基于单片机和LabVIEW的小型自动化微量进样系统开发效果
基于单片机和LabVIEW的小型自动化微量进样系统开发效果 1 引言 随着技术的进步，成分分析仪器已呈现出使用门槛降低、 适用范围扩大、检测能力增强的趋势，原本对实验条件有着 苛刻要求的微量样品分析检测现在已经能够轻松实现，如质 谱仪能够在常压下对痕量样品直接进行定量分析。而针对微 量样品，大多数分析仪器并未配备专用的进样装置，进样操 作或依靠实验人员手动实现，或依赖于体积庞大的三维位移 平台，这对微量样品的检测带来很大不便。因此，设计一种 小型的自动化微量进样装置具有重要意义。本文以LabVIEW设计的上位机控制单片机、驱动步进电 机，带动进样模块实现取样—进样，能够有效提高微量样品 检测的可操作性，并可实现通量进样，具有结构简单、成本 低廉、使用方便的特点。
2 系统总体设计 如图1所示，整个系统由六部分组成：上位机软件用 LabVIEW编写，实现人机交互；
以STC12C5410AD单片机为核 心的主控模块，负责实现产生控制信号及各模块间通信；
电 机及驱动模块包括步进电机及其驱动电路，用以实现系统的 受控运动；
微量进样模块包括进样器及其支持结构，用来实 现取样和进样；
回零模块通过对射式光电传感器来对系统进 行回零动作；
清洁模块通过振动电机带动毛刷对完成检测后 的进样器进行清洁。3 系统硬件电路设计 主控模块设计 主控模块由供电电路、单片机最小系统 及串口通信电路构成。供电电路采用220 V转12 V的开关电 源，可直接向电机驱动器供电，通过LM2596降压电路处理后 向单片机及对射式光电传感器供电。单片机最小系统采用 STC12C5410AD为核心，该型单片机针对电机控制设计，内置 四路PWM和MAX810专用复位电路，具有高速、低功耗、抗干 扰的特性，体积小、价格低廉，符合小型化和成本控制的要 求[1]。串口通信电路以MAX232A芯片为主，实现单片机与PC 之间的通信。
电机及驱动模块设计 电机及驱动模块实现电能到机械 能的转化，包括步进电机及其驱动电路。步进电机属于数字 执行单元，每接收到一个脉冲信号转动一个固定的角度。选 取步进电机是由于其具有精度高、无累积误差、不受负载变 化影响、能瞬间启动和急速停止的优越特性。但步进电机不 能直接通电启动，需要专门的驱动电路提供脉冲方可正常运 转。
本设计中采用两相四线制混合式步进电机，内部包含两 对绕组，步距角为1.8°，精度可观。驱动电路以THB7128高 细分、大功率两相步进电机专用驱动芯片为核心，整个电路 可分为供电部分、芯片配置部分、信号隔离部分、细分调节 部分和输出电流调节部分[2]，如图2所示。驱动电流输出范 围在0～2 A内连续可调，通过拨码开关可实现最高128步细分。
回零模块设计 回零模块由对射式光电传感器及其放大 电路组成，实现回零动作。由于运动系统存在惯性、摩擦， 步进电机可能出现失步等误差，可能导致进样针的定位出现 偏差。通过回零动作，在每次系统上电后对进样针的位置进 行标定，能够有效消除误差影响。回零模块位置可通过手动 调节至进样位置后通过螺丝锁紧，当系统上电后自动运行， 至标定位置处，传感器受到遮挡，输出电平翻转，运动停止， 标定完成。其中，由于传感器的输出信号较弱，需经三极管 放大后才能由单片机的IO口检测到。
清洁模块设计 在通量进样时，需要对沾有样品的进样 器进行清洁，方便再次进样。清洁模块由软毛刷、空心杯振 动电机及其控制电路组成，为可拆卸设计，安装在进样模块 一侧，具体位置需根据运动方向而定。系统上电但处于静止 状态时，单片机通过继电器控制清洁模块开始工作。在进样 过程中，直径约1 cm的羊毛材质的软毛刷固定于电机顶端， 空心杯振动电机带动软毛刷振动来清洁进样针上沾染的样 品。电机供电电压为3 V，通过LM317三端稳压器获得，继电 器控制电路在接受到单片机的信号时吸合，控制电机启动。
4 微量进样模块结构设计 传统的进样系统大多采用直线步进电机配合滚珠丝杠， 体积庞大，且一次操作只能完成一次进样。本设计采用履带 式转动结构，大大缩小了装置体积，降低了成本，并能够实现通量进样。微量进样模块由进样器、传动履带及其支架构 成，如图3所示。微量进样的方法中，最为常用、经济的是 采用针状结构的装置进行取样、持样、进样，根据文献[3] 报道，采用钢针制作的进样针持样量最小可达纳升级，完全 可满足大多数实验的要求。
本设计中的进样器由钢针及其夹持结构组成，钢针长度 约为5 cm，针尖部分经过在稀盐酸中约半小时的浸泡，可获 得纤细而不均匀的尖端，方便收集微量样品。传动履带采用 内置钢丝的聚氨酯材质同步带，强度高，无挥发性气味，耐 磨耐温性能好，并能抗多种酸碱和有机溶剂腐蚀。同步带内 侧有梯形齿槽，与配套的同步轮啮合以保证转动的稳定性。
传动履带外侧等距安装固定四个进样器，转动时进样器依次 在三个位置之间循环：进样位—清洁位—取样位—进样位。
转动方向可根据需要改变，但需同时调整清洁模块的安装位 置。
5 系统软件设计 下位机设计 下位机完成四个功能：
1）系统的初始化；
2）系统上电后自动执行回零动作；
3）串口通信；
4）清洁模块控制。
主程序流程如图4所示。
上位机设计 LabVIEW上位机软件实现最顶层的控制：1）配置串口通信[4]；
2）电机运行速度及运行方向设定；
3）电机启动和停止控制。
在LabVIEW2013平台上编写的上位机程序负责将用户的 命令传达至单片机[5]，可方便地控制单片机发出不同频率 的脉冲进行10档调速、通过。经过安装后的校准，粗调可使 进样器直接转动至下一个工作位置。考虑到不同环境下的需 求不同，进样器停止时间不作限制。细调一次使单片机向步 进电机发送一个脉冲，用于对进样器位置进行微调。将VI程 序封装成为可执行文件后，能够方便地在其他PC上安装并使 用。基于LabVIEW编写的上位机程序界面如图5所示。
6 结语 参考文献 [1]朱兆优.单片机原理与应用：基于STC系列增强型 8051单片机[M].2版.北京：电子工业出版社，2012. [2]陈学军.步进电机细分驱动控制系统的研究与实现 [J].电机与控制应用，2006，33（6）：48-50. [3]王姜，杨水平，鄢飞燕，等.微量果汁中痕量乐果的 快速质谱检测[J].分析化学，2010，38（4）：453-457. [4]陈诚，李言武，葛立峰.基于LabVIEW的单片机串口 通信设计[J].现代计算机，2009（1）：198-200.