一种磁力搅拌控制器的制作方法

1.本技术涉及实验室用磁力搅拌器领域，尤其是涉及一种磁力搅拌控制器。


背景技术：

2.实验室用磁力搅拌控制器涉及到实验室仪器设备领域，是用于液体混合的实验室仪器，主要用于搅拌或同时加热搅拌低粘稠度的液体或固液混合物，由于设备单价较低，一般都采用直流碳刷电机作为驱动机构，并配以能输出开关信号的hall传感器作为其旋转角速度传感器，由于旋转1周只能输出一个方波信号，角度检测精度低，实时性差，所以在低速下作为速度反馈信号控制运转速度就存在转速不平稳的问题。


技术实现要素：

3.为了实现磁力搅拌控制器在低速运转时的平稳，低脉动，本技术提供一种磁力搅拌控制器。
4.第一方面，本技术提供的一种磁力搅拌控制器采用如下的技术方案：一种磁力搅拌控制器，包括hall开关、rc滤波器、a/d模块、控制模块以及转换输出模块；所述hall开关用于检测接近的目标物体并输出与目标物体运动路径对应的方波信号，所述方波信号内含有初次旋转角速度数据；所述rc滤波器与所述hall开关电连接，用于对所述方波信号进行滤波；所述rc滤波器具有电阻与容值可调的电容器，所述电容器用于调节所述rc滤波器的截止频率，所述rc滤波器输出滤波信号；所述a/d模块与所述rc滤波器以及所述控制模块电连接，用于采集所述滤波信号的电压值，生成滤波数据，将所述滤波数据发送至所述控制模块，所述滤波数据内含有与所述初次旋转角速度数据对应的二次旋转角速度数据；所述控制模块控制连接于所述rc滤波器，并根据预设的角速度提取算法从所述滤波数据中提取出所述二次旋转角速度数据，根据所述二次旋转角速度数据控制所述电容器的容值以使所述电容器每次放电时完全放光电量，每次充电都是从0电平开始充电；所述控制模块根据预设的角频率提取算法从所述二次旋转角速度数据中提取出旋转角频率信号并输出；所述转换输出模块电连接与所述控制模块电连接，用于接收所述旋转角频率信号反相后输出。
5.通过采用上述技术方案，hall开关信号获取代表粗略旋转角速度的方波信号；采用rc滤波器，实现对旋转角速度的方波信号的滤波；采用电阻与容值可调的电容器，在上述的基础上实现rc滤波器的截止频率可变；通过软件算法，根据旋转角速度的方波信号的输出，推算当前周期的开关电容滤波器工作模式，获取能反映时间-位置信息的当前输出信号；通过a/d采样，当前输出信号输入控制模块，控制模块结合rc充放电曲线特性，经软件处理，输出精确的角速度信号；转换输出模块把运算得出的角速度信号，再转化为和hall信号
一样的波形输出。
6.可选的，所述rc滤波器设置为开关电容阵列，开关电容阵列包括电阻器和位移缓存器组成的串并转换电路和开关s1至s16的开关阵列；串并转换电路用于实现把控制算法软件输出的shcp、stcp、data信号转换为对开关阵列的控制信号s1至s16；开关阵列包括电阻器r0和电容器c1至c16组成滤波阵列，以及还包括三极管p1-p16；电阻器r1-r16用于实现开关阵列的开关功能。
7.通过采用上述技术方案，开关电容阵列通过串并转换电路实现对开关s1至s16的开关阵列的控制，从而实现开关电容阵列的电阻值和电容值的可调，从而可以实现rc滤波器的截止频率可调。
8.可选的，所述转换输出模块包括三极管n1，三极管n1的基极通过电阻器r1电连接至控制模块信号f的输出端，三极管n1的发射极接地，三极管n1的集电极通过电阻器r2电连接至直流电源，三极管n1的集电极用于输出hall信号。
9.通过采用上述技术方案，将运算得出的角速度信号f，转化为和hall信号一样的波形输出。
10.第二方面，本技术提供的一种磁力搅拌控制器控制方法采用如下的技术方案：一种磁力搅拌控制器控制方法，使用上述任意一项所述的磁力搅拌控制器，包括以下步骤：步骤一，hall开关检测接近的目标物体并输出与目标物体运动路径对应的方波信号，所述方波信号内含有初次旋转角速度数据；步骤二，rc滤波器与所述hall开关电连接，对所述方波信号进行滤波；所述rc滤波器具有电阻与容值可调的电容器，所述电容器用于调节所述rc滤波器的截止频率，所述rc滤波器输出滤波信号；步骤三，所述a/d模块与所述rc滤波器以及所述控制模块电连接，采集所述滤波信号的电压值，生成滤波数据，将所述滤波数据发送至所述控制模块，所述滤波数据内含有与所述初次旋转角速度数据对应的二次旋转角速度数据；所述控制模块控制连接于所述rc滤波器，并根据预设的角速度提取算法从所述滤波数据中提取出所述二次旋转角速度数据，根据所述二次旋转角速度数据控制所述电容器的容值以使所述电容器每次放电时完全放光电量，每次充电都是从0电平开始充电；所述控制模块根据预设的角频率提取算法从所述二次旋转角速度数据中提取出旋转角频率信号并输出；步骤四，所述转换输出模块电连接与所述控制模块电连接，接收所述旋转角频率信号反相后输出。
11.通过采用上述技术方案，采用hall开关信号获取代表粗略旋转角速度的方波信号；采用rc滤波器，实现对旋转角速度的方波信号的滤波；采用电阻与容值可调的电容器，在上述的基础上实现rc滤波器的截止频率可变；通过软件算法，根据旋转角速度的方波信号的输出，推算当前周期的开关电容滤波器工作模式，获取能反映时间-位置信息的当前输出信号。通过a/d采样，当前输出信号输入控制模块，控制模块结合rc充放电曲线特性，经软件处理，输出精确的角速度信号。转换输出模块把运算得出的角速度信号，再转化为和hall信号一样的波形输出。
12.可选的，步骤二中，所述rc滤波器设置为开关电容阵列，开关电容阵列包括电阻器
和位移缓存器组成的串并转换电路和开关s1至s16的开关阵列；串并转换电路实现把控制算法软件输出的shcp、stcp、data信号转换为对开关阵列的控制信号s1至s16；开关阵列包括电阻器r0和电容器c1至c16组成滤波阵列，以及还包括三极管p1至p16，电阻器r1至r16实现开关阵列的开关功能。
13.通过采用上述技术方案，开关电容阵列通过串并转换电路实现对开关s1至s16的开关阵列的控制，从而实现开关电容阵列的电阻值和电容值的可调，从而可以实现rc滤波器的截止频率可调。
14.可选的，步骤二中，采用开关电容阵列控制算法，其中，控制每次放电都是完全放光，每次充电都是从0电平开始充电。
15.通过采用上述技术方案，开关电容阵列控制算法即临界充放电法，rc滤波器实现对hall输出方波信号充放电，把0或1的信号转换为连续变化的信号。
16.可选的，所述开关电容阵列控制算法：输入变量是前1次t1的实际角速度s1，前2次t2的实际角速度为s2，前3次t3的实际角速度为s3，前4次t4的实际角速度s4，控制模块根据磁力搅拌控制系统的惯性特性并结合测试经验推算算法，估算出当前的可能是角速度s0；然后根据s0，反推rc滤波阵列的截止频率，根据截止频率要求输出控制开关阵列的shcp、stcp、data信号。
17.通过采用上述技术方案，根据磁力搅拌控制系统的惯性特性并结合测试经验推算算法当前角速度，从而反推出rc滤波阵列的截止频率，从而得出控制开关阵列的shcp、stcp、data信号。
18.可选的，步骤二中，当hall处于正半周期时，按照1-exp(-t/rc)计算输出当前工作的角速度；当hall不是处于正半周期时，按照exp(-t/rc)计算输出当前工作的角速度。
19.通过采用上述技术方案，rc滤波器，实现对hall输出方波信号充放电，实现把0或1的信号转换为连续变化的信号。
20.可选的，步骤四中，包括三极管n1，三极管n1的基极通过电阻器r1电连接至控制模块信号f的输出端，三极管n1的发射极接地，三极管n1的集电极通过电阻器r2电连接至直流电源，三极管n1的集电极用于输出hall信号。
21.通过采用上述技术方案，通过软硬件，把软件计算得到的角频率信号f转化为类似hall传感器输出的信号，即f/h转换。
22.综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：利用现有的hall传感器不变，通过电路和软件处理，获取一种能精确测试控制模块旋转角速度的装置，以实现磁力搅拌控制器在低速运转时的平稳，低脉动。
附图说明
23.图1是本技术实施例磁力搅拌控制器hall开关信号的信号图；图2是本技术实施例磁力搅拌控制器控制电路的原理框图；图3是本技术实施例磁力搅拌控制器电容开关阵列的电路图；图4是本技术实施例磁力搅拌控制器控制方法开关电容阵列控制算法的步骤流程图；图5是本技术实施例磁力搅拌控制器控制方法当前工作的角频率计算的步骤流程
图；图6是本技术实施例磁力搅拌控制器f/h转换的电路图。
24.附图标记：1、hall开关；2、rc滤波器；3、a/d模块；4、转换输出模块。
具体实施方式
25.以下结合附图1-6对本技术作进一步详细说明。
26.本技术提供的一种磁力搅拌控制器，参照图1和图2，包括hall开关1、rc滤波器2、a/d模块3、控制模块以及转换输出模块4。控制模块采用单片机。
27.参照图1，hall开关1的原理是：当一块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时，薄片的两端就会产生电位差，这种现象就称为霍尔效应，利用霍尔效应制成的开关为hall开关1。
28.hall开关1根据霍尔效应检测到接近的目标物体，并根据产生的电位差输出方波信号，方波信号与目标物体运动路径对应。方波信号代表粗略旋转角速度的方波信号，其内含有初次旋转角速度数据。
29.参照图2，rc滤波器2，rc滤波器2为一次rc电路，由一个电阻器和一个电容器组成。rc电路广泛应用于模拟电路、脉冲数字电路中，rc并联电路并联在电路中有衰减高频信号的作用,实现滤波。电容器用于调节rc滤波器2的截止频率，rc滤波器2最终输出滤波信号。若电容器的容值可调，则能调节rc滤波器2滤去的波。
30.rc滤波器2与hall开关1并联，实现对方波信号的滤波，以输出波形较平稳的信号。参照图3，本实施例中，为了能够改变rc滤波器2的截止频率，rc滤波器2设为电阻与容值可调的电容器，电容器可以采用容值可变的单个电容器，也可以采用多个并联关系的电容组成电容阵列，控制并联的电容的数量能改变整体的电容值。
31.本实例中采取的原理是将rc滤波器2设置为开关电容阵列。开关电容阵列包括电阻器和位移缓存器组成的串并转换电路和开关s1至s16的开关阵列。位移缓存器采用的是两个串联的74hc595芯片，用于实现把控制算法软件输出的shcp、stcp、data信号通过74hc595芯片转换为0、1信号，从而实现对开关阵列的控制信号s1至s16的控制。开关阵列采用的是四个开关串联后形成一组开关组，形成的四组开关组并联形成4*4的开关阵列。开关阵列包括电阻器r0和电容器c1至c16组成滤波阵列，以及还包括pnp型三极管p1-p16。电阻器r1、电容器c1和一个三极管p1构成一个开关s1，电阻器r1电连接于三极管p1的基极，电容器c1位于三极管p1的发射极，三极管p1的集电极接地。其他的开关s2-s16设置同理，电阻器r1-r16用于实现开关阵列的开关功能。两个串联的74hc595根据shcp（数据输入时钟线）、stcp（输出存储器锁存时钟线）、data信号，控制开关阵列s1至s16的通断，从而实现开关阵列的电阻值和电容值的可调。
32.其中，74hc595芯片是一个8位串行输入、并行输出的位移缓存器，并行输出为三态输出。在sck的上升沿，串行数据由sdl输入到内部的8位位移缓存器，并由q7'输出，而并行输出则是在lck的上升沿将在8位位移缓存器的数据存入到8位并行输出缓存器。当串行数据输入端oe的控制信号为低使能时，并行输出端的输出值等于并行输出缓存器所存储的值。
33.a/d模块3用于将采集到的模拟信号转换成数字信号后输出，rc滤波器2产生开关
控制的模拟信号。a/d模块3与rc滤波器2以及控制模块信号连接。a/d模块3可采用单片机中的a/d转换模块，或者采用现有专门的a/d采样芯片实现。a/d模块3采集rc滤波器2产生的滤波信号的电压值以生成滤波数据，并将滤波数据发送至控制模块。滤波数据内含有与初次旋转角速度数据对应的二次旋转角速度数据。控制模块控制连接于rc滤波器2，并根据预设的角速度提取算法从滤波数据中提取出二次旋转角速度数据。控制模块根据二次旋转角速度数据控制开关电容阵列的电容值以使开关电容阵列每次放电时能完全放光电量，使得每次充电都从0电平开始充电。控制模块根据预设的角频率提取算法从二次旋转角速度数据中提取出旋转角频率信号并输出，角频率提取算法在可为求斜率算法，斜率的乘积因子可为2π。
34.参照图6，为了兼容更多的控制方法，采用f/h转换法，即把运算得出的角速度信号f，再转化为和hall信号一样的波形输出。转换输出模块4与控制模块电连接，先接收经过运算得到的旋转角频率信号，将旋转角频率信号反相后转化为方波输出，其输出为pwm波形，和hall信号相似。
35.转换输出模块4包括npn型三极管n1，三极管n1的基极通过电阻器r1接收控制模块输出的角速度信号f，三极管n1的发射极接地，三极管n1的集电极通过电阻器r2电连接至直流电源，三极管n1的集电极用于输出hall信号。转换输出模块4中三极管n1完成驱动输出的工作，软件信号依靠mcu内部的pwm模块，输出角频率信号f信号，经过电阻r1驱动三极管n1，经过电阻r2反相后，输出方波。
36.本技术一种磁力搅拌控制器的实施原理为：采用hall开关1的信号,从中能够获取需要的方波信号,方波信号代表粗略旋转角速度的方波信号。采用阵列的电容器和电阻器搭建而成的rc滤波器2，其电容值参数可以调节，能够更好的实现对旋转角速度的方波信号的滤波。其原理是采用电阻与容值可调的电容器，在上述的基础上实现rc滤波器2的截止频率可变。通过旋转角速度的方波信号，计算出当前周期的开关电容阵列需要的工作模式，不同的工作模式下，电容值不同。可使用专门的a/d芯片采样出能反映时间与搅拌器位置信息的当前输出信号，再让当前输出信号输入控制模块，控制模块结合rc充放电曲线特性，计算后输出精确的角速度信号。转换输出模块4把运算得出的角速度信号，再转化为和hall信号一样的波形输出。输出频率更高且类似hall信号的方波，从而实现反映的角速度信号更快，更及时。提高搅拌器低速运行的平稳性，让搅拌器能满足低脉动的要求。
37.本技术还公开一种磁力搅拌控制器控制方法：一种磁力搅拌控制器控制方法，使用上述的磁力搅拌控制器，包括以下步骤：步骤一，hall开关1根据霍尔效应检测接近的目标物体，产生电位差的改变，从而输出方波信号，方波信号与目标物体运动路径对应的，其内含有初次旋转角速度数据。
38.步骤二，hall开关1产生的方波信号需要进行滤波，设置有rc滤波器2与hall开关1电连接。且rc滤波器2具有电阻与容值可调的电容器，电容器用于调节rc滤波器2的截止频率，rc滤波器2输出滤波信号。hall开关1的原理是：当一块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时，薄片的两端就会产生电位差，这种现象就称为霍尔效应。
39.步骤二中，为了能够改变rc滤波器2的截止频率，rc滤波器2设为电阻与容值可调的电容器，电容器可以采用容值可变的单个电容器，也可以采用多个并联关系的电容，控制并联的电容的数量，从而达到改变整体电容的效果。本实例中采取的原理是将rc滤波器2设
置为开关电容阵列，开关电容阵列包括电阻器和2个位移缓存器组成的串并转换电路和开关s1至s16的开关阵列。串并转换电路实现把控制算法软件输出的shcp、stcp、data信号转换为对开关阵列的控制信号s1至s16。开关阵列包括电阻器r0和电容器c1至c16组成滤波阵列，以及还包括三极管p1至p16，电阻器r1至r16实现开关阵列的开关功能。位移缓存器采用的是两个串联的74hc595芯片，用于实现把控制算法软件输出的shcp、stcp、data信号转换为对开关阵列的控制信号s1至s16。开关阵列采用的是四个开关串联后形成一组开关组，形成的四组开关组并联形成4*4的开关阵列。开关阵列还包括电阻器r0和电容器c1至c16组成滤波阵列，以及还包括pnp型三极管p1-p16。电阻器r1、电容器c1和一个三极管p1构成一个开关s1，电阻器r1电连接于三极管p1的基极，电容器c1位于三极管p1的发射极，三极管p1的集电极接地。其他的开关s2-s16同理。电阻器r1-r16用于实现开关阵列的开关功能。两个串联的74hc595根据shcp（数据输入时钟线）、stcp（输出存储器锁存时钟线）、data信号，控制开关阵列s1至s16的通断，从而实现开关阵列的电阻值和电容值的可调。
40.步骤二中，采用开关电容阵列控制算法，其中，控制每次放电都是完全放光，每次充电都是从0电平开始充电。开关电容阵列控制算法即临界充放电法，rc滤波器2实现对hall输出方波信号充放电，把0或1的信号转换为连续变化的信号。
41.步骤三，a/d模块3与rc滤波器2以及控制模块电连接，采集滤波信号的电压值，生成滤波数据，将滤波数据发送至控制模块，滤波数据内含有与初次旋转角速度数据对应的二次旋转角速度数据。a/d模块3用于将模拟信号转换成数字信号，rc滤波器2产生开关控制的模拟信号。a/d模块3与rc滤波器2以及控制模块信号连接。a/d模块3可采用单片机中的a/d转换模块，或者采用现有的a/d模块实现。a/d模块3采集rc滤波器2产生的滤波信号的电压值以生成滤波数据，并将滤波数据发送至控制模块。控制模块控制连接于rc滤波器2，并根据预设的角速度提取算法从滤波数据中提取出二次旋转角速度数据，根据二次旋转角速度数据控制电容器的容值以使电容器每次放电时完全放光电量，每次充电都是从0电平开始充电。控制模块根据预设的角频率提取算法从二次旋转角速度数据中提取出旋转角频率信号并输出。
42.步骤四，转换输出模块4与控制模块电连接，用于接收运算得出的旋转角频率信号，然后反相后输出转化为和hall信号一样的波形输出，转换输出模块4包括npn型三极管n1，三极管n1完成驱动输出的工作，软件信号依靠mcu内部的pwm模块，输出角频率信号f信号，经过电阻r1驱动三极管n1，经过电阻r2反相后，输出方波。
43.参照图4，开关电容阵列控制算法：输入变量是前1次t1（t为设定时间周期）的实际角速度s1，前2次t2的实际角速度为s2，前3次t3的实际角速度为s3，前4次t4的实际角速度s4。s4=s3，s3=s4，s2=s1，采样s1；控制模块根据磁力搅拌控制系统的惯性特性并结合测试经验推算算法，估算出当前的可能是角速度s0。然后根据s0计算出rc滤波阵列的截止频率rc值和c，c=2*pi/s0/r，c取整数，pi为π。根据截止频率要求输出控制开关阵列的shcp、stcp、data信号，然后继续进行下一次t内当前角速度的估算。根据磁力搅拌控制系统的惯性特性并结合测试经验推算算法当前角速度，反推出rc滤波阵列的截止频率，从而得出控制开关阵列的shcp、stcp、data信号。
44.参照图5，步骤二中，当hall处于正半周期时，按照公式1-exp(-t/rc)计算输出当前工作的角速度。当hall不是处于正半周期时，按照exp(-t/rc)计算输出当前工作的角速
度。rc滤波器2实现对hall输出方波信号充放电，实现把0或1的信号转换为连续变化的信号。其中，充电过程归一化信号为：1-exp(-t/rc)，放电过程归一化信号为：exp(-t/rc)。输出的信号经过对数运算，计算出当前工作的角频率。
45.参照图6，步骤四中，为了兼容更多的控制习惯，采用f/h转换法，即把运算得出的角速度信号f，再转化为和hall信号一样的波形输出。具体的，转换输出模块4包括npn型三极管n1，三极管n1的基极通过电阻器r1接收控制模块输出的角速度信号f，三极管n1的发射极接地，三极管n1的集电极通过电阻器r2电连接至直流电源，三极管n1的集电极用于输出hall信号。输出类似hall信号的方波，但其频率更高，反映的角速度信号更快，更及时，用于对设备的控制，更能实现低速运行的平稳性，和低脉动的要求。
46.本技术一种磁力搅拌控制器的控制方法的实施原理为：采用hall开关1的信号,从中能够获取需要的方波信号,方波信号代表粗略旋转角速度的方波信号。采用阵列的电容器和电阻器搭建而成的rc滤波器2，其电容值参数可以调节，能够更好的实现对旋转角速度的方波信号的滤波。其原理是采用电阻与容值可调的电容器，在上述的基础上实现rc滤波器2的截止频率可变。根据旋转角速度的方波信号的输出，计算出当前周期的开关电容器需要的工作模式，不同的工作模式下，电容值不同，获取能反映时间-位置信息的当前输出信号。通过a/d芯片采样，当前输出信号输入控制模块，控制模块结合rc充放电曲线特性，经软件处理，输出精确的角速度信号。转换输出模块4把运算得出的角速度信号，再转化为和hall信号一样的波形输出。输出类似hall信号的方波，但其频率更高，反映的角速度信号更快，更及时，用于对设备的控制，更能实现低速运行的平稳性，和低脉动的要求。
47.以上均为本技术的较佳实施例，并非依此限制本技术的保护范围，故：凡依本技术的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本技术的保护范围之内。