CN102692360A - 粉体振实密度仪 - Google Patents

Abstract

粉体振实密度仪，涉及一种密度仪，为了解决现有的奶粉密度计的结构复杂的问题。它的凸轮的中心固定在步进电机的输出轴上，用于带动滑杆产生振动动作；振动头的中心固定在滑杆的顶端；固定架用于支撑滑杆和振动头的连接体悬于凸轮的上方；控制电路的控制信号输出端与光电隔离电路的控制信号输入端连接；光电隔离电路的驱动控制信号输出端与步进电机驱动电路的驱动控制信号输入端连接；步进电机驱动电路用于驱动步进电机工作。本发明用于计量奶粉密度。

Description

粉体振实密度仪

技术领域

本发明涉及一种密度仪。

背景技术

目前国内使用的奶粉密度计基本都是进口产品。进口的奶粉密度计虽然具有结构复杂，导致价格昂贵。对于我国很多中小型乳制品企业，在使用进口奶粉密度计时，很多功能是完全没有必要的，造成了资金的浪费。所以对于我国中小型企业来说，一款结构简单，功能单一，但是足以满足其使用的奶粉密度计是急需的。

发明内容

本发明是为了解决现有的奶粉密度计的结构复杂的问题，从而提供一种粉体振实密度仪。

粉体振实密度仪，它包括振动机构和控制单元，所述振动机构包括步进电机、凸轮、滑杆、振动头和固定架，固定架上开有通孔，步进电机固定在固定架上且其输出轴穿过固定架上的通孔，凸轮的与步进电机的输出轴同轴固定连接；振动头固定在滑杆的顶端；滑杆固定在滑杆套内，所述滑杆套固定在固定架上，滑杆的末端位于凸轮的正上方；凸轮用于驱动滑杆产生沿其轴向的往复振动；

控制单元包括控制电路、光电隔离电路和步进电机驱动电路；控制电路的控制信号输出端与光电隔离电路的控制信号输入端连接；光电隔离电路的驱动控制信号输出端与步进电机驱动电路的驱动控制信号输入端连接；所述步进电机驱动电路用于驱动步进电机工作。

控制电路包括主控制电路和从控制电路，所述主控制电路的主控制信号输出端与从控制电路的主控制信号输入端连接；从控制电路的反馈信号输出端与主控制电路的从控制反馈信号输入端连接，从控制电路控制信号输出端为控制电路的控制信号输出端。

本发明相比于现有的奶粉密度计，其结构简单，且奶粉密度的检测效果与现有的奶粉密度计的效果相当。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；图2是图1的左视图；图3是本发明控制部分的原理示意图；图4是具体实施方式五的电路连接示意图；图5是具体实施方式一中的键盘扫描函数的流程示意图；图6是具体实施方式一中的脉冲发生模块产生的脉冲的波形示意图；图7是具体实施方式一中的脉冲控制流程示意图；图8是具体实施方式一中的加速阶段的控制流程示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图3说明本具体实施方式，粉体振实密度仪，它包括振动机构和控制单元，所述振动机构包括步进电机1、凸轮2、滑杆3、振动头4和固定架5，固定架5上开有通孔，步进电机1固定在固定架5上且其输出轴穿过固定架5上的通孔，凸轮2的与步进电机1的输出轴同轴固定连接；振动头4固定在滑杆3的顶端；滑杆3固定在滑杆套内，所述滑杆套固定在固定架5上，滑杆3的末端位于凸轮2的正上方；凸轮2用于驱动滑杆3产生沿其轴向的往复振动；

控制单元包括控制电路5、光电隔离电路6和步进电机驱动电路7；控制电路5的控制信号输出端与光电隔离电路6的控制信号输入端连接；光电隔离电路6的驱动控制信号输出端与步进电机驱动电路7的驱动控制信号输入端连接；所述步进电机驱动电路7用于驱动步进电机1工作。

工作原理：粉体振实密度仪的主要工作原理是产生振动，将奶粉振实，通过获得振实后奶粉的体积获取奶粉的密度。

本发明采用凸轮1产生振动，步进电机1带动凸轮2旋转时，凸轮2的边缘推动着滑杆3滑动，凸轮2转过一周，从远点到近点，滑杆3将产生一次振动。通过改变点击的转速，就可以改变振动频率。

具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的粉体振实密度仪的区别在于，控制电路5包括主控制电路51和从控制电路52，所述主控制电路51的主控制信号输出端与从控制电路52的主控制信号输入端连接；从控制电路52的反馈信号输出端与主控制电路51的从控制反馈信号输入端连接，从控制电路52控制信号输出端为控制电路5的控制信号输出端。

具体实施方式三、本具体实施方式与具体实施方式一所述的粉体振实密度仪的区别在于，它还包括输入接口8和输出接口9，所述输入接口8的接口信号输出端与主控制电路51的接口信号输入端连接；输出接口9的接口信号输入端与主控制电路51的接口信号输出端连接。

具体实施方式四、本具体实施方式与具体实施方式三所述的粉体振实密度仪的区别在于，输入设备8为键盘。

本实施方式中，可以采用键盘向主控制电路设置工作参数。

具体实施方式五、本具体实施方式与具体实施方式三所述的粉体振实密度仪的区别在于，输出设备8为液晶显示器。

本实施方式中，可以采用液晶显示器显示当前的密度值。

具体实施方式六、本具体实施方式与具体实施方式一所述的粉体振实密度仪的区别在于，主控制电路51和从控制电路52均采用型号是PIC16F877的单片机实现。

具体实施方式七、本具体实施方式与具体实施方式一所述的粉体振实密度仪的区别在于，步进电机驱动电路7采用型号为L297的芯片和L298N的芯片实现。

本实施方式的控制系统采用的主从结构。为了节约成本，本发明不采用市场上的成品步进电机驱动器，而是基于L297/L298芯片自行搭建步进电机驱动器，由于步进电机工作过程中会对地线产生较强的干扰信号，所以本发明采用光耦将控制器和步进电机驱动器之间隔离开。

本实施方式中各部件的功能：

主控制电路：主控制电路51由两块PIC16F877单片机组成，采用主从工作方式，主控制电路51主要负责通过输入设备或输出设备向操作者显示信息以及获取操作者的指令，并且根据操作者的指令调节内部参数，驱动从控制电路52，从控制电路52的用于根据主控制电路51的命令产生脉冲，驱动步进电机1工作。

输入设备8和输出设备9：其主要功能是提高人机交互能力，操作者可以通过液晶屏了解当前工作参数，并且可以通过键盘调节参数。

光电隔离电路6：针对步进电机1运行状态下对电源干扰较大的特点，本发明可以采用双电源供电模式，分别对步进电机驱动电路7与控制电路5、I/O设备进行供电。通过TLP521-2光耦实现两部分之间的信息交换，将控制电路5与步进电机驱动电路7的电源隔开，防止对电源干扰能力较强的步进电机1对电源电压的干扰，以及由此造成的对控制电路的干扰。

步进电机驱动电路7：本发明采用L297/L298组合构成的两相混合式步进电机驱动器，其电路连接如图4所示：

其中L297起到环形分配器的作用，而L298N则作为功率放大器。主控电路只需要产生脉冲时序信号，并将其传输给L297，由L297产生相应的电机驱动信号，并传输给L298N将时序信号放大，进而驱动步进电机。该硬件构成大大的降低了成本，元器件数量较少，结构简单，可靠性较高，节省空间，装配成本低。与单片机配合使用起来，只需要单片机提供脉冲信号及方向信号，能够减轻编程人员工作压力。

软件结构：本发明的软件功能可划分为键盘扫描模块、液晶驱动模块、脉冲发生模块以及程序主体部分等四个功能模块。

1、程序主体：程序主体位于主控制电路中，主要包括两个阶段。阶段一是参数设定阶段主要任务是记录操作者输入的测试参数，并且更新液晶将操作参数反馈给操作者。在收到操作者的启动信号后程序进入阶段二，即：电机运行阶段。在此阶段中，主程序同样调入键盘扫描模块对“开始”、“停止”按钮进行扫描，并且接收由从单片机传回的计数信号，并根据该计数信号对液晶进行更新，以便向操作者反馈电机振动次数。

2、键盘扫描模块

该模块位于主单片机，分为在电机未运行状态下和电机运行状态下两种情况。在电机未运行时需要扫描“换挡”、“拍击次数增加”、“拍击次数减少”、“开始”四个按键。在电机运行状态下，需要扫描“开始”、“暂停”两个按键。这里，为了防止由于仪器振动产生的按键虚接现象，在程序中加入了防抖程序，其程序流程图如图5所示。

3、液晶驱动模块

由于ST7902芯片的带字库12864液晶与单片机之间通信实际上是以一种芯片间并口通信方式进行数据传输，单片机每发以一条指令必然伴随着控制位信号的高低电压变化，进而形成指令流，为了避免每次发送命令重复编写该指令流，本发明为该指令流编写了指令流函数，以便每次发送数据只需要填入8位数据位信息即可，使得程序变得更为简洁明了。

4、脉冲发生模块：该模块位于从单片机中：

A、脉冲生成方式：应用单片机内部的定时器中断模块，采用中断的方式产生脉冲。本发明所使用的PIC16F877单片机中的定时器，根据发送脉冲频率所需设置定时器初值，当程序启动后，定时器开始累加，直至定时器发生溢出时触发中断，改变电位，完成一个脉冲周期。如图6所示，在脉冲周期开始时刻，向定时器中输入初始值，使能位置位，计数开始，为了获得一个比较合理的占空比，在定时器计数过程中，需要软件延时以维持低电平相应时间，在中断触发后，将电平拉高，完成一个脉冲的输出。

B、速度控制方式：由于本仪器采用的是步进电机，而且正常运行速度相对较高，为防止“丢步”，输入的脉冲频率需要以小于最大空载启动频率的某一数值逐渐递增到最大频率，减速过程同理。该仪器的电机运行有三个阶段。分别是电机加速运行阶段、电机匀速运行阶段以及电机减速运行阶段。为了该仪器在启动过程中平稳运行，本发明采用匀加减速方式实现电机加减速过程。

步进电机运动公式：

f＝f₀+at        (1)

$n=n_{0}t+\frac{1}{2}a{t}^2---\left(2\right)$

$n=\frac{f_t^2-f_0^2}{2a}---\left(3\right)$

其中：f₀是初始时刻脉冲频率，

f_t是终止时刻脉冲频率；a是加速度；s是步位移；

由公式(2)可以推出在步进电机转到第x步时所使用的时间为：

$t_x=\frac{\sqrt{f_0^2+2n_{x}a}-f_0}{a}---\left(4\right)$

步进电机转到第x-1步时所使用的时间为：

$t_{x-1}=\frac{\sqrt{f_0^2+2n_{x-1}a}-f_0}{a}---\left(5\right)$

步进电机转过第x-1步所使用的时间为：

$\mathrm{\Δ}{t}_{x-1}=t_x-t_{x-1}=\frac{\sqrt{f_0^2+2n_{x}a}-f_0}{a}-\frac{\sqrt{f_0^2+2n_{x-1}a}-f_0}{a}---\left(6\right)$

其中a可由公式(6)推导获得：

$a=\frac{f_t^2-f_0^2}{2n}---\left(7\right)$

由公式(6)可以获得步进电机转过每一步所使用的时间，而该时间即为定时器所要延时的时间，则定时器初始值应该等于计数总量与Δt_x-1之差。这样，从设定的初始值开始，利用公式(6)和(7)推导出加速阶段每一个脉冲的周期，求取其与计数总量之差，并将其存入一维数组，在每个脉冲启动时存入定时器的寄存器中即可获得加速脉冲。

随着步进电机速度增加，每一个脉冲周期逐渐减少，这里需要相应的调整图3-8中脉冲周期中的delay延时函数，以获得合理的占空比。本发明采用C语言中的switch-case语句，将整个加速阶段脉冲分成若干阶段，为其配置延时不等的delay函数，进而实现了电机的平稳加速过程。当电机完成加速过程，达到最大速度后即可保存定时器初始值不变，使电机维持在最高运行速度。其程序流程图如图7及图8所示。

本发明的主要优点是成本低廉，结构简单，功能灵活，运行可靠，不但能够根据操既定数据控制系统运行，而且还可以方便的根据用户需求扩充相应功能，能够满足中小型乳制品企业的需求。主要的工作参数：振幅：3mm；振动次数：5-995次。

Claims (7)

1.粉体振实密度仪，其特征是：它包括振动机构和控制单元，所述振动机构包括步进电机(1)、凸轮(2)、滑杆(3)、振动头(4)和固定架(5)，固定架(5)上开有通孔，步进电机(1)固定在固定架(5)上且其输出轴穿过固定架(5)上的通孔，凸轮(2)的与步进电机(1)的输出轴同轴固定连接；振动头(4)固定在滑杆(3)的顶端；滑杆(3)固定在滑杆套内，所述滑杆套固定在固定架(5)上，滑杆(3)的末端位于凸轮(2)的正上方；凸轮(2)用于驱动滑杆(3)产生沿其轴向的往复振动；

控制单元包括控制电路(5)、光电隔离电路(6)和步进电机驱动电路(7)；控制电路(5)的控制信号输出端与光电隔离电路(6)的控制信号输入端连接；光电隔离电路(6)的驱动控制信号输出端与步进电机驱动电路(7)的驱动控制信号输入端连接；所述步进电机驱动电路(7)用于驱动步进电机(1)工作。

2.根据权利要求1所述的粉体振实密度仪，其特征在于控制电路(5)包括主控制电路(51)和从控制电路(52)，所述主控制电路(51)的主控制信号输出端与从控制电路(52)的主控制信号输入端连接；从控制电路(52)的反馈信号输出端与主控制电路(51)的从控制反馈信号输入端连接，从控制电路(52)控制信号输出端为控制电路(5)的控制信号输出端。

3.根据权利要求2所述的粉体振实密度仪，其特征在于它还包括输入设备(8)和输出设备(9)，所述输入设备(8)的信号输出端与主控制电路(51)的输入设备信号输入端连接；输出设备(9)的信号输入端与主控制电路(51)的输出设备信号输出端连接。

4.根据权利要求3所述的粉体振实密度仪，其特征在于输入设备(8)为键盘。

5.根据权利要求3所述的粉体振实密度仪，其特征在于输出设备(8)为液晶显示器。

6.根据权利要求4或5所述的粉体振实密度仪，其特征在于主控制电路(51)和从控制电路(52)均采用型号是PIC16F877的单片机实现。

7.根据权利要求6所述的粉体振实密度仪，其特征在于步进电机驱动电路(7)采用型号为L297的芯片和L298N的芯片实现。

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