基于电磁感应的液体粘度测量系统设计

磁线圈等大功率器件，所以使用光电耦合器隔离前面的数字部分和后面的模拟部分^[41,42]。

本设计中采用的光电耦合器是TLP521，其内部结构图如图4-8所示。

图4-8 光耦内部结构图

光电耦合器的工作原理是输入的电信号驱动发光二极管，使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了“电—光—电”的转换，从而起到输入、输出隔离的作用^[43]。

其典型应用电路如图4-9所示。

图4-9 光耦典型应用电路

本设计采用MOS开关管的通断来控制电磁线圈的交替通电，两个电磁线圈分别和两个开关管串联，光电耦合器的输出信号控制开关管的导通和截止，从而控制电磁线圈的通电状态。

其电路原理图如图4-10所示。

图4-10 方波产生电路原理图

2 感应信号检测处理电路设计

利用以上电路，通过单片机可以产生某一固定周期的方波控制两个电磁线圈交替通电，进而驱动柱状永磁铁活塞在两个电磁线圈之间往复运动。活塞在线圈之间运动时，会对线圈产生感应电压。本系统中通过对感应电压信号进行检测处理并反馈到单片机，使单片机控制方波信号的实时翻转，实时控制开关管的通断，从而切换两个电磁线圈的通电状态，就可以实现活塞在线圈之间的运动方向的实时改变，实现活塞的实时往复运动。

本系统中的感应电压信号是叠加在驱动电压上的一个小电压信号。由于本系统不要求得到感应电压信号的准确值，只需要检测感应电压达到某一临界值的时刻。所以，设计中采用常用的电压比较器来实现这一功能^[44]。

电压比较器是集成运放的非线性应用电路，它将一个模拟量电压信号和一个参考电压相比较，在二者幅度相等的附近，输出电压将产生跃变，相应输出高电平或低电平。比较器可以组成非正弦波形变换电路及应用于模拟与数字信号转换等领域^[45]。

根据感应电压信号的特点，本系统中选用电压比较器LM339作为感应电压的检测芯片。LM339芯片内部装有四个独立的电压比较器，是很常见的集成电路。利用lm339可以方便的组成各种电压比较器电路和振荡器电路。图4-11为其引脚图。

图4-11 LM339引脚图

LM339类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选3-15K）。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。另外，各比较器的输出端允许连接在一起使用^[46]。

本系统利用LM339检测电磁线圈上的感应电压信号，当其达到某一临界值时，即活塞运动到某一位置时，电压比较器输出高电平，并将其反馈给单片机，进而控制方波信号翻转。

其电路原理图如图4-12所示。

图4-12 感应信号检测处理原理图

3 串口通信设计

本测量系统中，单片机记录活塞在被测液体中往复运动的时间，然后通过串口将记录的时间数据传送到PC机上进行分析处理和显示。

3.1 串口通信简介

串口是一种非常通用的设备通信的协议。串口通信的概念非常简单，串口按位（bit）发送和接收字节。尽管比按字节（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。它很简单并且能够实现远距离通信^[47]。

51单片机的串行口试一个可编程全双工的通信接口，具有UART（通用异步收发器）的全部功能，能同时进行数据的发送和接收，也可作为同步移位寄存器使用^[48]。

3.2 串口电路设计

51单片机上串行口的输入输出电平为5VTTL（晶体管-晶体管逻辑电平）电平，即+5V等价于逻辑1，0V等价于逻辑0，而PC机的串行口为RS-232C接口，其输入输出电平满足RS-232C的电气特性，即用-5V~-15V表示逻辑1，用+5V~+15V表示逻辑0。所以单片机与PC机之间进行串口通信需要进行电平转换^[49]。

本系统中采用常用的电平转换芯片MAX232进行电平转换，MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的接口电路，使用+5V单电源供电。内部结构基本可分三个部分：第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚（R1IN）、12脚（R1_OUT）、11脚（T1_IN）、14脚（T1_OUT）为第一数据通道。8脚（R2_IN）、9脚（R2_OUT）、10脚（T2_IN）、7脚（T2_OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS数据从T1_IN、T2_IN输入转换成RS-232数据从T1_OUT、T2_OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1_IN、R2_IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1_OUT、R2_OUT输出。第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC（+5V）。其引脚图如图4-13所示。