专利名称:带有微处理器的全自动膜天平装置的制作方法
本实用新型属于测定材料的化学或物理性质的精密测试和分析材料的装置，特别是涉及一种可对气体－液体分界面上的不溶性单分子层进行研究的膜天平(Film Balance)。
众所周知，对于膜天平的研制工作，国外开展得较早，早期的改进主要是着眼于减少不同表面之间的渗漏现象和测力方法。最近几年来，主要是向自动采集和分析数据的方向发展。原有的膜天平必须附有一台X－Y记录仪才能把所测到的数据绘制成图形，并在该图形上用手工方式寻找和计算特征值。由于X－Y记录仪的频率响很差、分辨率低，所以这样做既不能保证足够的精度又很费时间。近年来，国外实验室里有人把这种图形通过图形数字化仪器输入通用计算机(例如IBM－PC机)进行数据分析，这样做虽然可以节约时间，但精度受到的影响更大。在荷伍德L·布鲁克曼(Howard L·Brock-man)，克瑞M·琼斯(Craig M·Jones)，科特J·谢瓦布克(Curt J·Schwerbke)，简尼斯M·斯马毕(Janice M·Smaby)和戴尔E·杰维斯(Dale E·Jarvis)合著“从混合的单分子层中采集和分析数据的由微型计算机控制的膜天平的应用”(载于《胶体和表面科学杂志》Vol 78，No2，1980年12月P502～512)一文中，披露了一种在实验室中使用的通过市售通用接口与通用微型计算机相连接的膜天平系统。
现在参见图1，这是荷伍德L·布鲁克曼等人设计的膜天平系统的结构示意图。图中，该系统采用5个市售的对接接口将膜天平中的机器控制接口、面积接口、张力接口、△V接口和面积校准接口与一通用的微型计算机相连，其中CPU为8位微处理器(Intel 8080)，该微处理器与56k的读写存储器(RAM)相配，并采用8k的程序(PROM)，上述微型计算机装有软磁盘，外围设备为CRT终端显示器，43型电动打印仪和HP7221A绘图仪。上述膜天平系统的操作在两个水平上，通过一套汇编语言的子程序来实行对机器功能和数据采集的直接控制，而子程序则是来自于BASIC语言写成的程序。这种类型的程序结构允许操作员仅仅改变BASIC程序就能很容易地改变仪器的整个操作，以满足特殊的需要。汇编子程序可以实现上述膜天平系统中所需要的定位、面积校准、张力、△V校准、标记、取值、关闭等功能。
上述膜天平系统克服了以往的带有X－Y记录仪的膜天平中存在的不足之处，即精度较差的缺点，但是由于采用市售的通用A／D输入接口和控制接口，与通用微型计算机相连，所以投资设备较大，仪器专用化不强，操作不便。
本实用新型的目的是设计一种带有专用的可自动采集和分析数据的设备的膜天平装置，从而使此类膜天平装置的结构紧凑，操作更为方便，成本大大降低。
参见图2，这是本实用新型的结构示意图。本实用新型中的膜天平装置是由下列几部分构成的一台膜天平接在上述膜天平中的电信号输出端的A／D转换器接口，该A／D转换器采用3 1/2 位慢速芯片，该芯片采用标准时钟脉冲转换和同时采样方式并且具有一个三态门接口，以便与单板机的总线相连；与上述三态门接口的输出端相连的单板机，该单板机作为本膜天平装置的微处理器；
接在上述单板机一个输入／输出端的输出接口，该输出接口采用上述输入／输出接口和机器语言通讯程序相配的形式来实现与上述单板机相连；接在上述输出接口上的打印绘图仪膜天平装置的控制接口，该接口分别与上述单板机和膜天平相连，该接口是将单板机的一组输入／输出接口通过机器语言设为位式控制态并通过一组达林顿驱动阵列将晶体管晶体管逻辑转换成膜天平的控制电平，以达到对膜天平不同运行功能的控制固化在PROM芯片上的程序，该程序包括数据采集和分析、绘图程序和膜天平的操作控制程序，以实现全自动膜天平的功能。
上述A／D转换器接口，输出接口和控制接口都是能与单板机相应的接口相连本实用新型还可以进一步在上述单板机的总线上再接一个通用的D／A转换器接口，上述D／A转换器接口与外接设备(如示波器和／或X－Y绘图仪)相连。
本实用新型的工作原理如下膜天平测得的液体表面张力信号通过A／D转换器，变成数字信号，再通过三态门接口输入单板机的内存中，然后通过单板机和PROM固化软件对采集的数据进行分析计算以便求出各类特征值并产生原始曲线和派生曲线的数据，通过固化软件PROM控制将计算所得数据由单板机的输出接口输入到打印绘图仪上打出上述数据和／或画出上述各类曲线。同时，通过固化软件PROM控制也可将计算所得的数据通过D／A转换器接口，以便再次将数字信号变成模拟信号，D／A转换器接口的输出端可与外接示波器和／或X－Y绘图仪相连，以便监测原始图形。
下面将结合相应的附图，对本实用新型的最佳实施例作进一步的详细描述，从而使本实用新型的结构和优点更加清楚，其中，图1是先有技术中的膜天平系统的结构示意图；图2是本实用新型中的膜天平装置的结构示意图；图3是本实用新型中的膜天平装置的实施例的电路示意图；图4是上述实施例中采用的程序框图；图5是上述实施例中的时序图。
图3是本实用新型中的膜天平装置的实施例的电路示意图。图中的参考数字〔1〕表示作为微处理器的TP801单板机，数据采集和分析绘图程序以及膜天平的控制程序已固化在二片PROM中，该程序将在下文中加以描述。该单板机分别与四个接口相连。
首先，单板机与A／D转换器接口相连。由于本机采用M－8500型膜天平，其自身的张力量程的精度为1／500，面积测量全长为40厘米，且机械速度很慢，约为5.2～14.4厘米／分钟，所以本实用新型采用3 1/2 慢速芯片〔3〕作为A／D转换器，其型号为5G14433。该芯片的精度为1／2000，这样即可保证膜天平的分辨率(1／1000)，又价格低廉。因为慢速芯片的价格只有中速芯片的十分之一。但是，由于此类芯片的采样难于控制，所以膜天平系统要采用尽量大的自采样频率及与软件设计相配合的办法来保证采样不损失膜天平的测量精度，也就是说用标准时钟脉冲转换和同时采样的方式来克服3 1/2 芯片难于控制采样的缺点，图中CLKI和CLKO脚用晶体振荡器L接成标准时钟脉冲发生器。由于3 1/2 A／D转换器不是三态输出，故不能直接连接在TP－801单板机〔1〕的数据总线上，并且由于单板机的平行输出口又被其它接口(控制接口和与PP40打印绘图仪相连的输出接口)〔1〕占用，故本实施例中采用二个74LS367芯片〔4a〕和〔4b〕及由二个“或非门”〔6〕和〔7〕(74LS02芯片)组成一个三态接口，接3 1/2 的A／D转换器〔3〕与单板机〔1〕相连。上述标准时钟脉冲发生器由晶体振荡器L(100KHz)，电阻R4(10MΩ)，R5(47KΩ)，电容C4(100P)，C5(51P)构成。此外该慢速芯片〔3〕还带有一个由基准电源5G1403和电位器R1(470Ω)，R2(1.2K)，C1(0.1μf)构成的基准电压，输入电压为5V，输出电压为1.999伏。此外上述慢速芯片〔3〕还必须带有外接电阻R3(470Ω)，外接电容C2(0.1μf)，C3(0.1μf)。
其次，单板机通过其一组输入／输出接口与打印绘图仪PP40〔11〕相连。由于PP40〔11〕的输入接口原来是为连接通用微型计算机的并行接口设计的，所以必须对原有接口进行修正并配以机器语言通讯程序才能实现与单板机〔1〕相连，也就是说由PA0至PA7各路信号直接与DATA0至DATA7相连，但单板机〔1〕A口的一个控制线ASTRB由PP40打印绘图仪的控制输出信号ACK来控制，而单板机〔1〕A口的另一个控制线ARAY必须经C11(1000P)，R11(680Ω)和非门〔12〕组成的微分电路才能有效地反控制PP40打印绘图仪的STROBE。
再其次，单板机通过控制接口与膜天平相连以控制膜天平的操作过程。该控制接口是将单板机的并行输入／输出PB0至PB2(可通过软件将其设为位式控制态)分别与三组达林顿驱动阵列相连来将晶体管晶体管逻辑电平转换成膜天平的控制电平，以便达到有效地控制膜天平滑尺的正反转、运动和停止、高速运行和正常运行速度的切换。上述达林顿驱动阵列分别由一个74LS04非门〔20〕和一个5G1413达林顿驱动门〔22〕构成。其中，电阻R21和R22的阻值为10K。切换开关K是微型继电器JRWIM〔21〕的触点。另一种输入／输出口PB7是受限位开关(S1)控制的，该限位开关用于对膜天平的滑尺测速时进行定距离返回用的。该PB7通过由一对74LS00“与非门”及电阻R23(10K)，R24(10K)构成的R－S触发器由限位开关的状态输入控制信号的。采用R－S触发器可使行程开关的信号抖动不会产生误动作，这样的控制方法简单方便，这是用单板机的优越性，如用通用计算机就必须增加通用控制板，这样就会增加费用。
上述三个接口是本实用新型中设计的三个专用接口。最后，单板机〔1〕通过与一个8位的D／A转换器接口相连。该D／A转换器接口是一通用接口，它是由二片DAC0832芯片〔30a〕，〔30b〕和四只运算放大器〔31〕〔31b〕，〔32a〕〔32b〕构成，其中芯片〔30a〕与运算放大器〔31a〕，〔32a〕为一通道，芯片〔30b〕与运算放大器〔31b〕，〔32b〕为另一通道。此外该D／A转换器接口电路中还带有电阻R31(1K)，R35(1K)，电阻R32(5K)，R36(5K)，电阻R39(10K)，R40(10K)，电阻R33(10K)，R37(10K)，电阻R34(10K)，R38(10K)，电容C31(30P)C35(30P)，电容C32(10K)，R38(10K)，电容C31(30P)C35(30P)，电容C32(30P)，C36(30P)，电容C33(1000P)，C37(1000P)，电容C34(1000P)，C38(1000P)。此外还由四个“或非门”〔33a〕，〔33b〕，〔34a〕，〔34b〕组成芯片选中电路。
由于在本装置中采用了单板机，故必须考虑到单板机内存少的缺点，TP801－A单板机的内存只有4K，所以只能将这4K的内存全部用于存储采集的数据，这对现有的膜天平的功能将是足够的，另外我们将全部程序固化在PROM中，每片的内存为2K。
现在参见图4，这是上述实施例采用的程序方框图。其中FL1为控制膜天平的运动的程序，该程序如下步骤FL1－1为测量准备阶段，如对膜天平加温和加液等；在步骤FL1－2中，输入膜天平移动滑尺初始值和终止值；在步骤FL1－3中，设微处理器为位式控制态；在步骤FL1－4中，启动膜天平，使其进入运行状态；在步骤FL1－5中，使滑尺向起始位置滑动；在步骤FL1－6中，对一段定面积进行时间记数；在步骤FL1－7中，滑尺回到起始位置并停止；在步骤FL1－8中，对速度系数，采样间隔和采样点数进行计算；在步骤FL1－9中，在液面加样品。
在执行完FL1后继续执行，FL2为采样、数据分析和数据、图形、坐标轴打印、绘制程序。步骤FL2－1为等待阶段，在步骤FL2－2中开始启动膜天平滑尺；在步骤FL2－3中，膜天平采集液体表面的张力数据值；在步骤FL2－4中，可通过示波器或X－Y记录仪显示张力－表面积曲线；在步骤FL2－5中，根据显示出来的曲线决定是否保留测量数据，如属于否，则程序返回FL2－2，如属于是，是程序进入FL2－6，对测量数据进行计算和分析；在FL2－7中，将计算结果通过PP40打印绘图仪绘制成曲线及其坐标轴，并可将计算结果打印出来；在步骤FL2－8中，根据打印出来的曲线和数据决定本样品的测试是否结束，如没有结束，可返回步骤FL2－1，如果已结束，则重新安排样品。
图5是上述实施例中的打印绘图输出接口的时序图，a)为单板机输入／输出口的重要信号的时序，b)为PP40打印绘图机的主要信号的时序，c)是通过硬件微分电路对ARDY修正为STROBE所需信号。
本实用新型的优点是显然的，首先，用单板机TP801－A代替了通用微型计算机，前者的成本仅为后者成本的五十分之一；其次，用自行设计的专用接口代替了市售的通用接口，其成本也只有通用接口的五十分之一；第三，用PP40绘图打印仪代替了通用的X－Y记录仪，其成本也只有原来的十分之一。由于通用微型计算机中的许多功能和操作键对实现膜天平的功能是没有用的，所以用专用设备代替了通用微型计算机后，不仅没有减少膜天平的功能，而且使操作更为简便，成本大大降低，成为一台专用装置。而且，本实用新型中的这种带有微处理器的全自动膜天平装置比非自动的膜天平的成本还要低二分之一左右。而且通过软件可以实施一般膜天平所不能及的图形求导，相加减和动态分析等功能。所以，本实施例不仅克服了以往的带有X－Y记录仪的膜天平中存在的精度差费时间的缺点，而且又克服了荷伍德L·布鲁克曼等人实验室使用的膜天平系统存在的成本高、操作不便的不足之处。
权利要求
1.一种带有微处理器的全自动膜天平装置，它包括一台膜天平，一个微处理器和一组接口，本实用新型的特征在于，它还包括一台打印绘图仪，并且上述微处理器为一个单板机，上述接口为一组专用接口，它至少包括连接上述膜天平和上述单板机的A/D转换器接口，该A/D转换器采用31/2位慢速芯片，该芯片采用标准时钟脉冲转换和同时采样方式并具有一个三态门接口以便与单板机的总线相连；连接上述膜天平和上述印绘图仪的输出接口，该输出接口采用单板机上的一个输入/输出接口和机器语言通讯程序相配的形式；连接上述单板机和上述膜天平的控制接口，该接口是将单板机的一个输入/输出接口通过机器语言设为位式控制态并通过一组达林顿驱动陈列将晶体管晶体管逻辑电平转换成膜天平的控制电平以达到对膜天平不同运动功能的控制；
2.按权利要求
1所述的全自动膜天平装置，其特征在于，上述输出接口所用的机器语言通讯程序由上述采用单板机上的一组输入／输出接口的输出接口中的一个控制线
ASTRB由绘图打印机的控制输出信号
ACK来控制，而输出接口的另一个控制线
ARAy必须经C11，R11和非门〔12〕组成的微分电路以便有效地反控制打印绘图仪的
S.TROBE。
专利摘要
一种带有微处理器的全自动膜天平装置，它采用单板机的微处理器和一台打印绘图仪，在膜天平和单板机之间采用专用A/D转换器接口进行模/数转换，单板机和打印绘图仪之间采用专门的输出接口连接，单板机和外部设备之间采用D/A转换器接口进行数/模转换，在单板机和膜天平之间采用专用的控制接口连接以便对膜天平的运行进行控制，有关程序固化在PROM芯片上，该装置比原通过通用接口与通用微型计算机连接的膜天平系统结构紧凑、操作简便、成本低，并具有同样精度。
文档编号G01N13/00GK87201233SQ87201233
公开日1988年11月16日 申请日期1987年4月10日
发明者钱国正, 刘明耀 申请人:第二军医大学训练部导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan