摘 要： 介紹了一種基于C8051F的臺式高速冷凍離心機系統(tǒng)的設計。該系統(tǒng)以C8051F020單片機為核心，設計了轉速測控、溫度測控、轉子識別、操作顯示電路及各軟件控制程序。C8051F020資源豐富，大大簡化了外圍電路，降低了開發(fā)成本。經仿真調試和在某離心機公司試用證明，模塊化設計使離心機的整體穩(wěn)定性得以提高，各項測量參數(shù)準確，控制過程可靠。采用反射光編碼技術自動識別轉子， 簡化了用戶操作，保證了更高的安全性。
關鍵詞： C8051F020；離心機；電機；轉子識別
離心機是集機械、電子、制冷、真空、材料等多項技術于一體的樣品分析分離儀器，廣泛應用于生物醫(yī)學、石油化工、農業(yè)、食品衛(wèi)生等領域。它借助驅動設備使離心機轉子高速旋轉，利用不同物質在水溶液中因不同的密度、大小和形狀而在離心力場中沉淀速度的差異，實現(xiàn)樣品的分離、精制及純化[1]。從1878年瑞典人DeLava1研制的牛奶分離器至今，離心機歷經低速、高速、超速的變遷。低速離心機最大轉速不超過6 000 r/min，主要用于固液沉降分離，通常直接在室溫下運轉；高速離心機最高轉速可以達到20 000～25 000 r/min，也用于固液沉降分離，一般帶有制冷系統(tǒng)，轉速、溫度和時間都可以嚴格準確地控制；超速離心機轉速在25 000 r/min以上，都裝有真空系統(tǒng)[2]。
本系統(tǒng)針對臺式高速冷凍離心機的性能要求，以C8051F020單片機作為核心處理器，采用模塊化方法對其硬件和軟件進行詳細設計。
1 系統(tǒng)結構
離心機整體結構由主機和附件組成。主機包括機殼、離心室、門蓋、電機、驅動伺服系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及操作顯示部分，附件分為轉子和離心管。其邏輯功能結構如圖1所示。
驅動伺服系統(tǒng)負責驅動電機運轉，控制電機的轉速；制冷系統(tǒng)用來降低系統(tǒng)的溫度，通過溫度控制系統(tǒng)確保分離的樣品在一個合適的溫度環(huán)境；操作顯示部分用來設置顯示系統(tǒng)的各項參數(shù)，包括轉子號、轉速、離心力、溫度、時間及故障提示；轉子識別在啟動低速時識別相應轉子型號，以限制其最高轉速，避免因人為設定錯誤導致轉子超速，造成轉子爆炸事故，保證安全；故障檢測系統(tǒng)是當離心機因設定錯誤或運行中出現(xiàn)故障而進行的檢測提示，并為保護系統(tǒng)正常工作和人身安全采取相應措施；系統(tǒng)控制是離心機的控制中心，負責離心機的各項參數(shù)設置和功能設定，管理和控制各個系統(tǒng)的運行情況。
2 硬件設計
臺式高速冷凍離心機的性能要求為：最高轉速為25 000 r/min，轉速控制精度為±50 r/min；時間可選擇0～99 min；溫度控制范圍為-20℃～+40℃，控制精度為±1℃；可自動識別轉子號，實現(xiàn)1～9擋升/降速方式。根據這些要求，系統(tǒng)選擇C8051F020單片機為核心處理器，外圍元件包括帶霍爾傳感器的三相無刷直流電機、功率驅動模塊IGBT（FSBS15CH60F），溫度傳感器DS18B20、可控硅BT136、霍爾傳感器A3144、液晶顯示屏CA240128A、OMRON輕觸開關及MAX485通信模塊。
2.1 C8051F020
C8051F020單片機是美國Cygnal公司Silicon Labs推出的完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片，具有與MCS-51指令完全兼容的高速、流水線結構的CIP-51內核。它在一個芯片內集成了構成一個單片機數(shù)據采集或控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設及其他功能部件。這些外設部件的高度集成為設計小體積、低功耗、高可靠性和高性能的應用系統(tǒng)提供了方便，也可使系統(tǒng)的整體成本大大降低。JTAG調試和邊界掃描接口可實現(xiàn)全速、非侵入式的系統(tǒng)實時動態(tài)調試[3]。
2.2 轉速測量與控制
離心機的分離品質由離心場力直接決定，其動力通常由電動機提供，在轉子不變的情況下可通過調節(jié)電動機轉速來控制離心力大小。實際中常用相對離心力RCF（Relative Centrifugal Force）即地心引力的倍數(shù)表示[4]：
轉速調節(jié)部分是離心機的核心，主要由控制、功率驅動和電機三大要素組成。本系統(tǒng)采用IGBT模塊FSBS15CH60F實現(xiàn)電機功率驅動，外部一端與單片機的PWM（Pulse Width Modulation）信號口相連，通過調節(jié)占空比來改變傳輸給電機的有效電壓，實現(xiàn)電機速度控制以及9擋升降速；另一端U、V、W引腳與三相電機相連。電路如圖2所示。
三相無刷直流電機的3個霍爾傳感器以120°的電角度分布，單片機通過計算1 s內傳來的脈沖個數(shù)p整除3即得到當前電機轉子的轉速[5]：
2.3 溫度測量與控制
單片機將溫度傳感器DS18B20測得的值與設定值比較后，控制可控硅BT136的導通，進而調節(jié)電磁閥的開關量，影響壓縮機的制冷度，實現(xiàn)對溫度的控制。電路連接如圖3所示。其中的MOC3041為一種帶有光耦合的雙向可控硅驅動電路，由輸入和輸出兩部分組成，其內部集成了發(fā)光二極管、雙向可控硅和過零觸發(fā)電路等器件。當單片機的WD_KZ輸出低電平時，MOC3041輸入部分的發(fā)光二極管導通，發(fā)出足夠強度的紅外光觸發(fā)輸出部分以控制可控硅的導通。
2.4 轉子識別
本系統(tǒng)采用反射光編碼識別轉子號[6]。在離心機轉子底部裝上編碼盤，根據轉子編號規(guī)則交錯涂上淺色和深色條紋，在其下方對應位置安裝一個光電檢測裝置，通過對不同編碼盤上淺、深色條紋的識別判別不同的轉子，并以此判別所適應的最大轉速。
反射光編碼識別示意圖如圖4所示。其中，1為轉子，2為編碼盤，3為光電檢測裝置，4為發(fā)射管，5為接收管，6為驅動機構。在轉子底部安裝一編碼盤，編碼盤上交錯涂有淺色和深色條紋，可與光電檢測裝置所發(fā)出的信號相對應。工作時，光電檢測裝置上的發(fā)射管不停地發(fā)射光線，當光線遇到編碼盤的淺色區(qū)域會產生反射，接收管接收該反射信號后導通，給與其相接的單片機輸出低電平；當光線遇到編碼盤的深色區(qū)域時，光線被吸收，接收管不導通，則給單片機輸出高電平。這樣，通過采集編碼盤反射回來的光電信號轉換成相應的脈沖信號，只要計算當轉子轉一圈時的脈沖個數(shù)，就可識別不同的轉子。
此外，單片機通過輕觸開關及LCD連接實現(xiàn)操作與顯示控制；還可通過RS-485與PC連接，實現(xiàn)相應的數(shù)據輸出和監(jiān)控管理。
3 軟件設計
本系統(tǒng)操作系統(tǒng)選用RTX51，集成開發(fā)環(huán)境選擇Keil 8.02，結合wave仿真器在線模擬調試。軟件采用模塊化設計，主要包括主循環(huán)模塊、中斷服務模塊、鍵盤掃描模塊、顯示模塊、電機調速模塊、溫度控制模塊、轉子識別及故障檢測模塊，主控流程如圖5所示。開機時進行系統(tǒng)初始化，包括定時器、I/O口、中斷、變量等的初始化，當有按鍵按下時，鍵盤掃描模塊判斷鍵值，并轉入鍵值對應的處理模塊；運行過程中若有超溫、超速或故障則報警停機。部分程序代碼如下：
//系統(tǒng)主程序
void main（void）
{
sysInit（）； //系統(tǒng)硬件初始化
glbInit（）； //全局變量初始化
fnDispWelcom（）； //顯示歡迎界面
SysMenu（）； //顯示系統(tǒng)菜單
bT0=0；
while（1）
{
if（bT0==1）
{
bT0=0；
gucInputKey=ReadKey（）；//讀按鍵
if（gucInputKey!=0）
DealKey（gucInputKey）；//按鍵處理
DealTime（）； //時間處理
Display（）； //顯示函數(shù)
}
else
PCON|=0x01；
}
}
//系統(tǒng)硬件初始化
void sysInit（void）
{
uint i；
P2=0x1f； //P2.7，P2.6，P2.5全部清零，讓IGBT上橋
//臂關斷
P4=0xfb；
for（i=4000；i>0；i--） //延時讓CPU可靠復位
P4=0xff；
Init_Device（）； //初始化020CPU
for（i=4000；i>0；i--）
fnLCMInit（）； //初始化液晶屏
}
本系統(tǒng)選擇片上資源豐富、功能強大的C8051F020單片機，大大簡化了外圍電路，降低了開發(fā)成本。經仿真調試及在某離心機公司的試用證明，模塊化的軟硬件設計使離心機的整體穩(wěn)定性得以提高，各項測量參數(shù)準確，控制過程可靠。采用反射光編碼技術自動識別轉子，簡化了用戶操作，確保了更高的安全性。
參考文獻
[1] 楊云，金綠松，郭文軍，等.離心機驅動結構回顧與展望[J].機械設計與制造工程，2000（9）.
[2] 金綠松，王家龍.我國實驗室離心機的現(xiàn)狀與展望[J].中國儀器儀表，2008（5）.
[3] 潘琢金.C8051F020/1/2/3混合信號ISP FLASH微控制器數(shù)據手冊[Z].2005.
[4] 高速冷凍離心機型號標準[S].YZB/湘（長）98-2005
[5] 徐猛，劉波峰，馬建林，等.基于智能功率模塊的臺式離心機電控系統(tǒng)[J].儀表技術與傳感器，2008（12）.
[6] 朱先德，吳漢炯，朱明軒，等.醫(yī)用離心機轉子識別機構[P].中國.CN 2489873Y.2002.05.08.