自控式正反转搅拌器电路设计

宋晓辉

（苏州科技学院 财务处一卡通中心，苏州 215009）

0 引言

化学工作者为了得到较纯的晶体或要求得到不同大小的晶体颗粒时，往往在实现结晶以后，需沉放一段时间再搅拌一段时间，周而复始，以达到最佳效果。然而目前的一般的搅拌器大都只能完成搅拌、停止一个过程（单次定时）；或者能循环定时但不能做到短时工作、超长时间截止，并按所要求的周期循环正反转搅拌用于防止由于晶体物质在较冷的温度下凝固而损坏搅拌钻头。本文的设计电路能解决上述问题[1]。

1 电路原理

1.1 设计方案

该电路设计思路是提供一种自动控制时长间歇正反转搅拌器，来满足晶体短时正反搅拌，长时间停止的周期循环要求，设计电路框架由电源提供电路、可调短时搅拌电路、长延时电路、电机正反转电路和清零电路组成，如图1所示。

1.2 电路分析

具体的设计电路如图2所示。（电源部分略）

在分析此电路之前先将该电器所运用的集成块等主要元器件的功能做介绍。

1）IC1为CD4060

图1 设计方框图

CD4060由一振荡器和14级二进制串行计数器组成[2]，CR为高电平时，计数器清零且振荡器使用无效。根据图2中的IC1的外围阻容元器件R1、R2、RP、C1 和 CD4060的 9、10、11脚 内电路组成振荡器,振荡周期T=2.2（R2+RP）C1[3]，调节电位器RP可改变振荡周期。CD4060有10个输出端（Q4～Q14），12脚为复位端。适当地选择C1、R2的参数可得到相应的振荡频率[4]。

2）IC2为CD4017

CD4017是5位Johnson计算器，具有10个译码输出端。CR为高电平时，计数器清零。在每10个时钟输入周期CO信号完成一次进位，并用作多级计数链的下级脉动时钟[4]，如图3所示。

1.2.1 可调短时搅拌电路

图2 自动控制时长间歇正反转搅拌器电路图

根据电路图2所示，可调短时搅拌电路由振荡分频（IC1）、启动按钮（AN1、AN2）、电阻（R1、R2、R3、RP）、电容（C1）、波段开关 W1、晶体管VT1和继电器K1组成。IC1 采用带有一个振荡器部分和14逐位进位二进制计数级的CD4060集成块。短时搅拌电路原理如下：当按下启动按钮（AN1、AN2）后，IC1(CD4060)复位并开始振荡和分频，此时IC1输出为低电平，VT1迅速导通，继电器K1吸合，K1-1与K1-2分别与触点A和B接通, IC3和VT3通过触点B得到电源开始工作。IC3产生振荡脉冲使VT3导通和截止，从而带动电机（M）正转和反转，搅拌晶体溶液。此时继电器K2不工作，K2-1接触点C1 。在振荡信号的作用下，其内部计数器开始工作。该集成块其输出端Q4～Q14构成16～16384分频系数[5]，根据其特性，搅拌时间T1=1/2×2nT[6]（n是IC1每一个输出端Q的序号）,根据周期计算公式,振荡周期T=2.2（R2+RP）C1和调节电位器RP调整，可以在输出端得到Q8（10分钟），Q9（20分钟），Q10（30分钟）的搅拌时间（Q8、Q9、Q10每一个档位的输出时间都可以按照自己的意愿通过调整RP得到）。本电路将搅拌时间分为10分，20分，30分三档，通过手调波段开关W1可选定需要搅拌的时间。

图3 CD4017输出波形

1.2.2 可调长延时电路

可调长延时电路由振荡分频（IC1）、计数分频（IC2）、晶体管VT2、耦合电阻R6、波段开关W2，继电器K2组成。其中IC2选择CD4017，该集成块是由十进制计数／脉冲分配器组成，有10 个译码输出端 Q0～ Q9，可组成一个10挡分频器[7]。其分频输出分别是输入的（10-90）倍。CD4017的输出波形如图4所示。电路原理如下：当IC1（CD4016）定时结束后，在IC1输出端（Q8、Q9、Q10）输出高电平[8]，通过波段开关W1，一路经R3使VT1截止，K1释放， K1-1与K1-2分别接触点A1、B1，IC3和VT3停止工作，电机（M）停转，搅拌停止。此时K1-1与A1接通使IC2（CD4017）得到工作电压。W1另一路连接IC2的输入端(14脚)，IC1输出脉冲经IC2的再次分频，IC2的输出端得到IC1输出时间的10倍（即：停止时间T2=10T1）。本电路选择CD4017中的Q5、Q6、Q7三个输出挡位,通过手调波段开关W1和W2,选择。（IC2有Q0—Q10个输出端可选择，可根据需要手调波段开关W1和W2得到不同组合的停止时间）。长延时结束后，IC2输出端（Q5、Q6、Q7）输出高电平使VT2导通，K2吸合, K2-1与触点C接通，即IC1得到工作电压，使VT1导通，K1吸合，K1-1与K1-2又分别重新接通触点A和B，IC3和VT3通过触点B得到工作电压开始工作。IC3产生振荡脉冲使VT3导通和截止，从而带动电机（M）正转和反转，搅拌晶体溶液。此时IC2和VT2停止工作，K2-1接通触点C1。下一个周期T=T1+T2重新开始，自动循环。波形如图3

1.2.3 电机正反转电路

电机正反转电路由多谐振荡IC3、晶体管VT3、电阻（R8、R9、D5、R10）、电容（C4、C5）、继电器K3和电机（M）组成。其中IC3采用NE555集成块。NE555与R8、R9、D5、C4构成多谐振荡器。根据其特性：T（充）=0.693×R8×C4，T（放）=0.693×R9×C4[9]。IC3接通电源瞬间时，C4两端电压不能突变，IC3的2脚和6脚电压低于1/3电源电压，此时3脚为高电平，VT3导通，继电器K3吸合，K3-1与K3-2分别接通触点E和F,此时电流通过K3-1、触点E、电机（M）、触点F、K3-2到地，使电机（M）正向旋转。随着电源经R8，D5对C4充电，此时IC3的2脚和6脚电压不断上升，当C4两端充电电压上升至2/3电源时，IC3内电路翻转，其3脚输出低电平，VT3截止，K3释放，K3-1与K3-2分别接通触点E1和F1，此时电流通过K3-1、触点E1、电机（M）、触点F1、K3-2到地，使电机反向旋转。随后C4经R9和IC3的7脚内电路放电，使IC3的2脚和6脚电压不断下降，当电压降至低于1/3电源电压时，内电路翻转，3脚输出高电平。在定时搅拌时间内，IC3的3脚不断输出高低电平使VT3不断的导通和截止，控制K3吸合和释放，实现电机正反旋转。该电路中，电阻取值R8= R9=10MΩ，C4取值10uF,这样可以使电机正反转搅拌时间近似相同（约1分钟），同时也满足该振荡周期小于定时搅拌周期。

1.2.4 清零电路

所述的清零电路由AN1、C2、R7、R4、D4、C3和R5组成，其中AN1、C2和R7为IC1电源清零，C3和R5为IC2电源清零。D4和R4串接后与波段开关W2相连，将IC2输出高电平反馈至IC1清零端，使其迅速清零，保证精确定时。

2 结论

自动控制时长正反转搅拌器是一种能根据不同需求选择不同的搅拌时间，进行液体和小物质固体的定时正反旋转搅拌的多功能搅拌器，其特征是可按用户不同需求进行搅拌时间和间歇时间的不同组合，形成多种形式的短时正反转搅拌，超长时间停止.再按要求的时间周期循环往复。该电器与同类产品比较具有：功能多、价格低，适用范围广，电路简单，操作方便。具有广泛的推广和应用价值。

[1] 宋晓辉．一种自动控制时长间歇正反转搅拌器[J]. 2011,10, (12).

[2] 赵负图. 数字逻辑集成电路手册[M]. 化学工业出版社,2005.

[3] 孙余凯,项猗明, 等. 数字集成电路与应用[M].北京: 电子工业出版社, 2006.

[4] ( 2011-08-29) [2011-12-1] http://www.elecfans.com/soft/68/guide/2011/20110829212688.html.[EB/OL].

[5] 姚长安.模拟与数字电路[M]. 四川科学技术出版社,1984.

[6] 胡锦.数字电路与逻辑设计(第三版)[M].高等教育出版社,2010.

[7] 吴云.典型电子电路160例[M].化学工业出版社, 2010.

[8] 陈永甫.新编集成电路应用800例[M]. 电子工业出版社,2000.

[9] 赵光.555时基电路应用280例[M]. 化学工业出版社, 2010.