一、研究背景
工业注射泵是近年来在制药、环保、罐装、检测等行业广泛使用的一种注射设备[1][2][3]，对于提高上述行业的自动化水平有着重要意义。本课题以一种罐装行业常用的注射泵为对象，设计一种工业注射泵控制系统，实现对工业注射泵的自动控制，满足制药、环保、罐装、检测等行业对工业注射泵设备的需求[4][5][6]。
二、发展历史
在微流体领域，特别是在开发新设备和技术方面，已经有了快速的进步。微流体技术在化学分析和许多生物化学的合成中具有广泛的应用[7]。常见的应用之一是喷墨印刷。表面微加工是一种常见的制造微流体装置的方法[8]。表面显微机械加工的困难在于向微通道注入精确量的液体。注射泵可用于以受控的速率注入这些流体。它们可用于在各种介质（例如高粘度流体，化学品，粘合剂和其他可燃和反应性液体。过去已经设计的注射泵，在医学和药理学领域有许多应用。高性能硅微型泵一次性药物输送系统由Maillefer等人设计[9]。同样，用于输送液体药物的注射泵已由Sanderson等人设计并获得了专利[10]。这两个泵构成了医疗领域中使用的现代泵。注射器还已经开发出泵以在微机电系统上注入光刻胶膜。他们有也被开发用于沉积纳米膜。多种多针筒流动注射分析方法及应用这项技术已由Manuel Mirot等人进行了综述[11]。用于合成Fe2P的可变流速注射泵纳米棒由Park等人设计[12]。注射泵设计面临的问题是解决与所需流量相比，测得流量的差异，导致实际流量的滞后。由于设计不准确以及各个界面处的摩擦压力下降，因此无法计算出数值。Rondelet等人制造了可以用图形显示错误状态的泵。可以采用多种方法控制注射泵以分配所需量的液体。Calcagnini等人讨论了由GSM手机控制的输液泵[13]。当前，用于以精确的流速将流体注入微通道的注射泵已经讨论过了。注射泵由步进电机驱动。一些控制步进电机的方法过去已经讨论过。Fadul设计了一种用于步进电机的低成本MSI控制器来控制步进电机的速度和方向[14]。Fadul和Arnold讨论了步进电机[15]。设计的步进电机由P89V51RD2控制。微控制器，根据所需的流速给出阶跃延迟。这类似于步进器的设计。Qun等人提出的基于AT89c51微控制器的电机控制系统[16]。旋转运动步进电机必须转换为线性运动。必须进行适当的转换设计，以确保系统的平稳运行。通过对运动学的设计优化的详细讨论，以确保平稳运行。该系统已由Varanasi等人提出[17]。在本设计中，旋转运动到线性运动的转换通过使用丝杠机构完成。设计的注射泵经过测试，以水替代各种流体流量。使用精密天平称量在给定时间间隔内注入的流体质量。将实验的结果与预测数值进行了比较。使用Matlab中的Simulink工具箱进行数值分析。发现结果与实验非常吻合。该设计被认为是一种控制精确数量的流体的低成本且有效的解决方案。
三、硬件设计
多通道微量注射泵控制系统主要包括多套注射泵(最多达15套)、上位机、同步控制器及电源等。电源模块提供给注射泵模块(24 V直流)、RS232转Rs485模块及同步控制器所需的控制电源，由于生产现场的电磁环境比较恶劣，电源需要较强的EMI性能口。上位机通过RS232转RS485模块与各单泵通讯，主要完成人机对话和系统监控功能。考虑到生产线比较恶劣的电磁环境，当控制参数通过上位机下载到各注射泵后，上位机可以脱离注射泵系统，此时采用同步控制器同步控制注射泵的工作，根据生产线主机的控制命令，来同步启动或停止多台注射泵，完成多通道液体的同步加注。由于通常的RS232转RS485接口模块在ESD防护方面采取的措施较少，在实际应用中，经常需要用串口进行在线配置，不可避免会进行热插拔或电接触及人体接触，由于串口通信线对电压浪涌特别敏感，仅几十伏的小幅瞬变过程就可以造成电应力过大，使串行端口造成数据丢失。在生产过程中出现过串口损坏、系统不能工作的情况。需要对RS232转RS485接口电路重新设计，采取有源转换，增加光耦隔离及快速瞬态电压抑制保护器，大大减少了ESD对通讯的影响，提高系统的可靠性[18]。
四、软件设计
注射泵控制系统软件包括主控程序和步进电机驱动程序。主控程序用于控制整个系统,步进电机驱动程序用于驱动步进电机。主控程序主要包括初始化模块、自诊断模块、调试模块、键盘处理模块、液晶显示模块、多路数据采集模块、报警处理模块和电源处理模块。初始化模块包括液晶初始化、串行时钟初始化、看门狗初始化和全局参数初始化。自诊断模块完成判断注射泵是否能运行正常,诊断的内容有步进电机能否转动、数据采集模块能否正确采集、压力传感器是否已经安装。调试模块用于系统工作在调试模式而非用户模式时调试整个系统,主要包括关键数据的测量、显示、设置和系统的运行测试。键盘处理模块完成各种输入参数的处理和相应的控制命令的执行。液晶显示用于实时显示注射泵的各种注射参数和运行状态以及控制不同显示界面之间的切换。多路数据采集模块定时采集多路模拟信号和数字信号,并对采集结果进行相应的处理。报警处理模块实现对不同报警信号进行相应的处理,并进行声光报警以提醒用户。电源处理模块主要实现对电池充电进行控制,并对电源供电状况进行指示[19]。
五、ModBus协议
ModBus是MODICON公司于1978年最先倡导的一种通讯规约，经过大多数公司的实际应用，逐渐被认可，成为一种标准的通讯规约，只要按照这种规约进行数据通讯或传输，不同的系统就可以通讯。虽然已经过去了四十多年，但是ModBus协议依然焕发着生命力，免费是一个重要原因，但是它简单可靠的机制更适合工业应用，这才是它长久不衰的原因所在。目前，在RS232/RS485通讯过程中，更是广泛采用这种规约。
