液滴分析仪的微量供液系统的设计

论文摘要

本课题由“2007国家自然科学基金项目(60702004)”资助,旨在利用“液滴指纹图”实现液体细微差别的测量识别。液滴分析仪是获得“液滴指纹图”的硬件基础,因此仪器的精度、可靠性、稳定性等性能指标直接影响液体的细微识别成功与否。从理论上说,液滴分析应该在被测液滴处于静止的平衡状态下进行,这意味着液滴生长速度要慢而且稳定。而液滴生长速度本质上是由供液系统对毛细管流量的定量控制决定的,因此各种液滴分析系统都需要有一个流量极小且流速稳定的供液装置。为了解决上述问题,本文开发了一种性能可靠、精度较高的可实现自动控制的微量供液系统。该系统的研制主要包括机械结构设计以及控制系统软硬件设计两个部分。在机械设计方面,本文在对国内外计量泵发展状况、技术特点进行研究与分析的基础上,设计了供液系统的机械结构,并对其传动装置进行了UG三维仿真。本系统的传动装置采用活塞计量泵的基本原理,利用步进电机驱动一对减速齿轮,通过传动轴及滑动键带动螺杆在竖直方向上移动。螺杆的运动即可改变活塞的有效行程,进而引起计量泵的流量变化。此外,本文对传动机构的重点零件进行了全面校核,确保了传动机构的可行性和可靠性。在控制电路硬件设计方面,本文以AT89C52单片机为核心,将恒流斩波细分驱动方案用到了步进电机的驱动系统中,通过功能扩展和接口技术等实现了对供液装置的驱动和控制。此外,本系统可通过标准异步通信协议与PC机进行通信,从而实现了对泵流量的辅助控制以及相关状态信息的处理和显示；在软件程序研发方面,本文在Keil C51平台下完成了主程序和步进电机控制等子程序的开发,与硬件电路配合实现了对系统供液的实时控制。在此基础上,本文分析了单片机系统干扰产生的原因及其影响,并从硬件和软件两方面提出了抗干扰措施。通过研究证明：本文所设计的基于单片机技术的微量供液系统,能够对供液系统的流量和流速实现精确控制,具有重要的实用价值。本系统可用于诸如液体生产工艺控制、环境监测等需要微量供液的场合,是一种低成本、高灵活的方案。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 液滴分析技术概述
• 1.1.1 液滴分析技术的提出及研究意义
• 1.1.2 液滴分析技术的发展历程
• 1.2 光纤、电容液滴分析仪
• 1.3 选题意义
• 1.4 主要研究内容
• 第二章 液体特性分析
• 2.1 液体表面张力
• 2.2.1 液体表面张力的定义
• 2.2.2 影响液体表面张力的因素
• 2.2 毛细现象
• 2.3 润湿作用
• 2.3.1 润湿现象及分类
• 2.3.2 润湿角和Young方程
• 2.3.3 固体表面倾斜对润湿角的影响
• 2.4 液滴指纹图与液体特性的关系
• 2.5 表面张力、折射率、介电常数的测定
• 2.6 液滴传感器滴头设计
• 2.7 本章小结
• 第三章 供液系统的机械结构设计及校核
• 3.1 几种常用的供液装置
• 3.1.1 常压供液装置
• 3.1.2 变阻力活塞重力供液装置
• 3.1.3 活塞计量供液装置
• 3.2 活塞计量供液装置的改进设计
• 3.2.1 活塞泵的基本工作原理
• 3.2.2 活塞泵的改进设计
• 3.3 供液装置的传动结构设计
• 3.4 供液装置的传动结构仿真
• 3.4.1 Unigraphics NX6.0简介
• 3.4.2 传动机构的三维仿真
• 3.4.3 典型零件图
• 3.5 选材及基本尺寸的设计校核
• 3.5.1 齿轮的设计及校核
• 3.5.2 螺杆及螺母的设计及校核
• 3.6 步进电机的选择
• 3.6.1 步进电机的特点
• 3.6.2 步进电机的原理及分类
• 3.6.3 步进电机的计算
• 3.7 本章小结
• 第四章 供液系统的硬件控制电路设计
• 4.1 供液系统的总体设计
• 4.2 AT89C52单片机简介
• 4.2.1 AT89C52单片机的功能特性
• 4.2.2 AT89C52单片机的内部结构
• 4.2.2.1 内核CPU
• 4.2.2.2 存储器部分
• 4.2.2.3 I/O接口部分
• 4.2.2.4 特殊功能部分
• 4.3 步进电机的细分驱动方案设计
• 4.3.1 步进电机控制系统方案
• 4.3.2 细分驱动方式
• 4.3.2.1 细分驱动概述
• 4.3.2.2 恒流斩波式细分驱动
• 4.3.3 驱动系统结构概述
• 4.3.3.1 单片机主控单元和D/A转换电路
• 4.3.3.2 PWM斩波和恒流控制电路
• 4.3.3.3 GAL片逻辑综合电路
• 4.3.3.4 功率与驱动电路
• 4.3.3.5 过流保护电路
• 4.4 时钟电路及复位电路的设计
• 4.4.1 复位电路的设计
• 4.4.2 时钟电路的设计
• 4.5 键盘显示电路的设计
• 4.6 接近开关
• 4.6.1 接近开关的分类
• 4.6.2 霍尔传感器的工作原理
• 4.7 A/D转换接口
• 4.7.1 A/D转换器ADC0808
• 4.7.2 A/D转换电路
• 4.8 串行通信接口
• 4.8.1 AT89C52单片机串行口
• 4.8.2 AT89C52与PC机的串行通信
• 4.9 本章小结
• 第五章 供液系统的软件设计
• 5.1 系统软件开发环境
• 5.2 控制系统软件的总体架构
• 5.3 步进电机细分驱动软件设计
• 5.4 键盘显示程序设计
• 5.5 中断程序设计
• 5.6 系统复位诊断及处理程序设计
• 5.6.1 非正常复位的识别
• 5.6.2 系统自恢复运行程序设计
• 5.7 串行通信程序设计
• 5.8 供液装置软件界面及功能介绍
• 5.9 本章小结
• 第六章 供液系统的抗干扰设计
• 6.1 干扰产生的原因
• 6.2 本系统的硬件抗干扰设计
• 6.2.1 电源的抗干扰设计
• 6.2.2 复位电路的抗干扰设计
• 6.2.3 过程通道的抗干扰设计
• 6.3 本系统的软件抗干扰设计
• 6.4 液体流速的测定实验及对比分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 附录1 传动机构机械设计图
• 附录2 部分软件程序
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文