數(shù)字量輸出的液面檢測裝置制造方法【專利摘要】一種數(shù)字量輸出的液面檢測裝置，包括一液面檢測用的探針及帶動該探針運動的樣品機械臂，樣品機械臂沿X、Y、Z三軸方向運動，其每個軸方向的運動由一個步進電機驅(qū)動，該三個軸方向的步進電機受控于三軸電機控制電路，還配設(shè)有人機交互按鍵及一個顯示器；一個振蕩電路單元，包括一個多諧振蕩器；一方波整形電路單元，該方波整形電路單元的輸入端與所述振蕩電路單元的輸出端相連；一個帶有定時器模塊的控制器，所述人機交互按鍵及方波整形電路單元的輸出端分別接該控制器的輸入端；該控制器的輸出端接三軸電機控制電路和顯示器的輸入端。其采用數(shù)字量輸出的液面檢測方式，相比于模擬量的輸出，可以省去一系列的放大、濾波等處理過程?！緦＠f明】數(shù)字量輸出的液面檢測裝置【
技術(shù)領(lǐng)域：
】[0001]本實用新型屬于檢測技術(shù)與自動化裝置【
技術(shù)領(lǐng)域：
】，尤其涉及一種用于食品檢測上的液面檢測裝置?！?br>背景技術(shù)：
】[0002]液面檢測裝置是針對食品檢測行業(yè)上溶液酸堿性、鹽分含量測定等過程檢測進行研究的。[0003]食品添加劑隨著當代科學(xué)技術(shù)的進步也在不斷地發(fā)展。食品添加劑是為改善食品色、香、味等品質(zhì)，以及為防腐和加工工藝的需要而加入食品中的化合物質(zhì)或者天然物質(zhì)。目前我國食品添加劑有23個類別，2000多個品種，包括酸度調(diào)節(jié)劑、抗結(jié)劑、消泡劑、抗氧化劑、漂白劑、膨松劑、著色劑、護色劑、酶制劑、增味劑、營養(yǎng)強化劑、防腐劑、甜味劑、增稠齊U、香料等。食品檢測內(nèi)容十分豐富，包括食品營養(yǎng)成分分析，食品中污染物質(zhì)分析，食品輔助材料及食品添加劑分析，食品感官鑒定等。以下簡單介紹從食品中提取相關(guān)溶液進行溶液分析時候涉及到的液面檢測過程。[0004]一臺檢測儀的運動控制裝置一般由三大部分構(gòu)成:液壓系統(tǒng)、機械系統(tǒng)和控制與檢測系統(tǒng)。食品檢測儀中液面檢測系統(tǒng)中的一組成部分為樣品機械臂，其功能是帶動液面檢測裝置所用的探針和滴管運動。樣品機械臂能夠沿著X、Y、Z三個軸方向自由運動，每個方向的運動由一個步進電機驅(qū)動。在樣品臂上安裝有液面檢測用的探針，探針與吸取樣品的滴管相接，當探針頭與樣品溶液接觸時，通過液面檢測方法產(chǎn)生感應(yīng)信號，控制系統(tǒng)根據(jù)此信號通過S軸步進電機驅(qū)動滴管吸取或者分配樣品溶液，完成樣品采集工作。【
發(fā)明內(nèi)容】[0005]本實用新型的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉并且有極高穩(wěn)定性和準確率的數(shù)字量輸出的液面檢測裝置。[0006]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采取以下設(shè)計方案:[0007]—種數(shù)字量輸出的液面檢測裝置，包括一個液面檢測用的探針及帶動該探針運動的樣品機械臂，所述樣品機械臂沿著X、Y、Z三個軸方向運動，其每個軸方向的運動由一個步進電機驅(qū)動，該三個軸方向的步進電機受控于三軸電機控制電路，還配設(shè)有人機交互按鍵及一個顯示器；其特征在于還包括有:[0008]一個振蕩電路單元，包括一個多諧振蕩器，該多諧振蕩器的輸入端與液面檢測用的探針相連；[0009]一方波整形電路單元，該方波整形電路單元的輸入端與所述振蕩電路單元的輸出端相連；[0010]一個帶有定時器模塊的控制器，所述人機交互按鍵及方波整形電路單元的輸出端分別接該控制器的輸入端；該控制器的輸出端接三軸電機控制電路和顯示器的輸入端。[0011]所述數(shù)字量輸出的液面檢測裝置中，還帶有檢測指示燈，該檢測指示燈的輸入接控制器的輸出。[0012]所述數(shù)字量輸出的液面檢測裝置中，還配有液面檢測的聲光提示系統(tǒng)。[0013]所述多諧振蕩器由一個LM555定時器、第一電阻、第二電阻、第一電容和第二電容組合構(gòu)成，LM555定時器的電源引腳VCC和復(fù)位弓I腳RST接電源的正極，地線弓I腳GND接地，控制電壓端引腳CON與第二電容連接，第二電容的另一端接地，第一電阻和第二電阻串聯(lián)，其中第一電阻的另外一個引腳接電源正極，第一電阻和第二電阻共同連接點接LM555定時器的放電端引腳DIS,第二電阻的另一個引腳與第一電容連接，同時與LM555定時器的閥值端引腳THR、觸發(fā)端TRI引腳和探針相連，第一電容的另一端接地。[0014]所述數(shù)字量輸出的液面檢測裝置中，所述控制器采用帶有增強型定時器模塊ECT的飛思卡爾MC9S12XS128單片機；該109312乂3128單片機為嵌入了液面檢測算法程序、電機控制程序、按鍵掃描程序和檢測指示燈指示程序的單片機芯片。[0015]所述方波整形電路單元是由非門芯片74HC04構(gòu)成的一級緩沖電路，該緩沖電路的輸出接到MC9S12XS128單片機的ECT脈沖捕捉口。[0016]本實用新型數(shù)字量輸出的液面檢測裝置為食品檢測儀中的一套接觸式液面檢測裝置，可以進一步應(yīng)用于醫(yī)院和臨床工程中，比如在血凝儀的工作中涉及到在細窄口徑的容器里使用滴管對樣品進行吸樣和吐樣的操作，有了液面檢測解決方案可以大大減少取樣品量不合適帶來的多加或者少加樣品造成的浪費等情況的發(fā)生。[0017]本實用新型的優(yōu)點是:[0018](I)本實用新型采用數(shù)字量輸出的液面檢測方式，相比于模擬量的輸出，采取數(shù)字量的輸出方式可以省去一系列的放大、濾波等處理過程。[0019](2)該檢測裝置具有在復(fù)雜條件下的液面檢測功能，能夠在程序算法中進行自動設(shè)定閾值，因此能夠根據(jù)實際情況自動調(diào)整是否接觸到液面的判斷條件，使其具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。[0020](3)成本較低，相比較于目前同類的檢測裝置成本低、結(jié)構(gòu)簡單，具有廣闊的市場前景?！緦＠綀D】【附圖說明】[0021]圖1是本實用新型數(shù)字量輸出的液面檢測裝置整體構(gòu)成原理方框圖。[0022]圖2是本實用新型一較佳實施例數(shù)字量輸出的液面檢測主部分電路原理圖。[0023]圖3是本實用新型數(shù)字量輸出的液面檢測裝置的程序執(zhí)行流程圖。[0024]圖4是自動設(shè)定閾值模式程序流程圖。[0025]下面結(jié)合附圖及具體實施例對本實用新型做進一步詳細說明:【具體實施方式】[0026]參閱圖1所示，本實用新型數(shù)字量輸出的液面檢測裝置至少應(yīng)包括有人機交互按鍵4、三軸電機控制電路5和顯示器8，亦可同時配有檢測指示燈7、聲光提示系統(tǒng)(如采用蜂鳴器語音提示)等。[0027]本實用新型創(chuàng)新點在于:設(shè)計一個細長的探針I(yè)(任何能導(dǎo)電的材料即可)，將探針I(yè)與震蕩電路2進行電路上的連接，同時將振蕩電路2的輸出脈沖通過方波整形電路3進行整形后輸入到控制器6;所述的控制器6帶有增強型定時器模塊(ECT)，且控制器內(nèi)部有按鍵掃描程序、檢測指示燈、電機控制程序和顯示器程序。[0028]如圖1所示，本實用新型數(shù)字量輸出的液面檢測裝置中，所述人機交互按鍵4和方波整形電路3的輸出接控制器6的輸入，控制器6的輸出接檢測指示燈7、三軸電機控制電路5和顯不器8的輸入。[0029]上述方案中，震蕩電路單元2，主要包括一個由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器，整個振蕩電路僅需要兩個電阻(第一電阻R1、第二電阻R2)和兩個電容(第一電容Cl、第二電容C2)，將探針與其中一個決定振蕩器輸出頻率的第一電容Cl的引腳相連。該多諧振蕩器的輸出方波脈沖中含有一系列諧波分量，會導(dǎo)致方波失真，可以通過一個方波整形電路緩沖芯片U374HC04整形后輸出標準的方波脈沖，而頻率和占空比仍保持不變。555定時器是一種多用途的數(shù)字-模擬混合集成電路，利用555定時器能夠極方便地構(gòu)成多諧振蕩器，多諧振蕩器(AstableMultivibrator)是一種自激振蕩器，不需要外加任何觸發(fā)信號，只要在系統(tǒng)上電后便能夠自動地產(chǎn)生方波信號。[0030]控制器6主要采用一帶有增強型定時器模塊ECT的飛思卡爾MC9S12XS128單片機。單片機的脈沖捕捉口PT7捕捉由方波整形電路整形完畢的方波脈沖，在單片機內(nèi)部使用中斷方式進行判斷探針有無接觸液面。MC9S12XS128單片機是Freescale公司推出的MC9S12XS系列單片機中的一款增強型16位單片機，MC9S12XS系列單片機是在MC9S12XE系列基礎(chǔ)上去掉XGate協(xié)處理器的單片機，該系列單片機采用CPU12X的v2內(nèi)核，可運行在40MHz總線頻率上。不僅在汽車電子、工業(yè)控制、中高檔機電產(chǎn)品等應(yīng)用領(lǐng)域具有廣泛的用途，而且在FLASH存儲控制及加密方面也有很強的功能。[0031]在本實用新型數(shù)字量輸出的液面檢測裝置設(shè)計中使用MC9S12XS128單片機的ECT(EnhancedCaptureTimer)模塊，即為增強型定時器模塊。在MC9S12XS128單片機中ECT模塊由以下四部分組成:[0032](I)有I個16位自由運行計數(shù)器；[0033](2)有8個16位輸入捕捉/輸出比較通道；[0034](3)有2個16位脈沖累加器；[0035](4)有I個16位模數(shù)遞減計數(shù)器MDC。[0036]MC9S12XS128單片機ECT特點:[0037](I)有4個輸入捕捉通道具有16位緩沖(保持)寄存器；[0038](2)有4個輸入捕捉通道具有可選擇延遲時間的延遲計數(shù)器；[0039](3)有4個8位脈沖累加器可以通過級聯(lián)行程2個16位脈沖累加器；[0040](4)有4位預(yù)分頻器的模數(shù)遞減計數(shù)器。[0041]所用控制器采用飛思卡爾MC9S12XS128單片機是因為這款芯片為一款增強型的16位單片機，可穩(wěn)定運行在40MHz總線頻率上，可應(yīng)用與工業(yè)控制、汽車電子、中高檔機電產(chǎn)品等。在本檢測裝置中還涉及到電機等一系列檢測儀中用到的外圍模塊，因此控制器選用飛思卡爾MC9S12XS128單片機為較佳方案。[0042]圖2示出了本實用新型一較佳實施例數(shù)字量輸出的液面檢測主部分電路原理圖。該實施例中對于控制器6采用了型號為MC9S12XS128單片機芯片，該單片機芯片中嵌入了液面檢測算法程序、電機控制程序、按鍵掃描程序、檢測指示燈指示程序。該控制器核心部件單片機芯片Ul的PT7引腳捕捉方波脈沖信號，通過內(nèi)部定時器和計數(shù)器的協(xié)調(diào)作用，以完成對任何電解質(zhì)水溶液液面檢測并實現(xiàn)報警的功能。其中，單片機最小系統(tǒng)電路包括了電路原理圖中的單片機芯片Ul(控制器)、晶振CRY1、按鍵S1、電容(C3、C4、C5)、電阻(R3、R4、R5)部分。其中晶振CRYl的兩個引腳與單片機芯片Ul的XTAL和EXTAL管腳相連，同時又與兩個電容C4、C5相連，兩個電容C4和C5的另一端連接到地，組成了單片機的振蕩電路，另外由電路圖可見晶振CRYl的兩端又與電阻R5連接，因電阻R5能幫助晶振起振。電阻R4的一端與電源正極連接，另一端與單片機芯片Ul的RST引腳相連的同時又與電阻R3相連，電阻R3的另一端與按鍵SI和電容C3相連，按鍵SI和電容C3的另一端一起接地。單片機芯片Ul的VCC引腳接電源正極，GND引腳接地。[0043]參見圖2，與單片機芯片Ul的PT6引腳相連的有發(fā)光二極管LED1，發(fā)光二極管LEDl另一端與上拉電阻R6相連，該上拉電阻R6的另一端接電源正極。單片機芯片Ul的PT5引腳與電阻R7連接，電阻R7與三極管Ql的基極連接，三極管Ql的發(fā)射極接電源正極，并且集電極接蜂鳴器Buzzerl，蜂鳴器Buzzerl的另一端接地。發(fā)光二極管LEDl和蜂鳴器Buzzerl即構(gòu)成了液面檢測的聲光提示系統(tǒng)。[0044]參見圖2，人機交互接口包括按鍵S2、S3、S4、S5以及顯示器IXDl。其中按鍵S2、S3、S4、S5分別與電阻R8、R9、R10、R11及單片機芯片Ul的管腳PA0、PA1、PA2、PA3連接，按鍵S2、S3、S4、S5的另一端同時接地，電阻R8、R9、R10、R11的另一端同時接電源正極。顯示器IXDl的具體型號可選擇為IXD1602，顯示器IXDl的兩個VCC和兩個GND引腳分別接電源正極和地；顯示器IXDl的RS引腳接單片機芯片Ul的PA5引腳；顯示器IXDl的R/W引腳接單片機芯片Ul的PA6引腳；顯示器IXDl的EN引腳接單片機芯片Ul的PA7引腳，此外顯示器IXDl的DO?D7引腳分別接單片機芯片Ul的PBO?PB7引腳。顯示器IXDl在系統(tǒng)正常工作中起到信息輸出作用，按鍵S2?S5用于信息的輸入，兩者共同實現(xiàn)人機交互功能。[0045]參見圖2，本實用新型數(shù)字量輸出的液面檢測裝置中實現(xiàn)物理信號和電信號轉(zhuǎn)換功能的電路包括主芯片LM555定時器U2、緩沖芯片U3及與主芯片LM555定時器U2共同構(gòu)成震蕩電路的第一電阻R1、第二電阻R2、第一電容Cl及第二電容C2。[0046]主芯片LM555定時器U2芯片電源引腳VCC和復(fù)位引腳RST引腳接電源正極，地線弓I腳GND接地，為了防止電源波動干擾，主芯片LM555定時器U2的控制電壓端引腳CON與第二電容C2連接，第二電容C2的另一端接地。第一電阻Rl和第二電阻R2串聯(lián)，其中第一電阻Rl的另外一個引腳接電源正極，第一電阻Rl和第二電阻R2共同連接點接主芯片LM555定時器U2的放電端引腳DIS,第二電阻R2的另一個引腳與第一電容Cl連接，同時與主芯片LM555定時器U2的閥值端引腳THR、觸發(fā)端引腳TRI及探針Probel相連，第一電容Cl的另一端接地。如圖2所示，主芯片LM555定時器U2的輸出端引腳OUT與緩沖芯片U3的IA引腳連接，同時緩沖芯片U3的4引腳與單片機芯片Ul的14引腳連接，這樣就能將液面檢測的數(shù)字信號經(jīng)過一級緩沖傳到單片機芯片Ul。[0047]實際工作中，液面檢測裝置在不同應(yīng)用環(huán)境下所表現(xiàn)出來的初試物理量信號不盡相同，因此進入單片機ECT口的脈沖信號頻率也不一樣，這個特性與環(huán)境溫度、濕度等有關(guān)。為了在不同環(huán)境下能夠準確判斷液面從而實現(xiàn)檢測功能，本實用新型數(shù)字量輸出的液面檢測裝置采用的單片機控制器中設(shè)計了自動設(shè)定閾值和人工設(shè)定閾值兩種模式，在自動設(shè)定閾值失效時，仍可以通過人工方式進行閾值的設(shè)定，從而提高了液面檢測的準確率。液面檢測裝置工作流程參考圖3，首先系統(tǒng)進行初始化(包括系統(tǒng)時鐘初始化、輸入輸出端口I/O初始化、顯示器LCDl初始化等)；接著單片機芯片獲取鍵盤信息，判斷是否為人工設(shè)定閾值模式，若是，則進入人工設(shè)定閾值模式程序，控制器會循環(huán)掃描按鍵信息，待鍵盤輸入好閾值并按下確認鍵后即完成閾值設(shè)定，那么就可進行一系列電機帶動探針的動作來完成相應(yīng)任務(wù)，如檢測儀的樣品采集，人工設(shè)定閾值模式的流程圖比較簡單，現(xiàn)有技術(shù)可實現(xiàn)，此處不贅述；若判斷為自動設(shè)定閾值模式，則控制器會調(diào)用自動設(shè)定閾值模式程序，具體流程可參考圖4，為了能夠采集到當前穩(wěn)定頻率值，系統(tǒng)首先等待10秒，然后分10次采集當前探針懸空時候的頻率值，并累加到參數(shù)F中，待計數(shù)器Cnt滿10次，則對F求平均值。接著控制器控制電機緩慢下降，在下降過程中仍調(diào)用ECT模塊獲取當前頻率值并存到參數(shù)Freq中，每測量一次則進行一次計算，判斷當前頻率Freq與懸空頻率F的相對誤差，若相對誤差超過20%，則判定為探針已觸及液面，則控制電機停止，接著通過采集10頻率并求其均值來確定出探針接觸液面時候的頻率值FO并存到單片機芯片內(nèi)存中。不論通過自動模式還是人工模式均可以確定判斷是否觸及液面的閾值大小。[0048]本實用新型液面檢測的原理是根據(jù)探針接觸到液面后產(chǎn)生后會產(chǎn)生電容效應(yīng)，該電容稱之為寄生電容。因此考慮到設(shè)計一個電容與電阻形成的充放電電路，進而會產(chǎn)生一個數(shù)字信號，然后使用單片機進行捕捉。傳統(tǒng)的液面檢測方法為將寄生電容量轉(zhuǎn)換為直流量然后進行AD采集，進而反過來計算該電容量，眾所周知直流量為一模擬量，在電路對模擬量進行處理比較復(fù)雜，如涉及到放大、濾波等環(huán)節(jié)，在進行處理的過程中難免又會引入新的噪聲等干擾分量，整個監(jiān)測系統(tǒng)抗干擾性差、電路復(fù)雜、可靠性較差。本實用新型給出的是一種數(shù)字量的測量方案，單片機能夠直接對該數(shù)字量進行處理，省去了一系列復(fù)雜的濾波、放大等環(huán)節(jié)。這里設(shè)計了一個由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器，整個振蕩電路僅需要兩個電阻和兩個電容，將探針與其中一個決定振蕩器輸出頻率的電容的引腳相連，若探針接觸液面，則探針與液面形成的寄生電容與該電容并聯(lián)，結(jié)果造成整個決定充放電時間的電容值變大，使得振蕩器輸出的頻率下降，整個過程中只需要將該輸出的方波脈沖與飛思卡爾MC9S12XS128單片機的ECT捕捉引腳相連，即可在PIT計數(shù)中斷里進行判斷探針是否接觸到液面。因為進行判斷的方式為中斷形式，相比于模擬量形式的液面檢測方法，往往對于一款芯片，AD采集的速率普遍不是很高，而基于ECT模塊的計數(shù)中斷的判斷方法不會在主程序里進行循環(huán)的AD采集和判斷，這使得主控制芯片利用率大大提高。加之飛思卡爾MC9S12XS128單片機是一款增強型的16位單片機，可運行在40MHz總線頻率上，可以在工業(yè)控制、汽車電子、中高檔機電產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用，本單片機可應(yīng)用在與液面檢測相關(guān)設(shè)備中實現(xiàn)電機控制、LCD顯示輸出、鍵盤輸入等功能?；诒緦嵱眯滦偷囊好鏅z測方法，可以進一步應(yīng)用于醫(yī)院和臨床工程中，比如在血凝儀的工作中涉及到在細窄口徑的容器里使用滴管對樣品進行吸樣和吐樣的操作，有了液面檢測解決方案可以大大減少取樣品量不合適帶來的多加或者少加樣品造成的浪費等情況的發(fā)生。[0049]上述各實施例可在不脫離本實用新型的范圍下加以若干變化，故以上的說明所包含及附圖中所示的結(jié)構(gòu)應(yīng)視為例示性，而非用以限制本實用新型申請專利的保護范圍?！緳?quán)利要求】1.一種數(shù)字量輸出的液面檢測裝置，包括一個液面檢測用的探針及帶動該探針運動的樣品機械臂，所述樣品機械臂沿著X、Y、Z三個軸方向運動，其每個軸方向的運動由一個步進電機驅(qū)動，該三個軸方向的步進電機受控于三軸電機控制電路，還配設(shè)有人機交互按鍵及一個顯示器；其特征在于還包括有:一個振蕩電路單元，包括一個多諧振蕩器，該多諧振蕩器的輸入端與液面檢測用的探針相連；一方波整形電路單元，該方波整形電路單元的輸入端與所述振蕩電路單元的輸出端相連；一個帶有定時器模塊的控制器，所述人機交互按鍵及方波整形電路單元的輸出端分別接該控制器的輸入端；該控制器的輸出端接三軸電機控制電路和顯示器的輸入端。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字量輸出的液面檢測裝置，其特征在于:還帶有檢測指示燈，該檢測指示燈的輸入接控制器的輸出。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字量輸出的液面檢測裝置，其特征在于:還配有液面檢測的聲光提不系統(tǒng)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字量輸出的液面檢測裝置，其特征在于:所述多諧振蕩器由一個LM555定時器、第一電阻、第二電阻、第一電容和第二電容組合連接構(gòu)成，LM555定時器的電源引腳和復(fù)位引腳接電源的正極，地線引腳接地，控制電壓端引腳與第二電容連接，第二電容的另一端接地，第一電阻和第二電阻串聯(lián)，其中第一電阻的另外一個引腳接電源正極，第一電阻和第二電阻共同連接點接LM555定時器的放電端引腳，第二電阻的另一個引腳與第一電容連接，同時與LM555定時器的閥值端引腳、觸發(fā)端引腳和探針相連，第一電容的另一端接地。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字量輸出的液面檢測裝置，其特征在于:所述控制器采用帶有增強型定時器模塊ECT的飛思卡爾MC9S12XS128單片機。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的數(shù)字量輸出的液面檢測裝置，其特征在于:所述方波整形電路單元是由非門芯片74HC04構(gòu)成的一級緩沖電路，該緩沖電路的輸出接到MC9S12XS128單片機的ECT脈沖捕捉口?！疚臋n編號】G05B19/042GK203758572SQ201420121029【公開日】2014年8月6日申請日期:2014年3月17日優(yōu)先權(quán)日:2014年3月17日【發(fā)明者】沈卓,廉小親,趙瑾,葉曉劍,段振剛,張曉力申請人:北京工商大學(xué)