摘  要： 設(shè)計(jì)了一種將電能直接轉(zhuǎn)換為磁能的磁力攪拌器。通過單片機(jī)控制L6219DS產(chǎn)生電流時(shí)序,，采用4個(gè)螺旋線圈按照時(shí)序產(chǎn)生8個(gè)方向周期性變化的磁場,，進(jìn)而控制攪拌子的轉(zhuǎn)動(dòng)。由于省略了傳統(tǒng)的機(jī)械部分,，使得磁力攪拌器的厚度降為1 cm,，具有質(zhì)量輕、攪拌速度穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn),。
關(guān)鍵詞： 磁力攪拌器,；螺旋線圈；超薄

　攪拌器是化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的一種常用設(shè)備,，廣泛應(yīng)用于化工,、醫(yī)藥、食品,、涂料,、油漆、環(huán)保,、化妝品等領(lǐng)域,。傳統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)溶液的攪拌多為手動(dòng)操作，不僅耗費(fèi)人力,，還會(huì)造成反應(yīng)溶液攪拌不均勻的現(xiàn)象,，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確,。磁力攪拌器能很好地解決這一問題。磁力攪拌器不但操作簡單,，且可以按照操作人員意愿調(diào)整攪拌速度及攪拌方向,，大大簡化了操作過程，同時(shí)解決了對具有毒性或粘稠性反應(yīng)溶液攪拌困難的難題,。
常規(guī)磁力攪拌器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示[1],。其基本原理是：通過電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)外永磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過磁場的作用,，由外永磁鐵的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)內(nèi)部攪拌子(永磁鐵)的轉(zhuǎn)動(dòng),，進(jìn)而達(dá)到攪拌的目的，即由電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,，再由機(jī)械能轉(zhuǎn)化為磁能,。參考文獻(xiàn)[2]、[3],、[4]所設(shè)計(jì)的磁力攪拌器結(jié)構(gòu)原理也大致與此相同,，其主要特點(diǎn)是都帶有電動(dòng)機(jī)，致使攪拌器的體積較大,。對于便攜式測量儀器,，要求磁力攪拌器厚度較小、質(zhì)量較輕,，而傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法難以實(shí)現(xiàn)這些要求,。
　依據(jù)電磁轉(zhuǎn)換原理，本文設(shè)計(jì)了一種超薄磁力攪拌器,。通過在多個(gè)螺旋線圈中流過不同相位的脈沖電流,，直接產(chǎn)生磁場，帶動(dòng)內(nèi)部攪拌子(永磁鐵)的轉(zhuǎn)動(dòng),，達(dá)到攪拌的目的,，即由電能直接轉(zhuǎn)化為磁能。其優(yōu)點(diǎn)是省去了傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)中間部分,，可以有效地簡化攪拌器的結(jié)構(gòu),、減輕了質(zhì)量，最重要的是可以做到超薄,，從而使磁力攪拌器更好地應(yīng)用于電化學(xué)便攜式檢測系統(tǒng)中,。
1 電磁轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)
　根據(jù)如圖2所示的右手螺旋定則，在螺旋線圈中通過電流后,，螺旋線圈上方將產(chǎn)生N極磁場,，下方將產(chǎn)生S極磁場。如果通過螺旋線圈的電流方向相反，則線圈上下方產(chǎn)生的磁場方向也將改變,。這樣,，通過改變螺旋線圈中流過電流的有無及方向，就可以根據(jù)實(shí)際要求來控制螺旋線圈中磁場的極性,。

　為了使攪拌器的攪拌子平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng),，需要考慮的問題是為攪拌器配置多少個(gè)螺旋線圈，線圈越多越穩(wěn)定,，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜度及控制復(fù)雜度也相應(yīng)提高,。通常可以考慮配置的螺旋線圈方案為：4個(gè),、6個(gè)和8個(gè),，即線圈間的角度分別為90°、60°和45°,。
　本文所設(shè)計(jì)的磁力攪拌器采用4個(gè)螺旋線圈對角線放置,，如圖3所示。其中攪拌子的材質(zhì)為永磁體,，放在攪拌器上面。在圖3中,，把對角線上的兩個(gè)螺旋線圈設(shè)為一組,，即線圈1、3為一組,，2,、4為一組。每組螺旋線圈同時(shí)通有電流,，但電流方向相反,，即在同一時(shí)刻呈現(xiàn)的磁場極性相反。這樣,，分別控制兩組螺旋線圈中電流的通斷及方向,，就可以控制兩組線圈不同時(shí)刻所產(chǎn)生的合成磁場的方向，進(jìn)而控制攪拌子的轉(zhuǎn)動(dòng),。

　設(shè)定攪拌子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)一圈的8個(gè)方向?yàn)椋何鞅?、正北、東北,、正東,、東南、正南,、西南,、正西，如圖4所示,，其中,，N表示螺旋線圈產(chǎn)生的N極磁場,，S表示螺旋線圈產(chǎn)生的S極磁場，*表示沒有磁場,。這樣,，就需要各個(gè)螺旋線圈產(chǎn)生相應(yīng)的磁場極性。

　根據(jù)圖4中螺旋線圈磁場極性的要求,，只要在不同時(shí)刻控制兩組螺旋線圈中電流的有無及方向,，就可以控制兩組螺旋線圈在不同時(shí)刻疊加出不同方向的磁場。兩組螺旋線圈電流的時(shí)序如圖5所示,，其中T(t/s)為攪拌子轉(zhuǎn)動(dòng)一圈的時(shí)間,，I(i/A)為流過線圈的電流值。

2 磁力攪拌器硬件設(shè)計(jì)
2.1 硬件總體結(jié)構(gòu)
　磁力攪拌器的硬件主要由單片機(jī),、驅(qū)動(dòng)電路,、螺旋線圈及電源等四部分組成，其框圖如圖6所示,。其中,，單片機(jī)為硬件結(jié)構(gòu)的核心，采用AT89S51芯片負(fù)責(zé)按鍵的讀取并產(chǎn)生相應(yīng)的電流時(shí)序控制信號(hào),；驅(qū)動(dòng)電路采用L6129DS芯片,，其根據(jù)單片機(jī)的控制信號(hào)輸出相應(yīng)的電流時(shí)序；兩組螺旋線圈根據(jù)流入的電流產(chǎn)生相應(yīng)的磁場,；電源負(fù)責(zé)給單片機(jī)及驅(qū)動(dòng)芯片供電,。

2.2 處理器選型
　處理器選用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S51單片機(jī)。該單片機(jī)是一款低功耗,、高性能的CMOS 8 bit單片機(jī),，內(nèi)含4 KB Flash程序存儲(chǔ)器，128 B的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,，32個(gè)外部雙向輸入/輸出(I/O)口,，5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，兩層嵌套中斷,，兩個(gè)16 bit可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,，兩個(gè)全雙工串行通信口，看門狗(WDT)電路,，片內(nèi)有時(shí)鐘振蕩器,。
　單片機(jī)主要負(fù)責(zé)按鍵的采集，并根據(jù)采集到的信息將相應(yīng)的電流時(shí)序發(fā)送給驅(qū)動(dòng)電路,。單片機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路,、按鍵電路及SPI接口電路的連接如圖7所示。其中，單片機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路通過P2口連接,。

2.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
　本文所設(shè)計(jì)的磁力攪拌器為超薄型,，用于便攜式測量儀的溶液攪拌，反應(yīng)溶液粘稠度較低,。攪拌子的質(zhì)量重為1.95 g,，長為20 mm，半徑為6.58 mm,；所使用的螺旋線圈繞組為0.1 mm的銅絲,、高度為4.5 mm，每個(gè)螺旋線圈繞組外圍半徑為10 mm,。根據(jù)電磁關(guān)系,，要求驅(qū)動(dòng)芯片的輸出電流范圍為300 mA~500 mA。
根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn),，THB6064,、TB6560、TB8435,、L6219DS等幾款電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片均可提供大小及相位可控的電流驅(qū)動(dòng),。根據(jù)螺旋線圈繞組特性(匝數(shù)、材質(zhì),、半徑等),、所要攪拌溶液的粘稠度及燒杯半徑等參數(shù)的變化，需要攪拌子的質(zhì)量,、半徑,、材質(zhì)要相應(yīng)改變,，這樣要求驅(qū)動(dòng)芯片輸出的電流大小也要相應(yīng)地改變,。綜合考慮驅(qū)動(dòng)芯片的輸出電流、控制難易度及性價(jià)比等因素,，本系統(tǒng)選擇L6219DS芯片作為驅(qū)動(dòng)芯片,。
　L6219DS芯片是一個(gè)具有雙極性的集成芯片[5-6]，在單片機(jī)的控制下,，能實(shí)現(xiàn)對具有兩極步進(jìn)電機(jī)繞組的控制和驅(qū)動(dòng),，還可以雙向控制兩個(gè)直流電機(jī)；輸出電流值有167 mA,、333 mA,、500 mA可選，最高可達(dá)到750 mA,；支持10 V~46 V工作電壓,，并含有內(nèi)部溫度過熱保護(hù)電路。該芯片外圍電路簡單，可以很方便地與單片機(jī)連接成一個(gè)電機(jī)控制系統(tǒng),。本系統(tǒng)中,，L6219DS芯片與單片機(jī)的具體管腳連接圖如圖7所示。
　單片機(jī)依據(jù)按鍵的選擇,，通過P2口輸出兩組信號(hào)來控制驅(qū)動(dòng)芯片,。兩組信號(hào)功能相同，每一組信號(hào)用來控制驅(qū)動(dòng)芯片輸出的一組電流大小及電流方向,。對這兩組信號(hào)的控制是相對獨(dú)立的,，其中一組控制信號(hào)對應(yīng)的輸出電流如圖8所示。圖中,，I01,、I11控制驅(qū)動(dòng)芯片L6219DS輸出電流1(OUT1)的大小，PHASE1控制驅(qū)動(dòng)芯片輸出電流1的方向,，即電流的流向?yàn)锳→B或B→A,。驅(qū)動(dòng)芯片產(chǎn)生的兩組電流流過執(zhí)行部分的兩組螺旋線圈，通過兩組線圈磁場的共同疊加,，得到所需的磁場方向,。

3 磁力攪拌器軟件設(shè)計(jì)
3.1 軟件總體設(shè)計(jì)
　軟件采用C語言對單片機(jī)進(jìn)行編程，程序采用模塊化結(jié)構(gòu),。軟件的主要功能：單片機(jī)初始化,、按鍵檢測及螺旋線圈電流時(shí)序的產(chǎn)生。由于可以通過按鍵選擇正轉(zhuǎn),、反轉(zhuǎn),、停止、開始,、加速及減速等工作,，所以需要正確分配主程序及定時(shí)中斷的工作任務(wù)。電流時(shí)序的生成需要比較準(zhǔn)確地定時(shí),，所以這一部分功能由定時(shí)中斷完成,；按鍵檢測采用查詢方式，因此單片機(jī)的初始化,、按鍵處理程序由主程序完成,。主程序與定時(shí)中斷之間通過內(nèi)存變量傳遞攪拌器的工作狀態(tài)，即主程序通過按鍵檢測獲得狀態(tài)信息,，修改對應(yīng)的正(反)轉(zhuǎn)狀態(tài)變量,、停止(運(yùn)行)狀態(tài)變量、加(減)速狀態(tài)變量,。在定時(shí)中斷中,，依據(jù)攪拌器的運(yùn)行狀態(tài),，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，產(chǎn)生對應(yīng)的螺旋線圈電流時(shí)序,。
　需要說明的是,，由于設(shè)定了攪拌器攪拌子的8個(gè)方向，所以在軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)就設(shè)置了對應(yīng)8個(gè)方向的8個(gè)序號(hào)(稱為步伐),，無論是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn),，步伐的定義都不變，只是要根據(jù)正(反)轉(zhuǎn)狀態(tài)變量確定下一步伐是加1還是減1,。
3.2 主程序設(shè)計(jì)
　主程序流程圖如圖9所示,。系統(tǒng)上電后進(jìn)行初始化操作，包括定時(shí)器初值及中斷設(shè)置,。初始化函數(shù)中,，首先設(shè)定定時(shí)器0的定時(shí)時(shí)間，選取最長時(shí)間(即攪拌子轉(zhuǎn)速最慢)為50 ms,；然后,，開全局中斷及定時(shí)器0溢出中斷；最后,，進(jìn)入按鍵采集模塊,，采用無限循環(huán)進(jìn)行鍵盤掃描，并根據(jù)相應(yīng)的輸入鍵值設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志位(加速,、減速,、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn),、停止,、開始)。

3.3 定時(shí)中斷設(shè)計(jì)
　定時(shí)中斷流程圖如圖10所示,。進(jìn)入定時(shí)中斷函數(shù)后,，首先關(guān)中斷，再根據(jù)停止標(biāo)志位判斷停止鍵是否按下,。如果按下,，則調(diào)用停止函數(shù),，攪拌子停止轉(zhuǎn)動(dòng),，并等待開始按鍵；如果停止鍵沒有按下,，則根據(jù)轉(zhuǎn)向標(biāo)志位判斷攪拌子的轉(zhuǎn)向(正轉(zhuǎn),、反轉(zhuǎn))，并設(shè)定下一時(shí)刻攪拌子應(yīng)指向的方向序號(hào)(即流程圖中所示的步伐值),。之后再判斷是否有加速減速操作,，如果有,，則更改相應(yīng)的定時(shí)時(shí)間標(biāo)志位(定時(shí)時(shí)間增加，攪拌子轉(zhuǎn)速慢,；定時(shí)時(shí)間減小,，攪拌子轉(zhuǎn)速快)，并調(diào)用輸出函數(shù)(即控制L6219DS輸出電流),；如果沒有,，則直接調(diào)用輸出函數(shù)。最后,，根據(jù)定時(shí)時(shí)間標(biāo)志位賦給定時(shí)器相應(yīng)的定時(shí)時(shí)間,，并開中斷。

　本文針對現(xiàn)有的通過電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)永磁鐵旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的磁力攪拌器,，設(shè)計(jì)了通過通電螺旋線圈產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的磁力攪拌器,。該磁力攪拌器結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行穩(wěn)定控制靈活方便,，攪拌子轉(zhuǎn)速在150 r/min~1 500 r/min范圍內(nèi)可調(diào),。由于本磁力攪拌器采用電能直接轉(zhuǎn)化為磁能的方式，省去了常規(guī)磁力攪拌器所采用的機(jī)械轉(zhuǎn)化的中間環(huán)節(jié),，使得磁力攪拌器的體積進(jìn)一步減小,，厚度降到1 cm，可以非常方便地應(yīng)用于各種便攜式測量儀器中,。
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