趙夢軍，戴爾晗，徐君，陳誠，馬亞男

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

　　摘要：設(shè)計了一種數(shù)字旋轉(zhuǎn)式粘度計，分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。硬件部分主要包括主控板、電機驅(qū)動和扭矩測量3個方面；軟件部分通過指數(shù)加速算法對步進電機進行控制，解決了電機啟動時的啟動慢和失步等問題。粘度計采用STC90C516RD為核心芯片，負責(zé)控制電機的轉(zhuǎn)動以及采集力矩信號并進行數(shù)據(jù)處理，最終通過液晶顯示屏顯示出測得的粘度值、轉(zhuǎn)速等信息。提出的數(shù)字旋轉(zhuǎn)式粘度計能夠簡單、直觀、精確地測得流體的粘度值。

　　關(guān)鍵詞：粘度計；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重要指標，在石油、化工、電力、食品等很多領(lǐng)域， 測定流體的粘度和流動特性至關(guān)重要。根據(jù)不同的測量原理，粘度測量的主要方法有毛細血管法、落球式、旋轉(zhuǎn)法和振動法。在以上的粘度測量方法中，旋轉(zhuǎn)式粘度計由于具有能夠在不同的切變速率下對同種材料進行測量的優(yōu)點，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量中。目前，單圓筒旋轉(zhuǎn)粘度計的精度大概在5%左右，它的工作原理是：步進電機通過一個經(jīng)過校驗的標準的鈹銅合金彈簧（游絲）帶動一個浸泡在待測液中的轉(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）來測得待測液的粘度值。彈簧受到的扭矩不僅與待測液粘度值成正比，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)待測液的粘度量級可以采用不同的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子大小，來確保待測液粘度值在彈簧測量范圍內(nèi)，同時可以提高測量的準確性和精度［12］。

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

1硬件電路設(shè)計

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

　　1.1電機驅(qū)動電路設(shè)計

　　本文采用步進電機，步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為線位移或角位移的開環(huán)控制步進電機。在未超載情況下，步進電機的轉(zhuǎn)速以及其停止的位置只取決于脈沖信號的頻率與脈沖數(shù)，而與負載大小的變化無關(guān)，當步進驅(qū)動器收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定好的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，也就是“步距角”。

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

　　STC90C52RC是驅(qū)動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，輸出步進電機各項繞組的電流和方向，通過定時器T0就能精確控制電機轉(zhuǎn)動的速度和方向。

　　1.2扭矩測量電路設(shè)計

　　本文粘度計是通過轉(zhuǎn)子在待測液體中轉(zhuǎn)動時游絲的扭轉(zhuǎn)角度來測定的，游絲的扭轉(zhuǎn)角可以通過兩個光電開關(guān)來測量計算出。光電開關(guān)是光電接近開關(guān)的簡稱，它是通過被檢測物對光線的反射或遮擋，來檢測物體的有無。本文使用槽型光電開關(guān)，當凹槽中無遮擋物時，輸出高電平，當凹槽中有遮擋物時，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，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轉(zhuǎn)軸上，另一端固定在放入待測液的轉(zhuǎn)子上，并在游絲兩端分別安裝一個水平遮擋板，當電機轉(zhuǎn)動時，每轉(zhuǎn)一圈兩個遮擋板都會各自遮擋一次槽型光耦，只要測得兩個擋板經(jīng)過槽口的時間差，就可計算出扭矩的大小。

　　1.3主控板電路設(shè)計

　　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，負責(zé)接收按鍵指令和扭矩測量數(shù)據(jù)，以及向電機驅(qū)動電路發(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個管腳，主控板上設(shè)計了一個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

　　2.1指數(shù)加速算法

　　步進電機在啟動時，經(jīng)常會出現(xiàn)啟動緩慢、失步甚至是卡死的現(xiàn)象，這是由于頻率越大，電機轉(zhuǎn)矩越小，在電機啟動時直接輸出最終需要的高頻率，就會導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩不足以啟動電機。為了避免電機啟動時的轉(zhuǎn)矩不足，本文采用了指數(shù)加速算法，也就是在電機剛啟動時輸出低頻率，然后頻率慢慢加大，直到電機達到所需要的速度平穩(wěn)轉(zhuǎn)動。

　　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，它可以讓步進電機啟動時角速度按指數(shù)曲線慢慢增大，保持電機轉(zhuǎn)矩足夠帶動負載。指數(shù)加速算法如圖8所示［8］。

　　2.2粘度測量程序

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

　　粘度測量的重點是測得游絲偏轉(zhuǎn)角度，本文測量兩個光電開關(guān)被遮擋的時間差，然后只要知道電機轉(zhuǎn)速，就可算出游絲偏轉(zhuǎn)角度，再根據(jù)粘度計算公式求得待測液體的粘度值。

3實驗結(jié)果

　　本文采用蔗糖水來檢驗設(shè)計出的數(shù)字旋轉(zhuǎn)粘度計的可靠性和精度，通過改變蔗糖水的濃度就可以得到多種已知粘度的待測液。不同濃度的蔗糖水在溫度為30℃時的粘度標準值如表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準值蔗糖水溶液濃度百分比/%30℃粘度標準值/（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)粘度計測量其粘度值。測得的數(shù)據(jù)記錄在下面的表2中。

　　從表2中可以看出，測量得到的粘度值比標準值略高，這是由于粘度計的系統(tǒng)摩擦力導(dǎo)致的，相對誤差基本上在5%以內(nèi)，本文設(shè)計的旋轉(zhuǎn)粘度計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)計了一種數(shù)字旋轉(zhuǎn)粘度計，該粘度計能夠簡單、精確地測得待測液粘度。同時，本設(shè)計使用了指數(shù)加速算法來啟動電機，解決了電機啟動時失步、卡死等問題。最后，通過實驗驗證了設(shè)計的粘度計的可靠性和精確度。本系統(tǒng)在粘度測量領(lǐng)域具有一定的理論和研究價值。

參考文獻

　　［1］ 童剛，陳麗君，冷健.旋轉(zhuǎn)式粘度計綜述［J］.自動化博覽，2007，24(1):6870.

　?。?］ SILBERLI Z H,TAN Y P.A microtube viscometer with a hermostat［J］. Experiments in Fluids,2004,36(40):586592.

　?。?］ 周鵬.基于STC89C52單片機的多功能測溫儀設(shè)計［J］.微型機與應(yīng)用，2013,32(1):2629.

　?。?］ 殷蘇民,張建明,李正陽,等.基于單片機的PLC數(shù)據(jù)儲存系統(tǒng)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用,2014,40(8):3133,37.

　　［5］ 鄒豪杰,邱銀安.數(shù)字式粘度計中步進電機微步細分的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.計算技術(shù)與自動化,2004,23(9):1215.

　?。?］ 蔣慧海.光電開關(guān)的原理及應(yīng)用［J］.銅業(yè)工程,2009(2):4143,46.

　?。?］ 陳素華，王國志.基于單片機的LCD顯示系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.許昌學(xué)院學(xué)報,2010,29(5):7578.

　?。?］ 姜德美，謝守勇，甘露萍.步進電機啟動控制算法設(shè)計［J］.西南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）,2007,29(5):128132.