超薄磁力攪拌器的設計與實現

　攪拌器是化學實驗中的一種常用設備，廣泛應用於化工、醫藥、食品、塗料、油漆、環保、化妝品等領域。傳統化學反應溶液的攪拌多為手動操作，不僅耗費人力，還會造成反應溶液攪拌不均勻的現象，導致實驗結果不準確。磁力攪拌器能很好地解決這一問題。磁力攪拌器不但操作簡單，且可以按照操作人員意願調整攪拌速度及攪拌方向，大大簡化了操作過程，同時解決了對具有毒性或粘稠性反應溶液攪拌困難的難題。
常規磁力攪拌器的系統結構圖如圖1所示[1]。其基本原理是：通過電動機的轉動帶動外永磁鐵轉動，再通過磁場的作用，由外永磁鐵的轉動帶動內部攪拌子(永磁鐵)的轉動，進而達到攪拌的目的，即由電能轉化為機械能，再由機械能轉化為磁能。參考文獻[2]、[3]、[4]所設計的磁力攪拌器結構原理也大致與此相同，其主要特點是都帶有電動機，致使攪拌器的體積較大。對於可攜式測量儀器，要求磁力攪拌器厚度較小、質量較輕，而傳統的設計方法難以實現這些要求。
　依據電磁轉換原理，本文設計了一種超薄磁力攪拌器。通過在多個螺旋線圈中流過不同相位的脈衝電流，直接產生磁場，帶動內部攪拌子(永磁鐵)的轉動，達到攪拌的目的，即由電能直接轉化為磁能。其優點是省去了傳統的電動機中間部分，可以有效地簡化攪拌器的結構、減輕了質量，最重要的是可以做到超薄，從而使磁力攪拌器更好地應用於電化學可攜式檢測系統中。
1 電磁轉換設計
　根據如圖2所示的右手螺旋定則，在螺旋線圈中通過電流後，螺旋線圈上方將產生N極磁場，下方將產生S極磁場。如果通過螺旋線圈的電流方向相反，則線圈上下方產生的磁場方向也將改變。這樣，通過改變螺旋線圈中流過電流的有無及方向，就可以根據實際要求來控制螺旋線圈中磁場的極性。

　為了使攪拌器的攪拌子平穩轉動，需要考慮的問題是為攪拌器配置多少個螺旋線圈，線圈越多越穩定，但結構複雜度及控制複雜度也相應提高。通常可以考慮配置的螺旋線圈方案為：4個、6個和8個，即線圈間的角度分別為90°、60°和45°。
　本文所設計的磁力攪拌器採用4個螺旋線圈對角線放置，如圖3所示。其中攪拌子的材質為永磁體，放在攪拌器上面。在圖3中，把對角線上的兩個螺旋線圈設為一組，即線圈1、3為一組，2、4為一組。每組螺旋線圈同時通有電流，但電流方向相反，即在同一時刻呈現的磁場極性相反。這樣，分別控制兩組螺旋線圈中電流的通斷及方向，就可以控制兩組線圈不同時刻所產生的合成磁場的方向，進而控制攪拌子的轉動。

　設定攪拌子順時針轉動一圈的8個方向為：西北、正北、東北、正東、東南、正南、西南、正西，如圖4所示，其中，N表示螺旋線圈產生的N極磁場，S表示螺旋線圈產生的S極磁場，*表示沒有磁場。這樣，就需要各個螺旋線圈產生相應的磁場極性。

　根據圖4中螺旋線圈磁場極性的要求，只要在不同時刻控制兩組螺旋線圈中電流的有無及方向，就可以控制兩組螺旋線圈在不同時刻疊加出不同方向的磁場。兩組螺旋線圈電流的時序如圖5所示，其中T(t/s)為攪拌子轉動一圈的時間，I(i/A)為流過線圈的電流值。

2 磁力攪拌器硬體設計
2.1 硬體總體結構
　磁力攪拌器的硬體主要由單片機、驅動電路、螺旋線圈及電源等四部分組成，其框圖如圖6所示。其中，單片機為硬體結構的核心，採用AT89S51晶片負責按鍵的讀取並產生相應的電流時序控制信號；驅動電路採用L6129DS晶片，其根據單片機的控制信號輸出相應的電流時序；兩組螺旋線圈根據流入的電流產生相應的磁場；電源負責給單片機及驅動晶片供電。

2.2 處理器選型
　處理器選用ATMEL公司生產的AT89S51單片機。該單片機是一款低功耗、高性能的CMOS 8 bit單片機，內含4 KB Flash程序存儲器，128 B的隨機存取數據存儲器，32個外部雙向輸入/輸出(I/O)口，5個中斷優先級，兩層嵌套中斷，兩個16 bit可編程定時計數器，兩個全雙工串行通信口，看門狗(WDT)電路，片內有時鐘振蕩器。
　單片機主要負責按鍵的採集，並根據採集到的信息將相應的電流時序發送給驅動電路。單片機與驅動電路、按鍵電路及SPI接口電路的連接如圖7所示。其中，單片機與驅動電路通過P2口連接。

2.3 驅動電路設計
　本文所設計的磁力攪拌器為超薄型，用於可攜式測量儀的溶液攪拌，反應溶液粘稠度較低。攪拌子的質量重為1.95 g，長為20 mm，半徑為6.58 mm；所使用的螺旋線圈繞組為0.1 mm的銅絲、高度為4.5 mm，每個螺旋線圈繞組外圍半徑為10 mm。根據電磁關係，要求驅動晶片的輸出電流範圍為300 mA~500 mA。
根據相關文獻，THB6064、TB6560、TB8435、L6219DS等幾款電機驅動晶片均可提供大小及相位可控的電流驅動。根據螺旋線圈繞組特性(匝數、材質、半徑等)、所要攪拌溶液的粘稠度及燒杯半徑等參數的變化，需要攪拌子的質量、半徑、材質要相應改變，這樣要求驅動晶片輸出的電流大小也要相應地改變。綜合考慮驅動晶片的輸出電流、控制難易度及性價比等因素，本系統選擇L6219DS晶片作為驅動晶片。
　L6219DS晶片是一個具有雙極性的集成晶片[5-6]，在單片機的控制下，能實現對具有兩極步進電機繞組的控制和驅動，還可以雙向控制兩個直流電機；輸出電流值有167 mA、333 mA、500 mA可選，最高可達到750 mA；支持10 V~46 V工作電壓，並含有內部溫度過熱保護電路。該晶片外圍電路簡單，可以很方便地與單片機連接成一個電機控制系統。本系統中，L6219DS晶片與單片機的具體管腳連接圖如圖7所示。
　單片機依據按鍵的選擇，通過P2口輸出兩組信號來控制驅動晶片。兩組信號功能相同，每一組信號用來控制驅動晶片輸出的一組電流大小及電流方向。對這兩組信號的控制是相對獨立的，其中一組控制信號對應的輸出電流如圖8所示。圖中，I01、I11控制驅動晶片L6219DS輸出電流1(OUT1)的大小，PHASE1控制驅動晶片輸出電流1的方向，即電流的流向為A→B或B→A。驅動晶片產生的兩組電流流過執行部分的兩組螺旋線圈，通過兩組線圈磁場的共同疊加，得到所需的磁場方向。

3 磁力攪拌器軟體設計
3.1 軟體總體設計
　軟體採用C語言對單片機進行編程，程序採用模塊化結構。軟體的主要功能：單片機初始化、按鍵檢測及螺旋線圈電流時序的產生。由於可以通過按鍵選擇正轉、反轉、停止、開始、加速及減速等工作，所以需要正確分配主程序及定時中斷的工作任務。電流時序的生成需要比較準確地定時，所以這一部分功能由定時中斷完成；按鍵檢測採用查詢方式，因此單片機的初始化、按鍵處理程序由主程序完成。主程序與定時中斷之間通過內存變量傳遞攪拌器的工作狀態，即主程序通過按鍵檢測獲得狀態信息，修改對應的正(反)轉狀態變量、停止(運行)狀態變量、加(減)速狀態變量。在定時中斷中，依據攪拌器的運行狀態，執行相應的動作，產生對應的螺旋線圈電流時序。
　需要說明的是，由於設定了攪拌器攪拌子的8個方向，所以在軟體實現時就設置了對應8個方向的8個序號(稱為步伐)，無論是正轉還是反轉，步伐的定義都不變，只是要根據正(反)轉狀態變量確定下一步伐是加1還是減1。
3.2 主程序設計
　主程序流程圖如圖9所示。系統上電後進行初始化操作，包括定時器初值及中斷設置。初始化函數中，首先設定定時器0的定時時間，選取最長時間(即攪拌子轉速最慢)為50 ms；然後，開全局中斷及定時器0溢出中斷；最後，進入按鍵採集模塊，採用無限循環進行鍵盤掃描，並根據相應的輸入鍵值設置相應的標誌位(加速、減速、正轉、反轉、停止、開始)。

3.3 定時中斷設計
　定時中斷流程圖如圖10所示。進入定時中斷函數後，首先關中斷，再根據停止標誌位判斷停止鍵是否按下。如果按下，則調用停止函數，攪拌子停止轉動，並等待開始按鍵；如果停止鍵沒有按下，則根據轉向標誌位判斷攪拌子的轉向(正轉、反轉)，並設定下一時刻攪拌子應指向的方向序號(即流程圖中所示的步伐值)。之後再判斷是否有加速減速操作，如果有，則更改相應的定時時間標誌位(定時時間增加，攪拌子轉速慢；定時時間減小，攪拌子轉速快)，並調用輸出函數(即控制L6219DS輸出電流)；如果沒有，則直接調用輸出函數。最後，根據定時時間標誌位賦給定時器相應的定時時間，並開中斷。

　本文針對現有的通過電動機轉動帶動永磁鐵旋轉產生旋轉磁場的磁力攪拌器，設計了通過通電螺旋線圈產生旋轉磁場的磁力攪拌器。該磁力攪拌器結構簡單、運行穩定控制靈活方便，攪拌子轉速在150 r/min~1 500 r/min範圍內可調。由於本磁力攪拌器採用電能直接轉化為磁能的方式，省去了常規磁力攪拌器所採用的機械轉化的中間環節，使得磁力攪拌器的體積進一步減小，厚度降到1 cm，可以非常方便地應用於各種可攜式測量儀器中。
參考文獻
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[5] 王華劍，羅衛兵.基於L6219DSA電機驅動晶片的磁力攪拌系統設計[J].電子元器件應用，2005(9)：68-70.
[6] 意法半導體公司.L6219 stepper motor driver. pdf. http：//www.st.com/internet/com/search/search，2010-08-19.

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