冷冻离心机研究案例一则
   离心机是将样品进行分离的仪器，广泛应用干生物医学、石油化工、农业、食品卫生等领域，它利用不同物质在离心力场中沉淀速度的差异，实现样品的分析分离。白1836年第一台工业用三足式离心机在德国问世以来．离心机已得到很大发展l1-31。离心机种类繁多，各有特色，正在向提高技术参数、系列化、自动化方向发展，专用品种越来越多 】。本项目所研制的医用低温冷冻离心机．主要用于在低温或室温环境中将溶液中的溶质与溶剂分离。虽然生产厂家较多，但因为低温冷冻离心机在各级医院为常用仪器，市场需求量很大，因此具有很好的应用前景。

     在本文介绍了一种采用计算机控制的立式医用低温冷冻离心机系统的研制。它集显示、交流变频调节、自动化和自我保护等功能于一体。在仪器运行过程中，通过控制变频器和压缩机，对电动机的转速和温度进行自动调节。系统分离效果好，振动小、噪声低，适用于在低温或室温环境中将溶液中的溶质与溶剂分离。

2 系统工作原理

系统的结构框图如图1所示。本系统采用MCS一51单片机系列的89C52， 外扩程序存储器27C256和数据存储器62C64组成控制核心，对样机的显示、键盘输人、数模转换、压缩机的工作状态、电动机的工作状态等功能实现控制。低温离心机箱内的温度传感器将溶液的温度经过模／数转换芯片以电信号的方式传送给单片机，由单片机根据需要来控制电动机转速以达到控制箱内温度的目的。如果离心机箱内溶液温度较之指标温度较高，则压缩机启动，产生制冷效果，降低箱内温度．直到达到设定的标准温度。通过测速系统测出电动机的转速．并与设定转速比较，模数转换模块以输出模拟电压来控制变频器。从而达到控制电动机转速的目的。
 

 

3 系统设计

本系统主要包括计算机控制模块、电动机控制模块、压缩机控制模块、温度测量模块、测速模块、键盘和显示控制模块、定时模块以及仪器的自我保护电路等。

3．1 计算机控制部分该系统控制器采用美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CM0S 8位单片机AT89C52，片内含8 KB的可反复擦写的FIash只读程序存储器和256 B的随机存取数据存储器 (RAM)．因此可以不用外扩存储器。与标准MCS一51指令系统及8052产品引脚兼容，功能强大的AT89C52单片机适合于较为复杂的控制应用场合

3-2 电动机控制模块电动机为三相鼠笼式交流电动机，其转速控制采用交流变频技术，电路原理图如图2所示。DAC0832的输入端接收到来自单片机AT89C52发来的数字信号，通过数模转换将数字信号转换成为模拟信号。由于DAC0832的转换输出模拟量为电流信号，所以，在输出端外接转换电路，将电流信号转换成为稳定的电压输出给变频器，通过改变变频器的频率来控制电动机的转速，直至达到预定的电动机转速。

 

3．3 压缩机控制模块

压缩机控制电流大，不适宜用继电器来控制，因此，采用可控硅来控制压缩机工作。可控硅是一种具有3个PN结的4 层结构的大功率半导体器件，一般由两晶闸管反向连接而成。它的功用不仅是整流，还可以用作无触点开关以快速接通或切断电路。其控制电路通过温度传感器测得离心机箱内溶液温度，如果较之设定指标温度高，则压缩机启动，产生制冷效果，来降低箱内温度，直至达到设定标准温度。

3．4 温度测量模块

温度测量模块用于测量离心机箱内溶液的温度，其电路温度传感器采用美国模拟器件公司生产的AD590，是单片集成的两端感温电流源。AD590输出与测量温度对应的电流信号，通过转换电路将其转成电压信号，再通过模数转换模块ADC0804将其转换成数字信号，送到单片机进行处理，计算出相应的温度值。

3．5 测速模块速度传感器采用3144．应用霍尔效应原理，其输人为磁感应强度，输出是一个脉冲信号，它具有体积小、灵敏度高、响应速度快、精确度高、可靠性高的特点。测速模块的电路如图 5所示。电动机轴上加一个圆盘，上面平均分布了6个小磁钢，每个磁钢经过3144时都会产生一个脉冲，脉冲通过施密特触发器74LS221整形后．送到单片机计数，通过脉冲数的多少就可以计算出电动机转速的大小。

3．6 键盘和显示模块系统采用软面板键盘输入，共设置9个按键：“切换”键用于电动机转速和分离因素之间的切换显示：“开门” 键用于在停机状态下控制门的开合：“LEFr”、“RIGHT” 键用于在参数输入状态时左右移动光标：“设置”键用于将样机置于设置状态，此时除光标在电动机转速显示4位中的第1位，其他数码管均不显示：“UP”键用于各参数值的设定输入(0～9的递增输入)；“确定”键，当正确输入完各参数后应按此键，进行确认； “启动”键，当按下此键后，仪器将开始运行；“停机”键可在任何状态下让系统停止工作。显示采用LED八段数码管，其中温度3位(XXX一10～50 ℃)，时间定时2位(XX 00—99 min)，电动机转速设定(O～8 000 r／min，此时电动机转速指示灯亮；按切换键可显示分离因数，此时分离因素指示灯亮。)另外，当电动机在转动时，还有一位数码管的ABCDEF的各段被顺序点亮，循环不停。

3_7 仪器的自我保护功能仪器具有上电自检功能，失衡报警功能(指示灯亮)，蜂呜器提示功能．压缩机工作状态指示功能(压缩机工作时指示灯亮)。另外，当仪器不处在停机状态时，“开门”键不起作用，即盖门不能打开；当门没有盖好时，“启动”键不起作用，以保护仪器和使用者的安全。

4 实验结果样机在不带转子与带转子2种情况下，转速设定值逐渐提高直到4 000 r／min，测试仪器的平衡性及转速控制部分的功能：分别在电动机低速(500 r／min以下)和高速(3 000 r／min 以上)运转时测试制冷效果；调整仪器到各种极限状态以测试各种保护功能的实现情况。测试结果表明，各种逻辑控制功能和保护功能均已实现，实测转速与设定值误差在要求范围以内，升速减速过程平稳，到达设定转速后电动机运转稳定．仪器平衡性较好，制冷效果较好。

5 结论本仪器电路系统设计采用了自动控制、微电子技术和计算机技术。它具有自适应反馈控制功能，对电动机转速、温度采用闭环控制。在仪器运行过程中，通过控制变频器和压缩机，来实现对电动机的转速和温度进行自动调节。仪器具有上电自检、失衡报警、蜂鸣器提示、压缩机工作状态指示和自动开关门等功能。通过验证，仪器各项功能均已达到设计要求，系统分离效果好，振动小、噪声低，适用于在低温或室温环境中将溶液中的溶质与溶剂分离。