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摘 要 介绍一种小型自动化微量进样系统的设计。该系统由LabVIEW上位机与STC12C5410AD单片机进行串口通信，通过驱动步进电机，带动微量进样器实现通量进样。整个系统体积小、成本低、精度高、操作方便，可有效提高微量样品分析实验的可操作性。
关键词 自动化微量进样系统；STC12C5410AD单片机；步进电机；LabVIEW
中图分类号：TH83 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2015）08-0027-03
Abstract A design of an automatic trace sampling system was introduced. It communicates between STC12C5410AD micro-controller and the LabVIEW based upper program. With specific driving circuit， the stepper motor was operated to drive the micro-sampler in motions of sampling， introducing， cleaning procedure in turns to accomplish throughput sampling. The system is small， cheap， simple and easy to use while the precision is high. It could be widely used under circumstances of trace analyzing with instruments to improve the operability of the experiment.
Key words automatic trace sampling system； STC12C5410AD MCU； stepper motor； LabVIEW
1 引言
随着技术的进步，成分分析仪器已呈现出使用门槛降低、适用范围扩大、检测能力增强的趋势，原本对实验条件有着苛刻要求的微量样品分析检测现在已经能够轻松实现，如质谱仪能够在常压下对痕量样品直接进行定量分析。而针对微量样品，大多数分析仪器并未配备专用的进样装置，进样操作或依靠实验人员手动实现，或依赖于体积庞大的三维位移平台，这对微量样品的检测带来很大不便。因此，设计一种小型的自动化微量进样装置具有重要意义。
本文以LabVIEW设计的上位机控制单片机、驱动步进电机，带动进样模块实现取样—进样，能够有效提高微量样品检测的可操作性，并可实现通量进样，具有结构简单、成本低廉、使用方便的特点。
2 系统总体设计
如图1所示，整个系统由六部分组成：上位机软件用LabVIEW编写，实现人机交互；以STC12C5410AD单片机为核心的主控模块，负责实现产生控制信号及各模块间通信；电机及驱动模块包括步进电机及其驱动电路，用以实现系统的受控运动；微量进样模块包括进样器及其支持结构，用来实现取样和进样；回零模块通过对射式光电传感器来对系统进行回零动作；清洁模块通过振动电机带动毛刷对完成检测后的进样器进行清洁。
3 系统硬件电路设计
主控模块设计 主控模块由供电电路、单片机最小系统及串口通信电路构成。供电电路采用220 V转12 V的开关电源，可直接向电机驱动器供电，通过LM2596降压电路处理后向单片机及对射式光电传感器供电。单片机最小系统采用STC12C5410AD为核心，该型单片机针对电机控制设计，内置四路PWM和MAX810专用复位电路，具有高速、低功耗、抗干扰的特性，体积小、价格低廉，符合小型化和成本控制的要求[1]。串口通信电路以MAX232A芯片为主，实现单片机与PC之间的通信。
电机及驱动模块设计 电机及驱动模块实现电能到机械能的转化，包括步进电机及其驱动电路。步进电机属于数字执行单元，每接收到一个脉冲信号转动一个固定的角度。选取步进电机是由于其具有精度高、无累积误差、不受负载变化影响、能瞬间启动和急速停止的优越特性。但步进电机不能直接通电启动，需要专门的驱动电路提供脉冲方可正常运转。
本设计中采用两相四线制混合式步进电机，内部包含两对绕组，步距角为1.8°，精度可观。驱动电路以THB7128高细分、大功率两相步进电机专用驱动芯片为核心，整个电路可分为供电部分、芯片配置部分、信号隔离部分、细分调节部分和输出电流调节部分[2]，如图2所示。驱动电流输出范围在0～2 A内连续可调，通过拨码开关可实现最高128步细分。
回零模块设计 回零模块由对射式光电传感器及其放大电路组成，实现回零动作。由于运动系统存在惯性、摩擦，步进电机可能出现失步等误差，可能导致进样针的定位出现偏差。通过回零动作，在每次系统上电后对进样针的位置进行标定，能够有效消除误差影响。回零模块位置可通过手动调节至进样位置后通过螺丝锁紧，当系统上电后自动运行，至标定位置处，传感器受到遮挡，输出电平翻转，运动停止，标定完成。其中，由于传感器的输出信号较弱，需经三极管放大后才能由单片机的IO口检测到。
清洁模块设计 在通量进样时，需要对沾有样品的进样器进行清洁，方便再次进样。清洁模块由软毛刷、空心杯振动电机及其控制电路组成，为可拆卸设计，安装在进样模块一侧，具体位置需根据运动方向而定。系统上电但处于静止状态时，单片机通过继电器控制清洁模块开始工作。在进样过程中，直径约1 cm的羊毛材质的软毛刷固定于电机顶端，空心杯振动电机带动软毛刷振动来清洁进样针上沾染的样品。电机供电电压为3 V，通过LM317三端稳压器获得，继电器控制电路在接受到单片机的信号时吸合，控制电机启动。 4 微量进样模块结构设计
传统的进样系统大多采用直线步进电机配合滚珠丝杠，体积庞大，且一次操作只能完成一次进样。本设计采用履带式转动结构，大大缩小了装置体积，降低了成本，并能够实现通量进样。微量进样模块由进样器、传动履带及其支架构成，如图3所示。微量进样的方法中，最为常用、经济的是采用针状结构的装置进行取样、持样、进样，根据文献[3]报道，采用钢针制作的进样针持样量最小可达纳升级，完全可满足大多数实验的要求。
本设计中的进样器由钢针及其夹持结构组成，钢针长度约为5 cm，针尖部分经过在稀盐酸中约半小时的浸泡，可获得纤细而不均匀的尖端，方便收集微量样品。传动履带采用内置钢丝的聚氨酯材质同步带，强度高，无挥发性气味，耐磨耐温性能好，并能抗多种酸碱和有机溶剂腐蚀。同步带内侧有梯形齿槽，与配套的同步轮啮合以保证转动的稳定性。传动履带外侧等距安装固定四个进样器，转动时进样器依次在三个位置之间循环：进样位—清洁位—取样位—进样位。转动方向可根据需要改变，但需同时调整清洁模块的安装位置。
5 系统软件设计
下位机设计 下位机完成四个功能：
1）系统的初始化；
2）系统上电后自动执行回零动作；
3）串口通信；
4）清洁模块控制。
主程序流程如图4所示。
上位机设计 LabVIEW上位机软件实现最顶层的控制：
1）配置串口通信[4]；
2）电机运行速度及运行方向设定；
3）电机启动和停止控制。
在LabVIEW2013平台上编写的上位机程序负责将用户的命令传达至单片机[5]，可方便地控制单片机发出不同频率的脉冲进行10档调速、通过。经过安装后的校准，粗调可使进样器直接转动至下一个工作位置。考虑到不同环境下的需求不同，进样器停止时间不作限制。细调一次使单片机向步进电机发送一个脉冲，用于对进样器位置进行微调。将VI程序封装成为可执行文件后，能够方便地在其他PC上安装并使用。基于LabVIEW编写的上位机程序界面如图5所示。
6 结语
本文设计了一种小型自动化微量进样系统，系统由上位机软件、主控模块、电机及驱动模块、微量进样模块、回零模块和清洁模块六部分组成，能够实现通量进样，体积小、成本低，结构简单，操作方便，控制精度高，在运用分析仪器进行微量样品分析的场合能够广泛应用，大大提高对微量样品检测实验的可操作性。
参考文献
[1]朱兆优.单片机原理与应用：基于STC系列增强型8051单片机[M].2版.北京：电子工业出版社，2012.
[2]陈学军.步进电机细分驱动控制系统的研究与实现[J].电机与控制应用，2006，33（6）：48-50.
[3]王姜，杨水平，鄢飞燕，等.微量果汁中痕量乐果的快速质谱检测[J].分析化学，2010，38（4）：453-457.
[4]陈诚，李言武，葛立峰.基于LabVIEW的单片机串口通信设计[J].现代计算机，2009（1）：198-200.
[5]彭庆华.虚拟仪器软件LabVIEW的串行口通信编程[J].自动化仪表，2002，23（3）：31-33.
关键词 自动化微量进样系统；STC12C5410AD单片机；步进电机；LabVIEW
中图分类号：TH83 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2015）08-0027-03
Abstract A design of an automatic trace sampling system was introduced. It communicates between STC12C5410AD micro-controller and the LabVIEW based upper program. With specific driving circuit， the stepper motor was operated to drive the micro-sampler in motions of sampling， introducing， cleaning procedure in turns to accomplish throughput sampling. The system is small， cheap， simple and easy to use while the precision is high. It could be widely used under circumstances of trace analyzing with instruments to improve the operability of the experiment.
Key words automatic trace sampling system； STC12C5410AD MCU； stepper motor； LabVIEW
1 引言
随着技术的进步，成分分析仪器已呈现出使用门槛降低、适用范围扩大、检测能力增强的趋势，原本对实验条件有着苛刻要求的微量样品分析检测现在已经能够轻松实现，如质谱仪能够在常压下对痕量样品直接进行定量分析。而针对微量样品，大多数分析仪器并未配备专用的进样装置，进样操作或依靠实验人员手动实现，或依赖于体积庞大的三维位移平台，这对微量样品的检测带来很大不便。因此，设计一种小型的自动化微量进样装置具有重要意义。
本文以LabVIEW设计的上位机控制单片机、驱动步进电机，带动进样模块实现取样—进样，能够有效提高微量样品检测的可操作性，并可实现通量进样，具有结构简单、成本低廉、使用方便的特点。
2 系统总体设计
如图1所示，整个系统由六部分组成：上位机软件用LabVIEW编写，实现人机交互；以STC12C5410AD单片机为核心的主控模块，负责实现产生控制信号及各模块间通信；电机及驱动模块包括步进电机及其驱动电路，用以实现系统的受控运动；微量进样模块包括进样器及其支持结构，用来实现取样和进样；回零模块通过对射式光电传感器来对系统进行回零动作；清洁模块通过振动电机带动毛刷对完成检测后的进样器进行清洁。
3 系统硬件电路设计
主控模块设计 主控模块由供电电路、单片机最小系统及串口通信电路构成。供电电路采用220 V转12 V的开关电源，可直接向电机驱动器供电，通过LM2596降压电路处理后向单片机及对射式光电传感器供电。单片机最小系统采用STC12C5410AD为核心，该型单片机针对电机控制设计，内置四路PWM和MAX810专用复位电路，具有高速、低功耗、抗干扰的特性，体积小、价格低廉，符合小型化和成本控制的要求[1]。串口通信电路以MAX232A芯片为主，实现单片机与PC之间的通信。
电机及驱动模块设计 电机及驱动模块实现电能到机械能的转化，包括步进电机及其驱动电路。步进电机属于数字执行单元，每接收到一个脉冲信号转动一个固定的角度。选取步进电机是由于其具有精度高、无累积误差、不受负载变化影响、能瞬间启动和急速停止的优越特性。但步进电机不能直接通电启动，需要专门的驱动电路提供脉冲方可正常运转。
本设计中采用两相四线制混合式步进电机，内部包含两对绕组，步距角为1.8°，精度可观。驱动电路以THB7128高细分、大功率两相步进电机专用驱动芯片为核心，整个电路可分为供电部分、芯片配置部分、信号隔离部分、细分调节部分和输出电流调节部分[2]，如图2所示。驱动电流输出范围在0～2 A内连续可调，通过拨码开关可实现最高128步细分。
回零模块设计 回零模块由对射式光电传感器及其放大电路组成，实现回零动作。由于运动系统存在惯性、摩擦，步进电机可能出现失步等误差，可能导致进样针的定位出现偏差。通过回零动作，在每次系统上电后对进样针的位置进行标定，能够有效消除误差影响。回零模块位置可通过手动调节至进样位置后通过螺丝锁紧，当系统上电后自动运行，至标定位置处，传感器受到遮挡，输出电平翻转，运动停止，标定完成。其中，由于传感器的输出信号较弱，需经三极管放大后才能由单片机的IO口检测到。
清洁模块设计 在通量进样时，需要对沾有样品的进样器进行清洁，方便再次进样。清洁模块由软毛刷、空心杯振动电机及其控制电路组成，为可拆卸设计，安装在进样模块一侧，具体位置需根据运动方向而定。系统上电但处于静止状态时，单片机通过继电器控制清洁模块开始工作。在进样过程中，直径约1 cm的羊毛材质的软毛刷固定于电机顶端，空心杯振动电机带动软毛刷振动来清洁进样针上沾染的样品。电机供电电压为3 V，通过LM317三端稳压器获得，继电器控制电路在接受到单片机的信号时吸合，控制电机启动。 4 微量进样模块结构设计
传统的进样系统大多采用直线步进电机配合滚珠丝杠，体积庞大，且一次操作只能完成一次进样。本设计采用履带式转动结构，大大缩小了装置体积，降低了成本，并能够实现通量进样。微量进样模块由进样器、传动履带及其支架构成，如图3所示。微量进样的方法中，最为常用、经济的是采用针状结构的装置进行取样、持样、进样，根据文献[3]报道，采用钢针制作的进样针持样量最小可达纳升级，完全可满足大多数实验的要求。
本设计中的进样器由钢针及其夹持结构组成，钢针长度约为5 cm，针尖部分经过在稀盐酸中约半小时的浸泡，可获得纤细而不均匀的尖端，方便收集微量样品。传动履带采用内置钢丝的聚氨酯材质同步带，强度高，无挥发性气味，耐磨耐温性能好，并能抗多种酸碱和有机溶剂腐蚀。同步带内侧有梯形齿槽，与配套的同步轮啮合以保证转动的稳定性。传动履带外侧等距安装固定四个进样器，转动时进样器依次在三个位置之间循环：进样位—清洁位—取样位—进样位。转动方向可根据需要改变，但需同时调整清洁模块的安装位置。
5 系统软件设计
下位机设计 下位机完成四个功能：
1）系统的初始化；
2）系统上电后自动执行回零动作；
3）串口通信；
4）清洁模块控制。
主程序流程如图4所示。
上位机设计 LabVIEW上位机软件实现最顶层的控制：
1）配置串口通信[4]；
2）电机运行速度及运行方向设定；
3）电机启动和停止控制。
在LabVIEW2013平台上编写的上位机程序负责将用户的命令传达至单片机[5]，可方便地控制单片机发出不同频率的脉冲进行10档调速、通过。经过安装后的校准，粗调可使进样器直接转动至下一个工作位置。考虑到不同环境下的需求不同，进样器停止时间不作限制。细调一次使单片机向步进电机发送一个脉冲，用于对进样器位置进行微调。将VI程序封装成为可执行文件后，能够方便地在其他PC上安装并使用。基于LabVIEW编写的上位机程序界面如图5所示。
6 结语
本文设计了一种小型自动化微量进样系统，系统由上位机软件、主控模块、电机及驱动模块、微量进样模块、回零模块和清洁模块六部分组成，能够实现通量进样，体积小、成本低，结构简单，操作方便，控制精度高，在运用分析仪器进行微量样品分析的场合能够广泛应用，大大提高对微量样品检测实验的可操作性。
参考文献
[1]朱兆优.单片机原理与应用：基于STC系列增强型8051单片机[M].2版.北京：电子工业出版社，2012.
[2]陈学军.步进电机细分驱动控制系统的研究与实现[J].电机与控制应用，2006，33（6）：48-50.
[3]王姜，杨水平，鄢飞燕，等.微量果汁中痕量乐果的快速质谱检测[J].分析化学，2010，38（4）：453-457.
[4]陈诚，李言武，葛立峰.基于LabVIEW的单片机串口通信设计[J].现代计算机，2009（1）：198-200.
[5]彭庆华.虚拟仪器软件LabVIEW的串行口通信编程[J].自动化仪表，2002，23（3）：31-33.