赵梦军，戴尔晗，徐君，陈诚，马亚男
（南京邮电大学 自动化学院，江苏 南京 210023）
摘要：设计了一种数字旋转式粘度计，分为硬件设计和软件设计。硬件部分主要包括主控板、电机驱动和扭矩测量3个方面；软件部分通过指数加速算法对步进电机进行控制，解决了电机启动时的启动慢和失步等问题。粘度计采用STC90C516RD为核心芯片，负责控制电机的转动以及采集力矩信号并进行数据处理，最终通过液晶显示屏显示出测得的粘度值、转速等信息。提出的数字旋转式粘度计能够简单、直观、精确地测得流体的粘度值。
关键词：粘度计；旋转式；数字；STC90C516RD
0引言
粘度是衡量液体流变特性的一个重要指标，在石油、化工、电力、食品等很多领域， 测定流体的粘度和流动特性至关重要。根据不同的测量原理，粘度测量的主要方法有毛细血管法、落球式、旋转法和振动法。在以上的粘度测量方法中，旋转式粘度计由于具有能够在不同的切变速率下对同种材料进行测量的优点，被广泛应用在牛顿以及非牛顿液体的粘度和流变特性的测量中。目前，单圆筒旋转粘度计的精度大概在5%左右，它的工作原理是：步进电机通过一个经过校验的标准的铍铜合金弹簧（游丝）带动一个浸泡在待测液中的转子持续恒速旋转，弹簧的扭矩大小与转子受到待测液的粘性阻力成正比，因此，可以通过弹簧的扭矩（弹簧形变程度）来测得待测液的粘度值。弹簧受到的扭矩不仅与待测液粘度值成正比，还与转子的转速以及转子的大小成正比。因此，根据待测液的粘度量级可以采用不同的转子转速和转子大小，来确保待测液粘度值在弹簧测量范围内，同时可以提高测量的准确性和精度［12］。
传统的机械式旋转粘度计需要通过刻度盘读出指针对应数字，然后换算成粘度值，这种方法不仅不够简便，误差也相对较大。而数字旋转式粘度计可以通过液晶显示屏直接读取待测液粘度值，不仅简单方便，精确度也相对较高。
1硬件电路设计
本文设计的数字旋转式粘度计的硬件电路主要包括主控板电路、电机驱动电路和扭矩测量电路三个部分。主控板电路负责接收控制信号来控制电机驱动电路，并采集扭矩测量信号，将数据处理后显示在液晶屏上；电机驱动电路负责接收主控板指令，按照指令要求的速度驱动步进电机；扭矩测量电路将扭矩转化为光电信号，并将信号输出给主控板。整个系统的示例性结构示意图如图1所示。
1.1电机驱动电路设计
本文采用步进电机，步进电机是一种将电脉冲信号转化为线位移或角位移的开环控制步进电机。在未超载情况下，步进电机的转速以及其停止的位置只取决于脉冲信号的频率与脉冲数，而与负载大小的变化无关，当步进驱动器收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定好的方向转动一个固定的角度，也就是“步距角”。
电机驱动电路由单片机STC90C52RC、NJU39610D2和NJM3771D2等组成。STC90C52RC单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机。NJU39610D2是一款双7位外加符号的数字模拟转换器（DAC)，特别是在开发中与NJM3771D2一起使用，非常适合步进电机的驱动应用［35］。电机驱动电路图如图2所示。
STC90C52RC是驱动电路的控制中心和数据处理中心，它通过INT0中断口和A13、A14、A15数据口与粘度计主控板相连，来接收主控板命令。P0口为数据输出口，输出步进电机各项绕组的电流和方向，通过定时器T0就能精确控制电机转动的速度和方向。
1.2扭矩测量电路设计
本文粘度计是通过转子在待测液体中转动时游丝的扭转角度来测定的，游丝的扭转角可以通过两个光电开关来测量计算出。光电开关是光电接近开关的简称，它是通过被检测物对光线的反射或遮挡，来检测物体的有无。本文使用槽型光电开关，当凹槽中无遮挡物时，输出高电平，当凹槽中有遮挡物时，输出低电平［6］。光电开关电路原理图如图3所示。
本文采用非接触式平面蜗卷型游丝，使用时，游丝一端固定，一端承受外加扭矩，扭矩大小与游丝形变程度成正比。本文将游丝一端固定在电机转轴上，另一端固定在放入待测液的转子上，并在游丝两端分别安装一个水平遮挡板，当电机转动时，每转一圈两个遮挡板都会各自遮挡一次槽型光耦，只要测得两个挡板经过槽口的时间差，就可计算出扭矩的大小。
1.3主控板电路设计
图4STC90C516最小系统电路图主控板电路以STC90C516为核心芯片，STC90C516是数据处理中心，负责接收按键指令和扭矩测量数据，以及向电机驱动电路发送控制指令和向液晶屏发送显示指令。STC90C516最小系统电路图如图4所示。
主控板采用LM2596S芯片来提供5 V电源。LM2596S芯片是电压调节器，具有降压功能，它的最大输入电压为40 V，输出电压为5 V左右。降压电路如图5所示。
本文按键电路包括6个按键，分别是上下左右方向键和确定键以及复位键。按键电路如图6所示。
本文采用以T6963C为内核的128×64液晶显示屏［7］，显示屏有20个管脚，主控板上设计了一个20口的排孔用来连接液晶显示屏。液晶显示电路图如图7所示。
2系统软件设计
2.1指数加速算法
步进电机在启动时，经常会出现启动缓慢、失步甚至是卡死的现象，这是由于频率越大，电机转矩越小，在电机启动时直接输出最终需要的高频率，就会导致转矩不足以启动电机。为了避免电机启动时的转矩不足，本文采用了指数加速算法，也就是在电机刚启动时输出低频率，然后频率慢慢加大，直到电机达到所需要的速度平稳转动。
指数加速算法是让角速度按照指数曲线变化的一种控制算法，它可以让步进电机启动时角速度按指数曲线慢慢增大，保持电机转矩足够带动负载。指数加速算法如图8所示［8］。
2.2粘度测量程序
粘度测量程序主要包括以下几个程序模块：初始化模块、按键模块、电机驱动模块、光电开关模块、液晶显示模块。程序流程图如图9所示。
粘度测量的重点是测得游丝偏转角度，本文测量两个光电开关被遮挡的时间差，然后只要知道电机转速，就可算出游丝偏转角度，再根据粘度计算公式求得待测液体的粘度值。
3实验结果
本文采用蔗糖水来检验设计出的数字旋转粘度计的可靠性和精度，通过改变蔗糖水的浓度就可以得到多种已知粘度的待测液。不同浓度的蔗糖水在温度为30℃时的粘度标准值如表1所示，其中蔗糖水溶液浓度百分比表示每百克水中蔗糖的克数。表1不同浓度蔗糖水的粘度标准值蔗糖水溶液浓度百分比/%30℃粘度标准值/（mpa·s）201.501302.386404.4055010.186034.07调配好所需浓度的蔗糖水，然后用温度控制器将其温度控制在30℃附近，再使用数字旋转粘度计测量其粘度值。测得的数据记录在下面的表2中。
从表2中可以看出，测量得到的粘度值比标准值略高，这是由于粘度计的系统摩擦力导致的，相对误差基本上在5%以内，本文设计的旋转粘度计具有较高的可靠性和精度。
4结论
本文以STC90C516RD芯片为控制核心，设计了一种数字旋转粘度计，该粘度计能够简单、精确地测得待测液粘度。同时，本设计使用了指数加速算法来启动电机，解决了电机启动时失步、卡死等问题。最后，通过实验验证了设计的粘度计的可靠性和精确度。本系统在粘度测量领域具有一定的理论和研究价值。
参考文献
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