一种医用离心机转速检测系统的设计与研制
引言
离心机是生物学教学、实验室、医用科研领域中常见的仪器，其原理是利用旋转转头产生的离心力，使悬浮液或乳浊液中不同密度、不同颗粒大小的物质分离开来[1]。医用离心机分高速、中速和低速三大类，每分钟在5000转以下为低速离心机，每分钟在5000转至10000转内为中速离心机，10000转以上为高速离心机[2]。转速是离心机的核心参数，离心效果完全取决于转速，因而对其参数的测量十分必要。检测的方法有多种，目前普遍的检测方法是在转盘上粘贴反射贴，用手持式转速表对准反射贴，待转速表读数稳定后的数值即为离心机的转速。此种检测方法存在以下问题：① 必须开盖检测，一些型号的离心机有安全设置，在开盖的情况下停止转动，无法检测[3]；② 开盖检测在转盘高速旋转的情况下存在安全隐患；③ 开盖检测受到外界环境的影响，容易产生较大误差；④ 手持转速表的稳定性较差，在转盘高速旋转的情况下，无法准确对准反射贴；⑤ 医用离心机为避免污染等原因，不容许开盖。基于以上情况，医用离心机转速的检测必须在盒盖密闭条件下实现。本系统根据霍尔元器件的测速原理与工作过程，采用脉冲计数以及模块化编程的方法，实现了对医用离心机转速精确测量，有效地解决了医用离心机的转速检测问题。
1 设计方案与任务
转盘转速检测系统利用霍尔测速传感器，将所采集的脉冲信号经单片机处理后，通过数据传输最终显示在LCD上。该系统将带有转盘的装置放在测速模块的接入口，将所测数据以脉冲的形式传入到单片机中断系统进行计数，再将所测数据通过无线发射模块进行传输，最后在LCD观察所得到的数据值，为控制装置通过对器件的调节来控制电机的转速提供测量基础[4]。
本系统的主要任务是利用单片机系统实现转盘转速检测功能，并结合现场应用情况，利用无线传输功能实现转盘测量的转速传输至接收端，实现LCD显示，并完成以下设计任务：① 完成转盘转速检测原理设计，利用霍尔传感器完成对转盘转速的采集，选择元器件的型号并搭建电路；② 完成系统软件设计，包括系统主程序、测速模块子程序、定时器/计数器子程序、报警子程序、显示模块子程序；③ 完成数据无线传输功能，实现数据显示功能设计，利用无线传输将检测的转盘转速显示在LCD1602上。
2 系统硬件设计
2.1 总体设计思路
本设计对电机的转速进行研究，采用了数字式的测量方法，以STC89C52单片机为中央控制单元，利用霍尔元器件进行电机转速的测量，然后利用无线发射模块进行数据传输，将实时数据显示在LCD中。其中霍尔测速传感器在整个系统中工作过程为：将电机的同轴转轴与霍尔测速传感器连接起来，电机每转一圈经传感器采集后就会产生相应的脉冲，然后传感器将脉冲传输给单片机主机模块，经单片机的定时/计数器处理后，将实时数据显示在LCD中[5]。
系统的总体设计围绕着核心控制部件STC89C52，由霍尔传感器采集实时的电机转速，再使用显示模块LCD1602的电位器调节电机的转速。整个系统由无线发射传输模块、转速测量模块、核心控制模块、转速显示模块等组成。本设计的最小系统的硬件电路主要包括：晶振电路、复位电路[6]等，并将所用到的硬件元件在电路图中提及。系统核心部分主要包括：被测直流电机、单片机最小系统部分、霍尔传感器模块、Zigbee模块、LCD1602显示模块等。系统框图如图1所示。
图1 系统框图
2.2 电源电路
电源电路作为单片机的供电电路，在整个单片机的运行当中起着至关重要的作用，本设计采用AMS1117系列的稳压器，用于交换式电源5 V至3.3 V线性稳压器，其优点是在最大输出电流时，AMS1117器件的最小压差保证不超过1.3 V，并随负载电流的减小而逐渐降低，片上微调把基准电压调整到1.5%的误差以内，而且电流限制也得到了调整，以尽量减少因稳压器和电源电路超载而造成的压力。STC89C52单片机的工作电压为3.8～5.5 V，因此，AMS1117比较适用于STC89C52单片机的电源电路。单片机的电源电路如图2所示。
图2 电源电路原理图
2.3 单片机系统设计
晶振电路、复位电路等电路组成了单片机的最小系统，一个单片机包含这些主要部件是一个单片机正常操作运行的前提条件。单片机的最小系统是整个测速系统的核心部分。最小系统原理图如图3所示。
图3 单片机最小系统原理图
在时钟电路部分，本系统采用的是内部时钟方式，时钟电路电路图如图3所示，在单片机的XTAL1和XTAL2引脚上外接一个晶振，晶振的频率选择的是11.0592 MHz，再将两个引脚分别接入C2和C3两个电容，C1和C2的值都为22 pF。
在复位电路部分，本次设计采用的按键式手动复位，将按键按下，此时单片机的RST引脚会与电源Vcc接通，通过单片机的RST的引脚接入一个高电平，单片机会进行复位操作。
2.4 测速电路设计
霍尔传感器[7]是利用霍尔效应的原理来进行工作，其具有稳定性好、精度高、宽带高、使用方便、价格便宜、抗干扰能力特别强、能够适应较恶劣的环境因素的优良性能，已被广泛应用于信息技术、测量和计算机等诸多领域[8]。在本系统设计中，选用测量电机转速的3144型号测速传感器。
当电机转动时，带动传感器转动，产生对应频率的脉冲信号，经过信号处理后输出到计数器或其他脉冲计数装置，进行转速测量，霍尔元件在使用时，在垂直于平面方向上施加外电场，在沿平面方向上两端加外电场，则使电子在磁场中运动，结果在器件的两侧面之间产生霍尔电势、其大小与外磁场及电流大小成比例[9]。脉冲间的相互转换如图4所示。
图4 脉冲信号间的相互转换
注：a. 霍尔器件示意图；b. 霍尔器件输出信号；c. 整形后输出信号。
霍尔测速传感器的原理图如图5所示。
图5 霍尔测速传感器的原理图
本系统设计采用了M（测频）法[10]，利用检测采集的脉冲信号频率进行电机转速的检测，将采集的脉冲信号传输到单片机，经过处理后得到了对电机转速测量的实时数据。由于电机的运动是重复的且具有规律，所以所测的转速是利用单位时间内的转轴的转数来衡量的。具体的方法：在电机的转轴的转盘上固定一块永久磁钢，转轴、转盘和磁钢进行同步旋转，在转盘旁安装一个磁钢平行的霍尔元件，当磁钢随转轴与转盘转动时，就会产生磁场，受到磁场的影响，霍尔传感器就会相对应的脉冲信号，此时的脉冲信号的频率随转速的变化而变化，脉冲信号的频率周期与转速成以下关系：
式中S代表电机的转速；M代表电机转一圈的脉冲数；T为输出信号的周期[11]。
2.5 LCD1602显示模块设计
LCD1602是工业型显示屏，可同时显示32个字符，是用来显示数字、符号、字母的点阵型显示模块。为使电路简单，占用的I/O少，因此选择了LCD1602作为显示模块。
本设计的显示模块采用5 V的电源供电，显示模块的引脚7～14引脚接单片机的P0（P0.0～P0.7），控制端口的引脚RD、WR、LCDE分别接入单片机的P2.6、P2.5、P2.7，电源Vcc与电容C8、C9相连接，滑动变阻器起到上下拉电阻的作用，起到了限流与稳定电平的作用。如图6所示。
图6 LCD1602显示模块的引脚示意图
2.6 Zigbee选择与通信模块设计
ZigBee是一种基于IEEE802.15.4规范的无线技术。它具有在802.15.4规范上创建的安全和应用层接口、工作于免授权频段、超低功耗、超低成本、极大可伸缩的网格和星型网络拓扑等诸多优点，是基于标准的远程监控、控制和传感器的短距离、低速率网络应用技术[12]。
本设计中采用DL-20型号的Zigbee模块，主要实现电机测速系统与电脑之间的通信。Zigbee具有完全集成的压控振荡器，只需要天线、16 MHz晶振等极少数外围电路就能在2.4 GHz的频段上工作[13]。
DL-20无线串口透传模块是一款基于UART接口的全双工无线透明传输模块，UART串口传输数据支持串口不间断发送，不限包长，传输速率最高可达3300 Bps，可以工作在2400～2450 MHz公用频段。Zigbee模块上的CC2530芯片提供一个SPI接口与微处理器连接，通过这个接口经过简单的配置即可完成寄存器的设置和收发数据的任务。
Zigbee模块是本设备唯一的通信模块，负责与通信控制器联系，进行数据收发。测得的转速值可以由Zigbee发出，到达显示终端，这样就能实现实时远程监控。实现Zigbee无线发射模块与显示终端之间的通信后，对系统初始化后，串口中断，Zigbee传输数据，在传输完一组完整的数组，就是传输的一个速度值，然后显示在LCD1602上完成实时速度检测[14]。
系统硬件部分及CPU周边电路设计实物照片如图7所示。
3 系统软件设计
本设计将STC89C52单片机作为整个测速系统的核心控制单元，在测速系统初始化后，由单片机所控制的霍尔元器件测速电路对电机的转速进行检测，将所采集的脉冲信号传输给单片机，单片机在接收到该脉冲信号后，经中断系统处理将脉冲信号转换为转速，然后通过无线传输模块（Zigbee）发送到PC机，并将实时数据显示在显示模块的LCD1602显示屏上。系统控制程序设计流程如图8所示[15]。
图7 硬件部分实物图
3.1 单片机外部计数中断程序设计
将霍尔传感器与电动机的转轴同轴连接，转轴每转一圈，霍尔元件就会采集到一定数量的脉冲信号，并由霍尔测速传感器输送到单片机，脉冲信号经过单片机的CPU处理后，最后电机转速在LCD1602液晶显示屏上显示出来。本系统设计使用单片机中断系统中的INT0中断对脉冲信号进行计数，定时器T0的工作于定时模式，工作于方式1，每经过1 s读一次对外部中断的INT0计数值，此时读的计数值即为脉冲信号的频率。电动机转动时通过转轴带动转盘的旋转，此时转轴与转盘处于同一旋转频率，在电机的转轴的转盘上固定一块永久磁片，转轴、转盘和磁片进行同步旋转，在转盘旁安装一个磁片平行的霍尔元件，当磁片随转轴与转盘转动时，就会产生磁场，受到磁场的影响，霍尔传感器就会采集到相对应的脉冲信号，此时的脉冲信号的频率随转速的变化而变化，霍尔传感器采集到的脉冲信号传输到单片机中断系统中的定时/计数器INT0进行计数，定时器T0定时。定时器T0溢出中断100次所用的时间T与所测脉冲数M的比，然后进行单位换算，所得的结果就是电机的旋转速度[16]。单片机外部中断计数流程图如图9所示。
3.2 系统定时器中断设计
霍尔传感器测完转速时，内部定时器T0在有外部中断时便读取TH0、TL0，为了使定时器再次计算脉冲信号，定时器T0要清零；设定各定时器的初始值后，判断系统是否启动进行转速测量，若是，那么测速系统启动进行测速；若否，则系统等待启动。测速系统启动后，定时器接收到霍尔传感器采集的脉冲后，则启动外部中断，接收到一个脉冲信号时，中断一次，以这种方式来记录脉冲个数，同时启动定时器T0工作，定时每秒中断一次，此时得到的脉冲信号的个数就是电机的转速。定时器中断流程如图10所示。
图8 程序设计流程图
图9 外部中断计数流程图
3.3 Zigbee 无线串口的程序设计
Zigbee无线串口模块与PC机配对好以后，给串口一个中断程序，就能实现无线发射模块与PC机之间的通信，将AT命令用于无线串口中，可以使无线串口更加简便。
实现Zigbee无线发射模块与PC机之间的通信后，对系统初始化后，串口中断，Zigbee传输数据，在传输完一组完整的数组，就是传输的一个速度值，然后显示在LCD1602上完成实时速度检测。程序流程图如图11所示。
图10 定时器中断流程图
图11 Zigbee程序流程图
4 系统调试与实验过程
4.1 硬件调试过程
转盘转速检测系统首先要对电机转盘转速检测，通过Zigbee模块传输所测电机的转速，然后LCD1602显示屏上显示数据。在设计思路与方案确定的情况下，然后着手对硬件器件的选择，选择3144霍尔元件、单片机STC89C52、Zigbee模块、LCD1602显示模块等核心的硬件，将各硬件的原理图用Altium Designer软件进行设计，根据电路的简便性、资源的充分利用、各接口的便利度来进行硬件电路的设计，为保证设计的正确性，遵循先局部后全局的原则，先进行单个模块的电路设计，确保单个模块正常工作，再将所有的模块进行设计连线，最后整合到一块进行调试。将系统的原理图生成PCB图，根据PCB图进行硬件的焊接。
在进行硬件电路焊接的时候，首先保证所用元器件的质量的好坏，先对各元件的质量进行检测，在放置元器件的时候，遵循先小后大、先低后高、先易后难的原则进行元件的放置，然后进行焊接，减少焊接的错误率。
4.2 软件调试过程
首先，进行参数的选定，系统采用的是STC89C52芯片的单片机；其次将文件选择生成HEX文件；然后将代码运行确认程序是否正确。若不正确，则逐句调试；若正确，则直接写入系统硬件板，然后检查所实现的功能是否齐全，是否满足要求。
程序检测过程中，主要对主机部分上的错误进行主要检查，重点放在的程序修改上面，系统的程序分为初始化程序，中断程序，延时程序，显示程序，测速程序，主程序。修改完程序后，下载到主机的STC89C52单片机上，给主从机上电后，主机上面有显示了，添加了一个while语句之后才时时更新显示，基本上完成了整个设计。
5 结果验证
按照设计思路，对离心机的转速进行检测验证，验证的方法采用低速2000 r/min、中速5000 r/min、高速10000 r/min分别检测，取检测6次的均值作为一次检测结果，计算转速误差率[17]，并将此结果与计量部门出具的检定证书进行数据验证，验证结果满意，检测数据见表1。
表1 离心机转速检测结果
误差(%)2000 1990 1987 2005 1980 1986 2013 1995 0.25 5000 4997 4998 4980 4994 4990 4989 4991 0.17 10000 9963 1015 9975 9970 9989 9976 9981 0.19设定值测量值 平均值转速(r/min)
6 结论
本系统是集硬件、软件相结合的一体化设计，具有如下优点：① 设计中使用的硬件电路较少，功能实现主要通过C语言编写程序实现，使整个系统具有很好的灵活性，又大大节省了硬件资源；② 测速系统采用霍尔器件作为测速传感器，具有灵敏度高，抗干扰能力强等特点，系统的测量误差在5%以内，并且在测量范围内转速越高测量精度越高，高中低转速检测均稳定可靠；③ 采用LCD1206显示测速值，具有直观、稳定易于实现的特点。
利用本系统对不同型号的医用离心机进行密闭检测读数，并与法定计量技术机构出具的数据验证后表明，该系统检测数据准确、灵敏度高、稳定性好，操作简单，达到了预期设计目的。在后期功能设计中还可以增加报警功能，实现转速超范围时启动蜂鸣器，实现及时报警，方便临检需要。
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