一种实验室离心机自动配平装置及其控制电路的制作方法

本发明属于实验器械配平技术领域，特别涉及一种实验室离心机自动配平装置及其控制电路。

背景技术

实验室离心机是指常在实验室中使用的通过高转速产生离心力，借助不同物质分子所具备的不同分子特性如分子或颗粒体积、质量等，使得固液混合物或者液体混合物中的不同组成成分相互分离的设备。由于混合物中不同物质的状态、密度、颗粒大小不同，各组分受到离心力作用后在离心容器内聚集的位置不同，如悬浊液中固体颗粒发生沉积，乳浊液中不同密度的液体分子发生分层等，从而起到分离不同样本组分的作用。目前实验室用离心机被广泛应用于生物化学、微生物学、免疫学、检验学、遗传学等领域的实验、研究工作当中。目前离心机的精准、安全配平是保证离心机正常工作的重要因素，传统实验室配平装置仍然需要操作人员通过人工追加配平离心管完成配平工作，操作相对不便，而自动配平的离心机则可以简化离心机的使用步骤，更加方便实验人员的操作。

简言之，现有的实验室所用离心机存在缺点如下：1：传统的离心机在进行离心操作时由重心偏移引起离心机失衡的情况时有发生，离心失衡不仅会造成离心机内部转子与外部壳体的碰撞，进而发出巨大响声，还会对离心机的使用寿命造成严重影响。因此，传统离心机在启动前需要人工进行离心管位置或装液量的调整，此过程较为繁琐，浪费时间。2：为了使离心机内相对的两支离心管尽量配平，需在进行离心操作前用电子天平对所配平的离心管进行称量，配比不当的部分需人工进行加液或取液调整，可导致由于操作不当及无法完全配平而造成的实验误差等问题。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的不足，本发明提供一种普遍适用于低、高、超速离心机的各种速度模式并可在一定限度（20g）内自动配平装置及其控制电路，有效地降低配平时间、提高配平精度，降低离心机使用事故的发生和延长离心机使用寿命。

本发明通过以下技术方案予以实现。

一种实验室离心机自动配平装置，它包括转动盘、转轴、配重块、交流驱动电机和固定底座，其中：所述交流驱动电机的转子竖直向上设置于固定底座中，固定底座中还设置有变压器；

所述转轴竖直向上设置于交流驱动电机转子的上方，转轴与交流驱动电机的转子通过联轴器连接，所述转轴包括上段转轴和下段转轴，上段转轴和下段转轴之间设置有连接弹簧，上段转轴的轴线方向相对于下段转轴的轴线方向产生弹性挠度，转轴的外部设置有转轴套筒，转轴套筒的下端面与下段转轴固定连接，上段转轴的上部与转轴套筒的内壁之间设置有上精密弹簧，上段转轴的下部与转轴套筒的内壁之间设置有下精密弹簧，若干精密弹簧的一端沿转轴的圆周方向均匀布置，精密弹簧的另一端与转轴套筒固定连接；在所述固定底座的上方并位于转轴套筒的外部设置有转轴套管，所述下段转轴的下部与转轴套管的内壁之间设置有多通道旋转导电环，所述多通道旋转导电环包括导电内滑环和导电外滑环，所述导电内滑环固定设置在下段转轴的下部，所述导电外滑环与导电内滑环位置相对应地设置于转轴套管的内壁上，导电内滑环外侧壁上由上至下依次设置有两组电机控制内电刷和两组电源线内电刷，导电外滑环的内壁上与两组电机控制内电刷位置对应处设置有两组电机控制外电刷，导电外滑环的内壁上与两组电源线内电刷位置对应处设置有两组电源线外电刷；

所述转动盘设置于转轴套管的上方，转动盘上端面的边缘沿转动盘圆周方向均匀布置有若干离心管置入腔，转动盘的心部设置有单片机，转轴的上端面与转动盘固定连接，转动盘下端面与转轴之间设置有联动开关；转动盘的上端面沿圆周方向均匀布置有若干滑槽，所述配重块设置于滑槽中，配重块的下表面设置有齿条，配重块的下方设置有配重电机，配重电机的转子上设置有与齿条相啮合的齿轮；

所述导电外滑环上的两组电源线外电刷通过导线并联后与变压器电连接，变压器的一端通过导线与交流电源电连接，变压器的另一端通过零火线接地，所述导电外滑环上的两组电机控制外电刷的信号输入端与单片机的信号输出端电连接，两组电机控制外电刷的信号输出端与交流驱动电机的信号输入端电连接；所述联动开关的信号输出端与单片机的信号输入端电连接，单片机的信号输出端与配重电机的信号输入端电连接。

进一步地，所述联动开关包括导电毛刷、导电条、固定臂和导电针，导电针设置于上精密弹簧靠近转轴套筒一侧的1/4位置处，导电毛刷安装于导电条的下方，导电条设置于上精密弹簧的上方并通过固定臂安装于上精密弹簧上，导电条的外端部与上精密弹簧的外端部电连接。

进一步地，所述离心管置入腔的轴线方向与转轴的轴线方向之间所呈的锐角夹角为60度。

一种实验室离心机自动配平装置的控制电路，所述控制电路包括单片机、时钟电路、复位电路和配重电机电路；

单片机的p0、p1、p2、p3端口为通用输入/输出并行口，其中：

p0.0引脚和p0.1引脚分别与用于提示操作者配重电机工作状态的配重电机正反转显示器电连接，p0.0引脚与d1正转显示灯电连接，p0.1引脚与d2反转显示灯电连接；

p1.0至p1.3引脚与所述配重电机电路电连接，配重电机电路包括u2配重电机驱动模块、u3配重电机驱动模块和u4配重电机驱动模块，u2配重电机驱动模块、u3配重电机驱动模块和u4配重电机驱动模块分别与配重电机电连接，u2配重电机驱动模块与对应的配重电机连接的导线上设置有d4指示灯、d5指示灯、d6指示灯和d7指示灯，u3配重电机驱动模块与对应的配重电机连接的导线上设置有d8指示灯、d9指示灯、d10指示灯和d11指示灯，u4配重电机驱动模块与对应的配重电机连接的导线上设置有d12指示灯、d13指示灯、d14指示灯和d15指示灯，所述配重电机正转时d4指示灯至d15指示灯从左往右依次亮起，配重电机反转时d4指示灯至d15指示灯从右到左依次亮起；

p2.0至p2.3引脚与控制主控离心机模块电连接，主控离心机模块通过导线与交流驱动电机电连接，主控离心机模块与交流驱动电机连接的导线上设置有d16指示灯、d17指示灯、d18指示灯和d19指示灯；

p3.0至p3.2引脚与电机启动转动按钮k1连接；

复位电路：在所述复位电路中，导线的一端与单片机的rst复位引脚电连接，复位电路导线的另一端与单片机的引脚电连接，复位电路两端的导线之间安装有c3电解电容器；所述复位电路中还安装有复位开关和r0电阻，c3电解电容器一端与单片机的5v供电端连接；

时钟电路：在所述时钟电路中，导线的一端与单片机的xtal1引脚电连接，导线的另一端与单片机的xtal2引脚电连接，靠近所述xtal1引脚一侧的导线上安装有c1电容器，靠近所述xtal2引脚一侧的导线上安装有c2电容器，靠近xtal1引脚一侧的导线与靠近xtal2引脚一侧的导线之间设置有x1晶体振荡器，c1电容器和c2电容器的另一端与单片机的gnd引脚电连接。

进一步地，所述单片机的引脚用于访问程序储存控制信号，其中“0”表示：仅访问外部程序储存器，“1”表示：从内部程序储存器开始访问，并可延续至外部程序储存器。要使单片机系统正常工作，须将接高电平，使单片机能将下载到内部的程序读出并执行。

进一步地，所述单片机上还设置有用于与外部rom读选通信号连接的引脚和用于与地址锁存控制信号连接的ale引脚。

进一步地，所述单片机的型号为mcs-51型单片机。

与现有技术相比本发明的有益效果为：

1.利用开机后一段时间的测试阶段来自动配平，节省了时间和人力。

2.通过低速测试阶段的三根精密弹簧的微小形变来实现配平，用配重条的移动来弥补转动盘各方向上质量的细微差异。将主轴定位于主轴腔重心，具有高度的精确性。

附图说明

图1为本发明整体主视剖视结构示意图。

图2为图1的俯视结构示意图。

图3为图1中联动开关部分局部放大结构示意图。

图4为多通道旋转导电环局部装配放大结构示意图。

图5为控制电路电路图。

图6为图5中单片机局部放大电路图。

图7为图5中配重电机正反转显示器局部放大电路图。

图8为图5中配重电机电路局部放大电路图。

图9为图5中控制主控离心机模块局部放大电路图。

图10为图5中时钟电路和复位电路局部放大电路图。

图11为图5中k1正转按钮局部放大电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1至图4所示的一种实验室离心机自动配平装置，它包括转动盘1.2、转轴1.13、配重块1.4、交流驱动电机1.19和固定底座1.14，其中：所述交流驱动电机1.19的转子竖直向上设置于固定底座1.14中，固定底座中还设置有变压器1.15；

所述转轴1.13竖直向上设置于交流驱动电机1.19转子的上方，转轴1.13与交流驱动电机1.19的转子通过联轴器1.18连接，所述转轴1.13包括上段转轴1.13.1和下段转轴1.13.2，上段转轴1.13.1和下段转轴1.13.2之间设置有连接弹簧1.12，上段转轴1.13.1的轴线方向相对于下段转轴1.13.2的轴线方向产生弹性挠度，转轴1.13的外部设置有转轴套筒1.10，转轴套筒1.10的下端面与下段转轴1.13.2固定连接，上段转轴1.13.1的上部与转轴套筒1.10的内壁之间设置有上精密弹簧1.8，上段转轴1.13.1的下部与转轴套筒1.10的内壁之间设置有下精密弹簧1.12，若干精密弹簧的一端沿转轴1.13的圆周方向均匀布置，精密弹簧的另一端与转轴套筒1.10固定连接；在所述固定底座1.14的上方并位于转轴套筒1.10的外部设置有转轴套管1.9，所述下段转轴1.13.2的下部与转轴套管1.9的内壁之间设置有多通道旋转导电环，所述多通道旋转导电环包括导电内滑环1.17和导电外滑环1.16，所述导电内滑环1.17固定设置在下段转轴1.13.2的下部，所述导电外滑环1.16与导电内滑环1.17位置相对应地设置于转轴套管1.9的内壁上，导电内滑环1.17外侧壁上由上至下依次设置有两组电机控制内电刷1.17.1和两组电源线内电刷1.17.2，导电外滑环1.16的内壁上与两组电机控制内电刷1.17.1位置对应处设置有两组电机控制外电刷1.16.1，导电外滑环1.16的内壁上与两组电源线内电刷1.17.2位置对应处设置有两组电源线外电刷1.16.2；

所述转动盘1.2设置于转轴套管1.9的上方，转动盘1.2上端面的边缘沿转动盘1.2圆周方向均匀布置有若干离心管置入腔1.3，转动盘1.2的心部设置有单片机1.1，转轴1.13的上端面与转动盘1.2固定连接，转动盘1.2下端面与转轴1.13之间设置有联动开关1.6；转动盘1.2的上端面沿圆周方向均匀布置有若干滑槽，所述配重块1.4设置于滑槽中，配重块1.4的下表面设置有齿条，配重块的下方设置有配重电机1.5，配重电机1.5的转子上设置有与齿条相啮合的齿轮；

所述导电外滑环1.16上的两组电源线外电刷1.16.2通过导线并联后与变压器1.15电连接，变压器1.15的一端通过导线与交流电源电连接，变压器1.15的另一端通过零火线接地，所述导电外滑环1.16上的两组电机控制外电刷的信号输入端与单片机1.1的信号输出端电连接，两组电机控制外电刷1.16.1的信号输出端与交流驱动电机1.19的信号输入端电连接；所述联动开关1.6的信号输出端与单片机1.1的信号输入端电连接，单片机1.1的信号输出端与配重电机1.5的信号输入端电连接。

进一步地，所述联动开关1.6包括导电毛刷1.6.4、导电条1.6.1、固定臂1.16.2和导电针1.7，导电针1.7设置于上精密弹簧1.13.1靠近转轴套筒1.10一侧的1/4位置处，导电毛刷1.6.4安装于导电条1.6.1的下方，导电条1.6.1设置于上精密弹簧1.13.1的上方并通过固定臂1.16.2安装于上精密弹簧1.13.1上，导电条1.6.1的外端部与上精密弹簧1.13.1的外端部电连接。

进一步地，所述离心管置入腔1.3的轴线方向与转轴1.13的轴线方向之间所呈的锐角夹角为60度。

如图5至图11所示的一种实验室离心机自动配平装置的控制电路，所述控制电路包括单片机1.1、复位电路、时钟电路和配重电机电路；

单片机1.1的p0、p1、p2、p3端口为通用输入/输出并行口，其中：

p0.0引脚和p0.1引脚分别与用于提示操作者配重电机1.5工作状态的配重电机正反转显示器电连接，p0.0引脚与d1正转显示灯电连接，p0.1引脚与d2反转显示灯电连接；

p1.0至p1.3引脚与所述配重电机电路电连接，配重电机电路包括u2配重电机驱动模块、u3配重电机驱动模块和u4配重电机驱动模块，u2配重电机驱动模块、u3配重电机驱动模块和u4配重电机驱动模块分别与配重电机1.5电连接，u2配重电机驱动模块与对应的配重电机连接的导线上设置有d4指示灯、d5指示灯、d6指示灯和d7指示灯，u3配重电机驱动模块与对应的配重电机连接的导线上设置有d8指示灯、d9指示灯、d10指示灯和d11指示灯，u4配重电机驱动模块与对应的配重电机连接的导线上设置有d12指示灯、d13指示灯、d14指示灯和d15指示灯，所述配重电机1.5正转时d4指示灯至d15指示灯从左往右依次亮起，配重电机1.5反转时d4指示灯至d15指示灯从右到左依次亮起；

p2.0至p2.3引脚与控制主控离心机模块电连接，主控离心机模块通过导线与交流驱动电机1.19电连接，主控离心机模块与交流驱动电机1.19连接的导线上设置有d16指示灯、d17指示灯、d18指示灯和d19指示灯；

p3.0至p3.2引脚与电机启动转动按钮k1连接；

复位电路：在所述复位电路中，导线的一端与单片机1.1的rst复位引脚电连接，复位电路导线的另一端与单片机1.1的引脚电连接，复位电路两端的导线之间安装有c3电解电容器；所述复位电路中还安装有复位开关和r0电阻，c3电解电容器一端与单片机的5v供电端连接；

时钟电路：在所述时钟电路中，导线的一端与单片机1.1的xtal1引脚电连接，导线的另一端与单片机1.1的xtal2引脚电连接，靠近所述xtal1引脚一侧的导线上安装有c1电容器，靠近所述xtal2引脚一侧的导线上安装有c2电容器，靠近xtal1引脚一侧的导线与靠近xtal2引脚一侧的导线之间设置有x1晶体振荡器，c1电容器和c2电容器的另一端与单片机1.1的gnd引脚电连接。

进一步地，所述单片机1.1的引脚用于访问程序储存控制信号，其中“0”表示：仅访问外部程序储存器，“1”表示：从内部程序储存器开始访问，并可延续至外部程序储存器。要使单片机系统正常工作，须将ea接高电平，使单片机能将下载到内部的程序读出并执行。

进一步地，所述单片机1.1上还设置有用于与外部rom读选通信号连接的引脚和用于与地址锁存控制信号连接的ale引脚。

进一步地，所述单片机1.1的型号为mcs-51型单片机。

本发明的原料及使用方法如下：

1、配平调节：以两支离心管为例进行说明，放入两只离心管，关闭离心机盖。电源通过变压器为单片机提供电源，mcs-51单片机被高电位触发，控制离心机转速为300rpm，定时计数器原始设定为12s，电路接通后开始计时，此时离心机主轴交流驱动电机启动。再按压“电机启动转动按钮k1”启动配平，联动开关在离心机旋转过程中被接通，单片机控制配重电机工作，完成配平动作。在转轴运动的离心过程中，左右离心管中物质质量不同产生不同的离心力，转轴感受到离心力差值的方向与大小，从而发生挠动趋势。本例中右边离心管较重，故中轴向右移动。

上精密弹簧因与转轴直接相连，受到转轴向右的牵拉而整体向右移动，但上精密弹簧远心端与离心机转轴套筒固定，故精密弹簧与转轴相连端即精密弹簧的近心端向右移动，带动联动开关导电针与导电毛刷接通配重电机所在电路，即联动开关闭合。配重电机信号线与mcs-51单片机p1端连接，控制一只联动齿轮的转动，齿轮与齿条对应位置咬合。电路接通后，单片机控制配重电机正向转动，齿条带动配重块向左移动，从而达到改变右臂重心位置，平衡左右离心力的目的。

2、离心：配平调节完成后，转轴移动趋势消失，精密弹簧形变恢复，带动联动开关的导电针回复到原来位置，联动开关断开即导电针离开导电刷，mcs-51单片机中断p1.0~1.3引脚的信号即控制3个配重电机。同时12秒结束，单片机失去对离心机交流驱动电机的控制。操作者输入规定转速及时间，再按压“开始”按钮，离心机原有电路控制离心机交流驱动电机按照操作者输入的原始转速及时间继续进行离心动作。

调节系统由精密弹簧、联动开关和配重系统3部分构成，共3组，各组以转轴为轴相互夹角呈120度。在离心机运行过程中，离心管所在的方位如若存在离心力的不同，通过对合力的分解，使合力落在相邻两个离心臂上，经过上述调节最终达到离心机安全使用的目的。离心后配重块位置暂时不恢复。mcs-51单片机接一复位电路，复位开关与离心机关盖过程完成联动，在离心机再次启动前，单片机控制配重电机反转，使配重块回到原始位置，此时再按下“电机启动转动按钮k1”，进行新的配平任务。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。