，控制精度高，在運用分析儀器進行微量樣品分析的場合能夠廣泛應用，大大提高對微量樣品檢測實驗的可操作性。

參考文獻

[1]朱兆優.單片機原理與應用：基于STC系列增強型8051單片機[M].2版.北京：電子工業出版社，2012.

[2]陳學軍.步進電機細分驅動控制系統的研究與實現[J].電機與控制應用，2006，33（6）：48-50.

[3]王姜，楊水平，鄢飛燕，等.微量果汁中痕量樂果的快速質譜檢測[J].分析化學，2010，38（4）：453-457.

[4]陳誠，李言武，葛立峰.基于LabVIEW的單片機串口通信設計[J].現代計算機，2009（1）：198-200.

[5]彭慶華.虛擬儀器軟件LabVIEW的串行口通信編程[J].自動化儀表，2002，23（3）：31-33.endprint