磁力搅拌器是化学实验中的一种常用设备，广泛应用于化工、医药、食品、涂料、油漆、环保、化妆品等领域。传统化学反应溶液的搅拌多为手动操作，不仅耗费人力，还会造成反应溶液搅拌不均匀的现象，导致实验结果不准确。磁力搅拌器能很好地解决这一问题。磁力搅拌器不但操作简单，且可以按照操作人员意愿调整搅拌速度及搅拌方向，大大简化了操作过程，同时解决了对具有毒性或粘稠性反应溶液搅拌困难的难题。

    常规磁力搅拌器的系统结构图如图1所示[1]。其基本原理是：通过电动机的转动带动外永磁铁转动，再通过磁场的作用，由外永磁铁的转动带动内部搅拌子(永磁铁)的转动，进而达到搅拌的目的，即由电能转化为机械能，再由机械能转化为磁能。参考文献[2]、[3]、[4]所设计的磁力搅拌器结构原理也大致与此相同，其主要特点是都带有电动机，致使搅拌器的体积较大。对于便携式测量仪器，要求磁力搅拌器厚度较小、质量较轻，而传统的设计方法难以实现这些要求。

　  依据电磁转换原理，本文设计了一种超薄磁力搅拌器。通过在多个螺旋线圈中流过不同相位的脉冲电流，直接产生磁场，带动内部搅拌子(永磁铁)的转动，达到搅拌的目的，即由电能直接转化为磁能。其优点是省去了传统的电动机中间部分，可以有效地简化搅拌器的结构、减轻了质量，最重要的是可以做到超薄，从而使磁力搅拌器更好地应用于电化学便携式检测系统中。

    1 电磁转换设计

　根据如图2所示的右手螺旋定则，在螺旋线圈中通过电流后，螺旋线圈上方将产生N极磁场，下方将产生S极磁场。如果通过螺旋线圈的电流方向相反，则线圈上下方产生的磁场方向也将改变。这样，通过改变螺旋线圈中流过电流的有无及方向，就可以根据实际要求来控制螺旋线圈中磁场的极性。

　为了使搅拌器的搅拌子平稳转动，需要考虑的问题是为搅拌器配置多少个螺旋线圈，线圈越多越稳定，但结构复杂度及控制复杂度也相应提高。通常可以考虑配置的螺旋线圈方案为：4个、6个和8个，即线圈间的角度分别为90°、60°和45°。
　本文所设计的磁力搅拌器采用4个螺旋线圈对角线放置，如图3所示。其中搅拌子的材质为永磁体，放在搅拌器上面。在图3中，把对角线上的两个螺旋线圈设为一组，即线圈1、3为一组，2、4为一组。每组螺旋线圈同时通有电流，但电流方向相反，即在同一时刻呈现的磁场极性相反。这样，分别控制两组螺旋线圈中电流的通断及方向，就可以控制两组线圈不同时刻所产生的合成磁场的方向，进而控制搅拌子的转动。

　设定搅拌子顺时针转动一圈的8个方向为：西北、正北、东北、正东、东南、正南、西南、正西，如图4所示，其中，N表示螺旋线圈产生的N极磁场，S表示螺旋线圈产生的S极磁场，*表示没有磁场。这样，就需要各个螺旋线圈产生相应的磁场极性。

　根据图4中螺旋线圈磁场极性的要求，只要在不同时刻控制两组螺旋线圈中电流的有无及方向，就可以控制两组螺旋线圈在不同时刻叠加出不同方向的磁场。两组螺旋线圈电流的时序如图5所示，其中T(t/s)为搅拌子转动一圈的时间，I(i/A)为流过线圈的电流值。

2 磁力搅拌器硬件设计
2.1 硬件总体结构
　磁力搅拌器的硬件主要由单片机、驱动电路、螺旋线圈及电源等四部分组成，其框图如图6所示。其中，单片机为硬件结构的核心，采用AT89S51芯片负责按键的读取并产生相应的电流时序控制信号；驱动电路采用L6129DS芯片，其根据单片机的控制信号输出相应的电流时序；两组螺旋线圈根据流入的电流产生相应的磁场；电源负责给单片机及驱动芯片供电。

2.2 处理器选型
　处理器选用ATMEL公司生产的AT89S51单片机。该单片机是一款低功耗、高性能的CMOS 8 bit单片机，内含4 KB Flash程序存储器，128 B的随机存取数据存储器，32个外部双向输入/输出(I/O)口，5个中断优先级，两层嵌套中断，两个16 bit可编程定时计数器，两个全双工串行通信口，看门狗(WDT)电路，片内有时钟振荡器。
　单片机主要负责按键的采集，并根据采集到的信息将相应的电流时序发送给驱动电路。单片机与驱动电路、按键电路及SPI接口电路的连接如图7所示。其中，单片机与驱动电路通过P2口连接。

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