基于电磁感应的液体粘度测量系统设计

基于电磁感应的液体粘度测量系统设计主要包括控制处理电路设计、机械结构部分设计和软件程序设计三部分。控制处理电路设计主要包括：核心控制处理芯片的选择、芯片的外围电路设计、控制电路电路设计和处理电路电路设计。机械结构部分设计旨在实现电磁线圈驱动永磁体活塞在被测液体中往复运动。其中要求：被测液体能够自由进入活塞的运动空间；线圈的安装空间具有良好的密封性。软件程序设计主要包括硬件程序编写和上位机程序编写。其中，硬件程序主要实现测量系统的控制功能和处理功能以及与上位机的通信，上位机程序主要实现与下位机的通信以及测量数据的处理和显示。本章将对以上几个方面进行详细的介绍。

1 信号产生电路设计

信号产生电路设计既电磁线圈驱动信号产生电路设计，要求产生驱动信号驱动两个电磁线圈实现两个电磁线圈交替通电，从而驱动两个线圈之间的柱状永磁铁活塞往复运动。

为了使电磁线圈对柱状永磁铁活塞的驱动力为恒力，本系统采用恒定电压的方波信号作为驱动信号。

1.1 方波产生电路方案选择

1. 微控制器产生方波

微控制器产生方波实现非常简单，主要是利用I/O口产生高低电平，再经后续电路的处理即可。后续电路的处理主要有以下方法：

• 利用D/A转换器将I/O口输出电平转换成模拟信号，再将放大电路放大；

• 直接将I/O口输出电平进行隔离放大，作为驱动信号；

• 将I/O口输出电平进行隔离放大后控制功率器件的通断，从而产生驱动信号。

利用微控制器产生方波实现方便，易于调节。并且考虑到后续感应信号检测处理电路的需要，使用微控制器更能满足要求。

根据本测量系统的要求，微控制器需要实现的功能比较简单，所以选用经济普遍的51系列单片机作为微控制器芯片。该单片机主要需要实现产生固定周期方波、对感应信号的检测并计时以及利用串口与上位机进行通信，以上三个功能都需要用到定时器，所以本系统选用了具有三个定时器的STC89C52RC单片机，其引脚图如图4-4所示。

图4-4 STC89C52RC引脚图

1.2 单片机最小系统

单片机要想实现其他功能，首先其应该具备一些最基本的外围电路，即使其正常工作的最小系统，其主要包括电源电路、复位电路和时钟电路。

（1）电源电路

STC89C52RC单片机的电源电压V_cc为5V，一般实验室内有很多满足要求的电源，但由于单片机的供电电源电压要求比较稳定，这样就要对输入电压在接入电源引脚前进行稳压和滤波。由于本系统需要用到PC机进行数据的处理和显示，所以单片机电源直接由PC机USB口供电。USB接口有四根线分别是电源线V_cc、地线GND、数据线DATA+和数据线DATA-，其中电源线和地线之间的电压即为5V，其电压的稳定性完全能够满足单片机电源电压的要求，使用它为单片机的电源供电就减少了对电源电压的一些处理过程。

其电路原理图如图4-5所示。

图4-5 电源电路原理图

其中，电源与地之间的并联的电解电容进一步增加了供电电压的稳定性，LED是供电电源的指示灯。

（2）复位电路

89系列单片机与其他微处理器一样，在启动时都需要复位，使系统各部件处于确定的初始状态。RST引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期（即两个机器周期）以上^[38,39]。

复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式，本设计中采用手动复位和上电自动复位组合的方式。

其电路原理图如图4-6所示。

图4-6 复位电路原理图

在通电瞬间，电容C3通过电阻R2充电，RST端出现正脉冲，用以复位，稳定后，RST端恢复到低电位；系统上电运行后若需要复位，按下开关S1，在开关接通瞬间，RST端出现正脉冲，用以复位，开关S1抬起后，RST端又逐渐恢复到低电位。

（3）时钟电路

时钟电路是单片机的心脏, 它控制着单片机的工作节奏。单片机就是通过复杂的时序电路完成不同的指令功能的。单片机的时钟信号可以由两种方式产生：一种是内部方式，利用芯片内部的振荡电路，产生时钟信号；另一种为外部方式，时钟信号由外部引入。

本设计中采用外部引入方式，其电路原理图如图4-7所示。

图4-7 时钟电路原理图

晶振Y1的频率决定了单片机的振荡频率，由于本系统中用到串行通信，为了设置波特率方便，本设计采用的晶振频率为11.0592MHz。其中C1、C2的主要作用是帮助起振和对振荡频率进行微调^[40]。

1.3 方波产生电路设计

方波信号产生电路首先由单片机某一I/O口交替产生高低电平，再由反相器得到其互补信号，形成一对互补信号。然后，将两路信号经过光电耦合器隔离后分别驱动两个开关管，进而控制电磁线圈的通断。

因为本系统中是用单片机输出的数字信号驱动开关管和电