CN203758572U - 数字量输出的液面检测装置 - Google Patents

Abstract

一种数字量输出的液面检测装置，包括一液面检测用的探针及带动该探针运动的样品机械臂，样品机械臂沿X、Y、Z三轴方向运动，其每个轴方向的运动由一个步进电机驱动，该三个轴方向的步进电机受控于三轴电机控制电路，还配设有人机交互按键及一个显示器；一个振荡电路单元，包括一个多谐振荡器；一方波整形电路单元，该方波整形电路单元的输入端与所述振荡电路单元的输出端相连；一个带有定时器模块的控制器，所述人机交互按键及方波整形电路单元的输出端分别接该控制器的输入端；该控制器的输出端接三轴电机控制电路和显示器的输入端。其采用数字量输出的液面检测方式，相比于模拟量的输出，可以省去一系列的放大、滤波等处理过程。

Description

数字量输出的液面检测装置

技术领域

本实用新型属于检测技术与自动化装置技术领域，尤其涉及一种用于食品检测上的液面检测装置。

背景技术

液面检测装置是针对食品检测行业上溶液酸碱性、盐分含量测定等过程检测进行研究的。

食品添加剂随着当代科学技术的进步也在不断地发展。食品添加剂是为改善食品色、香、味等品质，以及为防腐和加工工艺的需要而加入食品中的化合物质或者天然物质。目前我国食品添加剂有23个类别，2000多个品种，包括酸度调节剂、抗结剂、消泡剂、抗氧化剂、漂白剂、膨松剂、着色剂、护色剂、酶制剂、增味剂、营养强化剂、防腐剂、甜味剂、增稠剂、香料等。食品检测内容十分丰富，包括食品营养成分分析，食品中污染物质分析，食品辅助材料及食品添加剂分析，食品感官鉴定等。以下简单介绍从食品中提取相关溶液进行溶液分析时候涉及到的液面检测过程。

一台检测仪的运动控制装置一般由三大部分构成：液压系统、机械系统和控制与检测系统。食品检测仪中液面检测系统中的一组成部分为样品机械臂，其功能是带动液面检测装置所用的探针和滴管运动。样品机械臂能够沿着X、Y、Z三个轴方向自由运动，每个方向的运动由一个步进电机驱动。在样品臂上安装有液面检测用的探针，探针与吸取样品的滴管相接，当探针头与样品溶液接触时，通过液面检测方法产生感应信号，控制系统根据此信号通过S轴步进电机驱动滴管吸取或者分配样品溶液，完成样品采集工作。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种结构简单、成本低廉并且有极高稳定性和准确率的数字量输出的液面检测装置。

为实现上述目的，本实用新型采取以下设计方案：

一种数字量输出的液面检测装置，包括一个液面检测用的探针及带动该探针运动的样品机械臂，所述样品机械臂沿着X、Y、Z三个轴方向运动，其每个轴方向的运动由一个步进电机驱动，该三个轴方向的步进电机受控于三轴电机控制电路，还配设有人机交互按键及一个显示器；其特征在于还包括有：

一个振荡电路单元，包括一个多谐振荡器，该多谐振荡器的输入端与液面检测用的探针相连；

一方波整形电路单元，该方波整形电路单元的输入端与所述振荡电路单元的输出端相连；

一个带有定时器模块的控制器，所述人机交互按键及方波整形电路单元的输出端分别接该控制器的输入端；该控制器的输出端接三轴电机控制电路和显示器的输入端。

所述数字量输出的液面检测装置中，还带有检测指示灯，该检测指示灯的输入接控制器的输出。

所述数字量输出的液面检测装置中，还配有液面检测的声光提示系统。

所述多谐振荡器由一个LM555定时器、第一电阻、第二电阻、第一电容和第二电容组合构成，LM555定时器的电源引脚VCC和复位引脚RST接电源的正极，地线引脚GND接地，控制电压端引脚CON与第二电容连接，第二电容的另一端接地，第一电阻和第二电阻串联，其中第一电阻的另外一个引脚接电源正极，第一电阻和第二电阻共同连接点接LM555定时器的放电端引脚DIS，第二电阻的另一个引脚与第一电容连接，同时与LM555定时器的阀值端引脚THR、触发端TRI引脚和探针相连，第一电容的另一端接地。

所述数字量输出的液面检测装置中，所述控制器采用带有增强型定时器模块ECT的飞思卡尔MC9S12XS128单片机；该MC9S12XS128单片机为嵌入了液面检测算法程序、电机控制程序、按键扫描程序和检测指示灯指示程序的单片机芯片。

所述方波整形电路单元是由非门芯片74HC04构成的一级缓冲电路，该缓冲电路的输出接到MC9S12XS128单片机的ECT脉冲捕捉口。

本实用新型数字量输出的液面检测装置为食品检测仪中的一套接触式液面检测装置，可以进一步应用于医院和临床工程中，比如在血凝仪的工作中涉及到在细窄口径的容器里使用滴管对样品进行吸样和吐样的操作，有了液面检测解决方案可以大大减少取样品量不合适带来的多加或者少加样品造成的浪费等情况的发生。

本实用新型的优点是：

(l)本实用新型采用数字量输出的液面检测方式，相比于模拟量的输出，采取数字量的输出方式可以省去一系列的放大、滤波等处理过程。

(2)该检测装置具有在复杂条件下的液面检测功能，能够在程序算法中进行自动设定阈值，因此能够根据实际情况自动调整是否接触到液面的判断条件，使其具有较高的可靠性和稳定性。

(3)成本较低，相比较于目前同类的检测装置成本低、结构简单，具有广阔的市场前景。

附图说明

图1是本实用新型数字量输出的液面检测装置整体构成原理方框图。

图2是本实用新型一较佳实施例数字量输出的液面检测主部分电路原理图。

图3是本实用新型数字量输出的液面检测装置的程序执行流程图。

图4是自动设定阈值模式程序流程图。

下面结合附图及具体实施例对本实用新型做进一步详细说明：

具体实施方式

参阅图1所示，本实用新型数字量输出的液面检测装置至少应包括有人机交互按键4、三轴电机控制电路5和显示器8，亦可同时配有检测指示灯7、声光提示系统（如采用蜂鸣器语音提示）等。

本实用新型创新点在于：设计一个细长的探针1（任何能导电的材料即可），将探针1与震荡电路2进行电路上的连接，同时将振荡电路2的输出脉冲通过方波整形电路3进行整形后输入到控制器6；所述的控制器6带有增强型定时器模块（ECT），且控制器内部有按键扫描程序、检测指示灯、电机控制程序和显示器程序。

如图1所示，本实用新型数字量输出的液面检测装置中，所述人机交互按键4和方波整形电路3的输出接控制器6的输入，控制器6的输出接检测指示灯7、三轴电机控制电路5和显示器8的输入。

上述方案中，震荡电路单元2，主要包括一个由555定时器构成的多谐振荡器，整个振荡电路仅需要两个电阻（第一电阻R1、第二电阻R2）和两个电容（第一电容C1、第二电容C2），将探针与其中一个决定振荡器输出频率的第一电容C1的引脚相连。该多谐振荡器的输出方波脉冲中含有一系列谐波分量，会导致方波失真，可以通过一个方波整形电路缓冲芯片U374HC04整形后输出标准的方波脉冲，而频率和占空比仍保持不变。555定时器是一种多用途的数字-模拟混合集成电路，利用555定时器能够极方便地构成多谐振荡器，多谐振荡器（Astable Multivibrator）是一种自激振荡器，不需要外加任何触发信号，只要在系统上电后便能够自动地产生方波信号。

控制器6主要采用一带有增强型定时器模块ECT的飞思卡尔MC9S12XS128单片机。单片机的脉冲捕捉口PT7捕捉由方波整形电路整形完毕的方波脉冲，在单片机内部使用中断方式进行判断探针有无接触液面。MC9S12XS128单片机是Freescale公司推出的MC9S12XS系列单片机中的一款增强型16位单片机，MC9S12XS系列单片机是在MC9S12XE系列基础上去掉XGate协处理器的单片机，该系列单片机采用CPU12X的v2内核，可运行在40MHz总线频率上。不仅在汽车电子、工业控制、中高档机电产品等应用领域具有广泛的用途，而且在FLASH存储控制及加密方面也有很强的功能。

在本实用新型数字量输出的液面检测装置设计中使用MC9S12XS128单片机的ECT（Enhanced Capture Timer）模块，即为增强型定时器模块。在MC9S12XS128单片机中ECT模块由以下四部分组成：

(1)有1个16位自由运行计数器；

(2)有8个16位输入捕捉/输出比较通道；

(3)有2个16位脉冲累加器；

(4)有1个16位模数递减计数器MDC。

MC9S12XS128单片机ECT特点：

(1)有4个输入捕捉通道具有16位缓冲（保持）寄存器；

(2)有4个输入捕捉通道具有可选择延迟时间的延迟计数器；

(3)有4个8位脉冲累加器可以通过级联行程2个16位脉冲累加器；

(4)有4位预分频器的模数递减计数器。

所用控制器采用飞思卡尔MC9S12XS128单片机是因为这款芯片为一款增强型的16位单片机，可稳定运行在40MHz总线频率上，可应用与工业控制、汽车电子、中高档机电产品等。在本检测装置中还涉及到电机等一系列检测仪中用到的外围模块，因此控制器选用飞思卡尔MC9S12XS128单片机为较佳方案。

图2示出了本实用新型一较佳实施例数字量输出的液面检测主部分电路原理图。该实施例中对于控制器6采用了型号为MC9S12XS128单片机芯片，该单片机芯片中嵌入了液面检测算法程序、电机控制程序、按键扫描程序、检测指示灯指示程序。该控制器核心部件单片机芯片U1的PT7引脚捕捉方波脉冲信号，通过内部定时器和计数器的协调作用，以完成对任何电解质水溶液液面检测并实现报警的功能。其中，单片机最小系统电路包括了电路原理图中的单片机芯片U1（控制器）、晶振CRY1、按键S1、电容（C3、C4、C5）、电阻（R3、R4、R5）部分。其中晶振CRY1的两个引脚与单片机芯片U1的XTAL和EXTAL管脚相连，同时又与两个电容C4、C5相连，两个电容C4和C5的另一端连接到地，组成了单片机的振荡电路，另外由电路图可见晶振CRY1的两端又与电阻R5连接，因电阻R5能帮助晶振起振。电阻R4的一端与电源正极连接，另一端与单片机芯片U1的RST引脚相连的同时又与电阻R3相连，电阻R3的另一端与按键S1和电容C3相连，按键S1和电容C3的另一端一起接地。单片机芯片U1的VCC引脚接电源正极，GND引脚接地。

参见图2，与单片机芯片U1的PT6引脚相连的有发光二极管LED1，发光二极管LED1另一端与上拉电阻R6相连，该上拉电阻R6的另一端接电源正极。单片机芯片U1的PT5引脚与电阻R7连接，电阻R7与三极管Q1的基极连接，三极管Q1的发射极接电源正极，并且集电极接蜂鸣器Buzzer1，蜂鸣器Buzzer1的另一端接地。发光二极管LED1和蜂鸣器Buzzer1即构成了液面检测的声光提示系统。

参见图2，人机交互接口包括按键S2、S3、S4、S5以及显示器LCD1。其中按键S2、S3、S4、S5分别与电阻R8、R9、R10、R11及单片机芯片U1的管脚PA0、PA1、PA2、PA3连接，按键S2、S3、S4、S5的另一端同时接地，电阻R8、R9、R10、R11的另一端同时接电源正极。显示器LCD1的具体型号可选择为LCD1602，显示器LCD1的两个VCC和两个GND引脚分别接电源正极和地；显示器LCD1的RS引脚接单片机芯片U1的PA5引脚；显示器LCD1的R/W引脚接单片机芯片U1的PA6引脚；显示器LCD1的EN引脚接单片机芯片U1的PA7引脚，此外显示器LCD1的D0～D7引脚分别接单片机芯片U1的PB0～PB7引脚。显示器LCD1在系统正常工作中起到信息输出作用，按键S2～S5用于信息的输入，两者共同实现人机交互功能。

参见图2，本实用新型数字量输出的液面检测装置中实现物理信号和电信号转换功能的电路包括主芯片LM555定时器U2、缓冲芯片U3及与主芯片LM555定时器U2共同构成震荡电路的第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1及第二电容C2。

主芯片LM555定时器U2芯片电源引脚VCC和复位引脚RST引脚接电源正极，地线引脚GND接地，为了防止电源波动干扰，主芯片LM555定时器U2的控制电压端引脚CON与第二电容C2连接，第二电容C2的另一端接地。第一电阻R1和第二电阻R2串联，其中第一电阻R1的另外一个引脚接电源正极，第一电阻R1和第二电阻R2共同连接点接主芯片LM555定时器U2的放电端引脚DIS，第二电阻R2的另一个引脚与第一电容C1连接，同时与主芯片LM555定时器U2的阀值端引脚THR、触发端引脚TRI及探针Probe1相连，第一电容C1的另一端接地。如图2所示，主芯片LM555定时器U2的输出端引脚OUT与缓冲芯片U3的1A引脚连接，同时缓冲芯片U3的4引脚与单片机芯片U1的14引脚连接，这样就能将液面检测的数字信号经过一级缓冲传到单片机芯片U1。

实际工作中，液面检测装置在不同应用环境下所表现出来的初试物理量信号不尽相同，因此进入单片机ECT口的脉冲信号频率也不一样，这个特性与环境温度、湿度等有关。为了在不同环境下能够准确判断液面从而实现检测功能，本实用新型数字量输出的液面检测装置采用的单片机控制器中设计了自动设定阈值和人工设定阈值两种模式，在自动设定阈值失效时，仍可以通过人工方式进行阈值的设定，从而提高了液面检测的准确率。液面检测装置工作流程参考图3，首先系统进行初始化（包括系统时钟初始化、输入输出端口I/O初始化、显示器LCD1初始化等）；接着单片机芯片获取键盘信息，判断是否为人工设定阈值模式，若是，则进入人工设定阈值模式程序，控制器会循环扫描按键信息，待键盘输入好阈值并按下确认键后即完成阈值设定，那么就可进行一系列电机带动探针的动作来完成相应任务，如检测仪的样品采集，人工设定阈值模式的流程图比较简单，现有技术可实现，此处不赘述；若判断为自动设定阈值模式，则控制器会调用自动设定阈值模式程序，具体流程可参考图4，为了能够采集到当前稳定频率值，系统首先等待10秒，然后分10次采集当前探针悬空时候的频率值，并累加到参数F中，待计数器Cnt满10次，则对F求平均值。接着控制器控制电机缓慢下降，在下降过程中仍调用ECT模块获取当前频率值并存到参数Freq中，每测量一次则进行一次计算，判断当前频率Freq与悬空频率F的相对误差，若相对误差超过20%，则判定为探针已触及液面，则控制电机停止，接着通过采集10频率并求其均值来确定出探针接触液面时候的频率值F0并存到单片机芯片内存中。不论通过自动模式还是人工模式均可以确定判断是否触及液面的阈值大小。

本实用新型液面检测的原理是根据探针接触到液面后产生后会产生电容效应，该电容称之为寄生电容。因此考虑到设计一个电容与电阻形成的充放电电路，进而会产生一个数字信号，然后使用单片机进行捕捉。传统的液面检测方法为将寄生电容量转换为直流量然后进行AD采集，进而反过来计算该电容量，众所周知直流量为一模拟量，在电路对模拟量进行处理比较复杂，如涉及到放大、滤波等环节，在进行处理的过程中难免又会引入新的噪声等干扰分量，整个监测系统抗干扰性差、电路复杂、可靠性较差。本实用新型给出的是一种数字量的测量方案，单片机能够直接对该数字量进行处理，省去了一系列复杂的滤波、放大等环节。这里设计了一个由555定时器构成的多谐振荡器，整个振荡电路仅需要两个电阻和两个电容，将探针与其中一个决定振荡器输出频率的电容的引脚相连，若探针接触液面，则探针与液面形成的寄生电容与该电容并联，结果造成整个决定充放电时间的电容值变大，使得振荡器输出的频率下降，整个过程中只需要将该输出的方波脉冲与飞思卡尔MC9S12XS128单片机的ECT捕捉引脚相连，即可在PIT计数中断里进行判断探针是否接触到液面。因为进行判断的方式为中断形式，相比于模拟量形式的液面检测方法，往往对于一款芯片，AD采集的速率普遍不是很高，而基于ECT模块的计数中断的判断方法不会在主程序里进行循环的AD采集和判断，这使得主控制芯片利用率大大提高。加之飞思卡尔MC9S12XS128单片机是一款增强型的16位单片机，可运行在40MHz总线频率上，可以在工业控制、汽车电子、中高档机电产品中广泛应用，本单片机可应用在与液面检测相关设备中实现电机控制、LCD显示输出、键盘输入等功能。基于本实用新型的液面检测方法，可以进一步应用于医院和临床工程中，比如在血凝仪的工作中涉及到在细窄口径的容器里使用滴管对样品进行吸样和吐样的操作，有了液面检测解决方案可以大大减少取样品量不合适带来的多加或者少加样品造成的浪费等情况的发生。

上述各实施例可在不脱离本实用新型的范围下加以若干变化，故以上的说明所包含及附图中所示的结构应视为例示性，而非用以限制本实用新型申请专利的保护范围。

Claims (6)

1.一种数字量输出的液面检测装置，包括一个液面检测用的探针及带动该探针运动的样品机械臂，所述样品机械臂沿着X、Y、Z三个轴方向运动，其每个轴方向的运动由一个步进电机驱动，该三个轴方向的步进电机受控于三轴电机控制电路，还配设有人机交互按键及一个显示器；其特征在于还包括有：

一个振荡电路单元，包括一个多谐振荡器，该多谐振荡器的输入端与液面检测用的探针相连；

一方波整形电路单元，该方波整形电路单元的输入端与所述振荡电路单元的输出端相连；

一个带有定时器模块的控制器，所述人机交互按键及方波整形电路单元的输出端分别接该控制器的输入端；该控制器的输出端接三轴电机控制电路和显示器的输入端。

2.根据权利要求1所述的数字量输出的液面检测装置，其特征在于：还带有检测指示灯，该检测指示灯的输入接控制器的输出。

3.根据权利要求1所述的数字量输出的液面检测装置，其特征在于：还配有液面检测的声光提示系统。

4.根据权利要求1所述的数字量输出的液面检测装置，其特征在于：所述多谐振荡器由一个LM555定时器、第一电阻、第二电阻、第一电容和第二电容组合连接构成，LM555定时器的电源引脚和复位引脚接电源的正极，地线引脚接地，控制电压端引脚与第二电容连接，第二电容的另一端接地，第一电阻和第二电阻串联，其中第一电阻的另外一个引脚接电源正极，第一电阻和第二电阻共同连接点接LM555定时器的放电端引脚，第二电阻的另一个引脚与第一电容连接，同时与LM555定时器的阀值端引脚、触发端引脚和探针相连，第一电容的另一端接地。

5.根据权利要求1所述的数字量输出的液面检测装置，其特征在于：所述控制器采用带有增强型定时器模块ECT的飞思卡尔MC9S12XS128单片机。

6.根据权利要求5所述的数字量输出的液面检测装置，其特征在于：所述方波整形电路单元是由非门芯片74HC04构成的一级缓冲电路，该缓冲电路的输出接到MC9S12XS128单片机的ECT脉冲捕捉口。