（测试计量技术及仪器专业论文）基于avr单片机控制的医学微量注入仪器的研究.pdf

摘要 医学微量注射仪器在临床治疗中有着举足轻重的地位。微量注射泵的应用广 泛，可用于i c u 重症监护病房中特殊药物的注射，然而其造价昂贵，在广大中小 型医院里难以得到普及使用。基于国内外微量注射泵的研究现状，本文提出一种 基于a v r 单片机控制的高性价比的微量注射泵的设计方案。 本文选用a t m e g a l 6 单片机作为系统主控制器，采用p i d 比例积分微分算法 闭环控制，以p 哪脉宽调制方法控制直流电机。同时对微量注射泵的其他辅助电 控系统进行优化设计。 本文通过微量注射泵的设计，对直流电机的控制及p 嘲产生原理进行研究， 对直流电机的p i d 算法控制效果进行计算机仿真、实验验证。为进一步利用a v r 单片机进行医学微量注射仪器的高性价比设计奠定坚实的基础。 关键词： v r 单片机微量注射直流电机谓速稳速 a b s t r a c t m e d i c a lm i c r o i n j e c t i o ne q u i p m e n tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nc l i n i c a l t r e a t m e n t i th a sb e e nw i d e l yu s e di nm a n yd i f f e r e n tc i r c u m s t a n c e s ，f o r e x a m p l e ，t h ei n j e c t i o no fs p e c i a ld r u g si ni c u h o w e v e r ，t h ec o s to ft h i s p u m pi ss oe x p e n s i v et h a ti tc a n tb eu s e di nl o t so fs m a l la n d m e d i u m - s i z e dh o s p i t a l s b a s e do nt h er e s e a r c ho fm i c r o i n j e c t i o np u m pa t h o m ea n da b o a r d ，t h ea u t h o rp r o p o s e dad e s i g no fh i g hc o s te f f i c i e n c y m i e r o i n j e c t i o nb a s e do nt h ea v rs c m i nt h i sp a p e r ，t h ea u t h o rs e l e c t e dt h eh t m e g a l 6s c ma st h em a i n c o n t r o l l e ro ft h es y s t e m b yu s i n gc l o s e d 一1 0 0 pc o n t r o la l g o r i t h mo fp i d a n dp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) ，i ) cm o t o rc a nb ec o n t r o l l e dp r e c i s e l y a tt h es a m e t i m e ， s o m ea s s i s t e l e c t r i c i t yc h a r g e ss y s t e m so f m i c r o i n j e c t i o nh a v eb e e no p t i m i z e d i ns u c hc i r c u m s t a n c e s ，am i c r o i n j e c t i o np u m ph a sb e e nd e s i g n e d m e a n w h il e ，t h ea u t h o rh a ss t u d i e dt h ec o n t r o lo f d cm o t o ra n dt h e p r i n c i p l e o fp w m t h r o u g ht h ec o m p u t e rs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o no f t h ec o n t r o lr e s u lt so fd cm o t o r ，t h ea u t h o rh a sm a s t e r e dt h e k e yt e c h n o l o g y a n da 1 1t h ew o r k sh a sl a i das o li df o u n d a t i o nf o rf u r t h e rs t u d yo fm e d i c a l m i c r o i n j e c t i o ne q u i p m e n tb yu s i n ga v rs c m k e y w o r d s ：k v rs c mm i c r o i n j e e r i o nm o t o rs p e e dr e g u i a t i o n s p e e ds t a b iii z a t i o n h 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，基于a v r 单片机控制的医学微量 注入仪器的研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 铂配月王日驯 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编学位论文。 名：鲫碰年月砗 指导导师签名 乡月斜 爷 第一章绪论 1 。1 医用微量注射泵研究的临床意义 长久以来，在临床医疗和生命科学研究中，都急需一种可以长时间进行均匀 微量注射的仪器，这种仪器主要用于动静脉输液、输血、抗休克治疗、肠内管饲 养以及麻醉剂的注射等，同时还可以用于挤压外伤抢救中抗凝剂及其他特殊贵重 药的微量注射中，并且在各种特效药和新药的最佳有效量的定量分析和生物工程 中，可避免人为操作的误差和不确定性，另外，它还能减轻医护人员及科研工作 者紧张繁忙的工作压力，有效地实现微量注射的智能化控制。 医学微量注射仪器主要有微量输液泵( 蠕动泵) 、微量注射泵及胰岛素泵等。 目前在i c u 病房中使用的是微量输液泵( 蠕动泵) 、微量注射泵，并得到了 广泛应用，而且起到了减轻医患双方的护理负担又提高了护理和治疗效果，但是 在普通病房这种医疗设备并没有缛到推广，究其原因是目前购买一台功能尚可的 国产微量输液泵( 蠕动泵) 、微量注射泵最少5 0 0 0 元，国外的则要1 0 0 0 美金左 右。开发一种针对普通病房和输液观察室里使用的低成本的微量注射系统，显然 有着很实际的意义。微量输液泵( 蠕动泵) 、微量注射泵能够精确控制输送药液 的流速和流量，并能对输液过程中出现的异常情况进行报警。微量输液泵( 蠕动 泵) 、微量注射泵的应用有助于减轻医护工作强度，提高安全性、准确性、工作 效率和护理水平。微量输液泵( 蠕动泵) 、微量注射泵可广泛应用于内科、外科、 儿科、心血管科、急诊科和手术室，尤其适用于i c u 和c c u 病房的输液治疗。在 医疗保健领域里，对精确控制药液的流速和流量，微量输液泵( 蠕动泵) 、微量 注射泵将有广泛的发展前途。 静脉输液是一种最常用的临床治疗方法，i 临床上应根据药物和患者情况不同 配以不同的输液速度：有些药输液速度过快，可能会导致中毒，更严重时会导致 水肿和心力衰竭：输液速度过慢则可能发生药量不够或者无谓地延长输液时间， 使治疗受影响，并给患者和医护工作增加不必要的负担。常规临床输液，普遍采 用挂瓶输液，用眼睛观察，依靠手动夹子来控制药滴速度，不易精确控制输液速 度，而且护士工作量大。癌症病人的化疗和危重病人的抢救治疗需要使药物以恒 定的速度灌注，通过调节输入速度和时间将化疗药物均匀持续地注入，既达到化 疗的最佳效果，又能最大限度地降低化疗药物的副作用。对老人、儿童和体制较 弱者输送某些特殊药物，如麻醉药、降压药硝普纳、t p n ( 三磷酸毗睫核昔酸) 等 时，输液速度和用药量尤其需要精确控制，否则会出现严重的后果。可见微量输 液泵( 蠕动泵) 、微量注射泵实际应用是多么的重要。 1 2 国内外研究现状 对于这一课题的研制，起步最早的是德国贝朗医疗有限公司( b u a u n ) ，产品名 叫输液泵( i n f u s i o np u m p ) ，是根据输液器的原理工作的。与传统的输液器不同 的是，它的点滴速度由软件系统严格控制。经过几十年的研究，贝朗公司的生产 技术和销售网络更趋于成熟，新一代的蠕动式容积输液泵以其优良的性能和可靠 的质量保证很快占领了世界市场。在我国的大小医院里，几乎都有这种医疗仪器。 该泵可作长时间动静脉输液、输血或高能肠胃饲养，所使用的能源有交流电、1 2 v 直流电( 救护车) 或泵本身的铅酸蓄电池，停电时蓄电池自动开始工作，输液速 度非常精确，可在l - - 9 9 9 m i h 范围内任意调节，使用安全，配有超声波气泡、 滴数检测系统，所有功能均由高度逻辑性的微电脑检测系统自动调节到对病人最 安全的状态。 但是，这种输液泵还存在着些自身难以克服的缺陷。首先，它所占用的体 积大，因为其正常工作时需有相配套的固定夹，输液杆和滴数感应器共同使用， 这几部分所占体积较大，不便携带；其次，由于输液泵是点滴输入，在液滴落下 的时间会使输入产生震动，因此在要求精度和稳定度非常高的抗癌治疗中这种输 液泵的使用存在一定的危险。 八十年代末期，国外的研究人员研制成功了微量注射泵，它是根据注射器的 原理制成的，不仅保证了注射过程中液体注入的稳定性，其结构上的特点，适用 范围更加广泛，因此这种注射泵对于提高临床治疗水平有很大的价值。 微量注射泵自研制成功以来，作为一种医用高精密低流量的输液仪器，在动 静脉输液、输血、抗休克治疗、肠内管饲及麻醉剂注射等使用场合，实现了长时 间徽小量均匀注射，达到药物的治疗效果，保障病人的生命安全，并解除了医疗 工作者的负担。 微量注射泵主要由注射器和个带有显示器及键盘的基座构成的。根据使用 要求，该仪器可放置于桌面，也可固定于支架。注射速度应能在i m l h 到9 9 9 m l h 范围内根据需要任意设定，并能实现精确稳定注射“。 微量注射泵大体分为机械传动部分和电控系统部分，机械传动部分和电控系 统共同完成微量注射的要求。微量注射泵的大体的结构如图1 i 所示。 图1 1 微量注射泵的结构简易图 现今，美国、英国、德国、日本及韩国等，其微量注射泵的研制技术已经相 当成熟，并且其产品门类齐全。但其高扬的价格却使我国的小型医院无法承受。 目前国内最大的生产厂家是浙江大学医学仪器有限公司。从1 9 8 7 年0 2 的 市场占有率到2 0 0 5 年7 0 的市场占有率。w z 系列微量注射泵( 用户习惯称浙 大泵) 是国内用户最信赖的产品。在中国，“浙大泵”几乎成了微量注射泵的代 名词。包括浙大的国内诸多厂家研制技术已达到国际先进水平，性能优良，且相 对于国外产品具有很高的性价比。 目前国内大多微量注射泵控制部分采用5 l 系列单片机控制步进电机，在运 行过程中有微小抖动，且噪音大，耗电量大。上述缺点可能造成的问题是显而易 见的。 1 3 论文研究的主要内容 论文从微量注射泵所要实现的功能出发，对微量注射泵系统进行了总体设 计，并对其可行性进行论证及实验。 论文从直流电机的控制原理入手，设计电机控制系统，并对其他辅助电路进 行设计。为了精确测量电机转速使用高精度编码器。为了达到电机的精确控制， 本系统采用a v r 单片机做主控制器，利用p w m 电机调速方案控制电机。 第二章总体方案设计 本文设计的原则是设计高性能低价格的产品方案。所以在方法实现的取舍上 会着重考虑这一点。 本设计制作时主要考虑以下几点； ( 1 )对驱动电机的选择由于要求轻小，并考虑噪声方面的因素，放弃了 驱动力差体积又很大的步进电机。经考虑，选用直流电机( 最好是 直流伺服电机，响应速度快) ，经一定变速后驱动力大，价格比步进 电机便宜。 ( 2 )考虑成本因素，电路应简单可靠，元件应选用质量较高但价格较低 的通用型零件，许多硬件功能在软件替代的情况下尽量用软件代替。 ( 3 )具有一定的功能，包括对注射速率的设定，对电源电压的稳定的检 测，具有各种声光报警功能( 语音报警功能) ，堵塞报警，低电压报警，键盘失 灵报警等。 ( 4 )最关键的是因为直流电机代替步进电机功能，所以必须对直流电机 步进速度进行严格控制，防止电机持续运转而过量输注药物，对病人产生危害。 2 1 系统硬件设计 微量注射仪的电控系统主要包括以下几部分：电机调速稳速系统，微量注 射自动定标系统，电源( 包括报警系统) 及微处理器控制系统，整体原理框图如 图所示。 = ：爿 t 乜帆栉制 u 中 央 ： ：i r t 础h 硭 处 曰， 翘! ：键髓 单 二，c = = = = d娃m ：嚣 图2 1 整体设计原理框图 注射泵的控制系统必须满足可在l m l h 9 9 9 m l h 范围内任意设定注射量的 要求，而且要实现精确稳定注射，因此在控制中必须进行人机接口( 键盘，显示 器) 设计。这部分要求可对注射量进行手工设置，并显示在控制面板上，对系统 诸多功能可进行人工干预。在这里，行列式键盘作为输入键盘，用l c d 显示设 置的注射量以及电源工作情况。系统整体电路图请看附录1 。 2 1 1 电机驱动及稳速 微量注射泵最突出的特点就是注射量精确稳定，要达到这一要求就必须有调 速和稳速系统。利用微处理器面向控制的特点，可与编程接口一起组成调速系统， 对直流电机进行精确的调速控制。在本设计中采用单片机控制的p w m ( 脉冲宽 度调制) 方法，原理如图2 2 所示： 2 1 2 注射器自动定标 图2 2 直流电机平调速方案 不同的应用场合所要求的药剂推进速度不同，而注射器也有容量大小之分。 这就要求微量注射仪有对注射器规格的自动识别功能，以便确定注射量和推进速 度，这就是注射器的自动定标。常用的定标方式有利用光电藕合器件及霉尔元件 两种方法。本设计中利用光电耦合器件实现注射器的自动定标。结构示意图如下 所示： 蹦2 3 注射器自动定标系统 2 1 3 电源 微量注射仪是交直流两用机，既可在医院使用，也可在户外操作，故除交流 供电外，还需直流供电。镍镉蓄电池的各项功能优良，所以考虑使用镍镉蓄电池 直流供电系统，同时，镍镉蓄电池还应有一个考究的充电电路及电池欠电示警电 路。 2 2 系统软件设计 软件采用功能模块的设计思想方法进行编写，可增加系统整体可移植性。系 统软件需要的工能模块主要有：电机驱动控制模块、键盘模块、显示模块、测量 信号模块、报警模块。 软件各模块的相互连接需要主控模块对它们进行控制。按照主控模块的执行 顺序来工作。这就是整个系统的软件构建方案。 在系统中要考虑抗干扰设计问题，在硬件放案上已有体现，例如施密特触发 器消除干扰等。软件抗干扰主要是在没有利用的程序段中加入长跳转到0 0 0 0 h ， 使程序出错后能自动重新归位。 软件模块的相互关系如图2 4 所示。 i系统钥始化 0 | 接收用户指令矗雾用褶麻控制 i 电机驱动模块 图2 4 软件模块分配图 软件的具体流程是软件功能实现的关键部分。各模块还包括一些功能子程 序，这些将在后面的各个模块的章节中通过其流程说明。 第三章直流电机控制原理 在控制系统中，伺服系统是一种应用十分广泛的系统。直流伺服电机又称 执行电机，它是控制电机的一个种类，在系统中用作执行元件。直流伺服电机可 以把输入的电压信号变换成为轴上的角位移和角速度输出。根据被控对象的不 同，由直流伺服电机组成的伺服系统一般有三种基本控制方式，即位置速度和 力矩控制方式，通常位置和速度用得最多。在伺服系统中，控制电路十分关键， 它直接影响到系统的性能品质。本文我们讨论由单片机控制的直流伺服电机转速 脉冲宽度调制( p w m ) 实现方法”。 3 1 直流电机控制方法 对直流电机进行控制时，有两种方法一是利用电动机自身特性进行控制，二 是使用伺服控制技术。电动机的制动由能耗制动，反接制动和回馈制动三种。为 了使电机迅速停止使用的是反接制动。将电压改变极性，直至电动机停止时为止。 3 1 1 电动机内部压降补偿法 由于电动机内部电阻( 称为电枢电阻) 也的存在，使电动机的电源电压b 、 电枢电阻压降l r 。以及反电动势疋之间存在如下的关系： 艺= 吃l + e ( 3 1 ) 假定电动机的电源电压b 和电枢电阻心保持不变，由上式可以看出，如果 电枢电流增大，反电动势e 。就会减小，相反，如果电枢电流减小，反电动势巨就 会增大。 由于电枢电流l 与负载转矩t 成比例，而反电动势e 与转速n 成比例，因 此，要想使电动机的转速保持稳定，有上式可以看出，无论负载转矩( 即电枢电 流。) 如何变化，只要对电动机进行使反电动势e ( 即转速n ) 保持恒定的控 制就可以了。 为此，可以对上式中电动机内部的电枢电阻压降，。胄。进行补偿，从而，使 与转速 ，成比例变化的反电动势e 始终保持一定值。 基于上述考虑的电动机转速稳定控制方法主要有：桥式伺服控制( 电子调速 器) 和比例电流控制等“1 。 3 1 2 采用伺服控制技术的控制方法 对电动机进行速度控制及位置控制时，信号处理采用模拟信号处理方式的称 为模拟伺服控制，而采用数字信号处理方式的则称为数字伺服控制。对于数字伺 服控制来说，由于信号处理方式采用数字信号，因此，很容易与微型计算机相连 接。 数字伺服控制与模拟伺服控制的最大不同点在于，数字伺服控制所处理的是 由逻辑数值“o ”，“1 ”所构成的离散数字信号，而模拟伺服控制所处理的则是连 续的模拟信号。在构成控制电路时，数字伺服控制方式有着明显的优越性。例如， 信号处理的可预见性、计算精度高、能胜任复杂运算、控制精度高等。 与模拟伺服控制相比，由于数字伺服控制实现了信号运算处理的高速化，因 此具有对信号可进行实时处理等优点。当然，数字方式也还存在着一些不足之处， 例如：数字溢出、数字化误差、运算时间较长等。 目前，随着数字信号处理器( d s p ：d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 的普及， 借助于高速乘法器的功能，已经实现了很高的计算精度，实现了复杂的运算处理 功能，以及简单的计算机接口技术等，数字控制方式已经显示出明显的优越性。 数字控制方式只在两种电平( “l ”，“0 ”) 下工作，因此，信号受温度的影响 很小。伺服控制系统的响应特性不仅可以通过电阻和电容参数的调整来确定( 模 拟系统) ，还可以通过系统软件编程来实现( 数字系统) 等等。用软件编程来取 代实际电阻、电容元件，使数字伺服控制系统的响应特性得到了改善。 电动机进行速度控制和位置控制时，信号处理采用数字方式的系统称为数字 控制系统。由于反馈闭环内的信号处理采用数字方式进行，因此，数字伺服控制 电路可以很容易地与微型计算机( p c ) 相连接。使用微型计算机的伺服控制系统 在f a ，o a 等领域获得了广泛应用。 使用微型计算机的最大优点在于，伺服控制系统的特性改善可以通过软件编 程柬实现。正因为如此，增强了伺服控制系统的柔性，同时，也使伺服系统的动 态响应特性和跟踪特性等更能实时地与负载变动相适应。 在反馈控制的闭环内，还有被控电动机就以及功率驱动电路等模拟电路，因 此，所谓的数字伺服控制并不是完全的数字化，而是种模拟控制与数字控制的 混合形式，一般情况下，说到数字伺服控制时，是把伺服控制系统看作为连续系 统，但是作为离散系统来进行信号处理。无论是模拟控制还是数字控制，都必须 要谈到比例控制( p 补偿) ，积分控制( i 补偿) 、比例积分控制( p i 补偿) 、比例 微分控制( p d 补偿) 以及比例积分微分控制( p i d 补偿) 等基本控制方式。表 3 1 列举了数字伺服控制的主要类型。 表3 1 数字伺服控制的主要类型 控制方法各项控制技术稳 定性评 价 频率r s 触发器，( e x o r 门电路) ， 2 同步控制鉴频器，d a 转换器，( s & h ) 频率p l l + f v 转换器，p l l + 鉴频 l 相位捕捉控制器 频率电f v 转换器( s & h ) 3 压转换控制 表3 1 中，第种方法称为频率同步控制。所谓频率同步控制是指电动机的 转速与基准转速频率同步旋转，如果与交流电动机控制相比较，采用这种控制方 法的电动机就相当于一台同步电动机。 在频率同步控制的各项控制技术一栏中，一般采用鉴频器和d a 转换器，也 可由e x - 0 r 门电路和r s 触发器来构成。 第种方法为频率相位捕捉控制，一般也称为p l l 控制。由相位捕捉伺服控 制与防止误同步用f v 伺服控制这两种控制方法并用。这种控制技术具有很高的 控制精度，电动机的转速稳定度与基准振荡器的稳定度相同。第种方法的频率 电压转换控制是把电动机的转速的变化以频率变化的形式来进行捕捉，从而对电 动机的转速进行控制。 这里使用的鉴频器是一种频率鉴别电路，鉴频器可以把输入频率的中心频率 的移动变换成电压信号的变化，从而实现对电动机转速的控制。 实际上，施加到电动机上的负载转矩可能具有各种各样不同的特性。 在对伺服控制系统进行分析时，对于电动机负载的变化，常常用扰动这个词 来表示。电动机发生扰动时，就其原因主要有以下三种基本类型。 ( 1 ) 从外部施加到电动机轴上的扰动力矩； ( 2 ) 由电动机结构本身引起的固有扰动。例如，因旋转过程中轴承部分的 变化而引起的微小的负载变化，或者因球轴承中钢球位置的变化产生的高 频谐波转矩而引起的负载变化等。 ( 3 ) 电动机旋转时所产生的磁路振动( 作用于电枢与磁极之问的力) 而引 起的能量变化。 在比较高级的电动机控制系统要求较高的控制精度时，这些扰动是不能忽视 的。所以本文采用脉宽调制控制方法( p 删控制) 。 3 2p t ? m 调速原理 p 删( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 控制就是指保持开关周期t 不变，调节开关 导通时间t 对脉冲的宽度进行调制的技术。p w m 控制技术在晶闸管时代就已经产 生，但是最初为了使晶闸管通断要付出很大的代价，因而难以得到广泛应用。以 i g b t 、功率m o s f e t 等为代表的全控型器件的不断完善，给p w m 控制技术提供了 大的物质基础，推动这项技术的迅猛发展，使它运用到交一直、直一直、交一交、 直一交所有四大类变换电路中。对于直流电机，采用p w m 控制技术构成的无级调 速系统，起停时对直流系统无冲击，并且具有启动功耗小、运行稳定的特点。 其原理就是以一固定直流电压经过以一定频率打开与闭合的开关k 的控制 来改变电枢上的电压。设当电机一直接通电源时速度为p 嘣。开关开闭周期为t ， 每次闭合时间为t ，那么当占空比为d 时，电机的平均速度为： = 。d ( 3 2 ) 其中：虼电机的平均速度 p r 嘣电机接通时的最大速度 d = ，丁占空比 电枢两端的平均电压为： = t u t = u p ( 3 3 ) 由3 2 式和3 3 式可知，当r 不变( 即开关的开关频率固定) 时，只要改变 导通时间1 ，就可以改变电枢两端的平均电压，从而改变电机的转速。 p w m 控制波形以及占空比与转速的关系见图3 1 。 u o 电 藿 电 流o u 转 建 o t i 图3 1 输入电压信号与电机电枢电流、转速的对应关系 3 2 p i 形成电路 脉冲调宽信号的形成电路由多种，下面仅对以下几种进行比较，从系统的充 分利用上来选取其中的一种作为本系统的脉冲信号发生器。 第一种可用电压一脉宽变换器产生，即硬件产生脉宽调制信号。它是由三角 波发生器和比较器组成。三角波发生器能产生频率恒定的三角波。它的输出三角 波信号送到比较器中去与参考信号电平进行比较，产生脉宽受控制可调信号。如 图3 2 所示。 图3 2 三角波发生器和比较器产生脉宽调制信号 第二种由软件定时产生，由定时器定时，定时时间受软件控制，并从脉宽信 号的输出口e 。或其它口输出脉宽可调信号。设定时时间分别为正和五，则软件 框图如图( 设用瓦完成) 。 图3 3 单片机产生p w m 信号 第三种由单片机控制外接定时计数器( 如8 2 5 3 ) 硬件电路产生脉宽调制信 号，只需用两个计数器分别工作与方式l 和方式2 ，通过硬件连接便可以产生脉 宽调制信号。如图3 4 所示 叫 v h i - 数器o u t 0 + ， 图3 48 2 5 3 产生p v m 信号原理 以上三种方法，第一种是硬件电路实现的，电路复杂。第二种中方法使用定 时器t o 是一种好办法，但由于系统计数器不足必须进行扩展。第三种方法是利用 8 2 5 3 非常方便，而且占用的软件时间少。 a t m e g a l 6 单片机本身带有四通道p 州，而且有快速p w m 模式、相位修正p 喇 模式等多种工作模式提供。再考虑到成本节约问题及整个系统的简化，直接利用 h t m e g a l 6 单片机产生脉宽调制信号。 3 2 2 l m e g a l 6 的p 棚信号产生原理 h t m e g a l 6 有8 位定时器计数器t c 2 和1 6 位定时器计数器t c l 来产生8 位 p l ”, l 和1 6 位p w m 。 下面以8 位定时器计数器t c 2 在快速p 删工作方式进行介绍。 快速p 州模式( w g m 0 1 ：0 = 3 ) 可用来产生高频的p v o d 波形。计数器从b o t t o m 计到 m a x ，然后立即回到b c r r t o m 重新开始。对于普通的比较输出模式，输出比较引脚 0 c o 在t c n t o 与0 c r 0 匹配时清零，在b o t t o m 时置位；对于反向比较输出模式，o c o 的动作正好相反。由于使用了单斜坡模式，快速p w m 模式的工作频率比使用双斜 坡的相位修正p w m 模式高一倍。此高频操作特性使得快速p v o , i 模式十分适合于功 率调节，整流和d a c 应用。高频可以减小外部元器件( 电感，电容) 的物理尺寸， 从而降低系统成本工作于快速p w m 模式时，计数器的数值一直增加到m a x ，然后 在后面的一个时钟周期清零。具体的时序图为图3 5 。图中柱状的t c n t o 表示这是 单边斜坡操作方框图同时包含了普通的p w m 输出以及反向p w m 输出。t c n t n 斜坡上 的短水平线表示o c r o 和t c n t o 的比较匹配。 t u q r r t 3 c a i 否j fr 厂 厂n m 啪一 i 嘞, t u ：l 卜，卜：+ ，+ 一+ ；+ ；+ ，一 图3 5 快速p i i g , i 模式时序图 - 1 3 - 计时器数值达到姒x 时t c 溢出标志t o v o 置位。如果中断使能，在中断服务程 序可以更新比较值。工作于快速p w m 模式时，比较单元可以在o c o g l 脚上输出p 删 波形。设置c o m o i ：o 为2 可以产生普通的p w m 信号；为3 则可以产生反向p w m 波形。 表3 2 快速p 删模式 c o 啪1c o m 0 0磷嘲 oo 歪罄约旗口禳椎不与o c o 掴莲臻 o餐留 1 o比较匹霸覆童时o c o a 潘零，计熬翻t o p 时o c o 墨垃 1 比较匹嚣发生时0 c q a 灌位，计数翻t o p 时o c o 凑霉 要想在引脚上得到输出信号还必须将o c o 的数据方向设置为输出。产生p w m 波形的机理是o c o 寄存器在o c r o 与t c n t o 匹配时置位( 或清零) ，以及在计数器清零 ( 从 l a x 变为b o t t o m ) 的那一个定时器时钟周期清零( 或置位) 。 输出的p w m 频率可以通过如下公式计算得到： ， o c ：! 坐旦 (34)pwm 一丽 ”“7 变量n 代表分频因子( 1 、8 、6 4 、2 5 6 或1 0 2 4 ) 。 当t c 2 运行在p w m 模式时，输出比较器o c r 在被写入时实际上是存储在临 时位置；当t c 2 达到最大定时值时才真正存入o c r ，如图3 6 所示。 厂厂厂r 厂 图3 6t c 2 的p 删输出波形 计舭 比槛 p w h 输m 的o a x 图3 7 为单片机p w m 信号产生流程图。 卜糕名渊茎态 设置寄存器t c c r 2 使能 p w m 功能和频率设为 1 2 8 1 - 1 z - 设置比较积存器o c r 2 l 根据p i d 算法，计算需要 脉宽 。盒； 图3 7p w m 生成流程图 3 3 电动机转速的检测方法 伺服系统的工作完全依赖于对速度的了解。电动机的转速信号的检测可以采 用模拟信号检测法，也可以采用数字信号的检测法。常用的检测方法有： ( 1 ) 测定电动机电流的脉动来检测转速 ( 2 ) 利用电动机的反电动势来检测转速 ( 3 ) 利用直流测速发电机来检测转速 ( 4 ) 利用交流测速发电机或频率发电机来检测转速 ( 5 ) 使用光电式转速传感器来检测速度 光电式转速传感器作为系统中的反馈元件有惯性低、噪音低、分辨率高和精 度高的优点，同时具有使结构简单易于设置零点的特点，适于数字系统设计要求， 因此在本系统中选用光电轴角编码器作为速度控制系统的反馈元件。 3 3 1 光电编码器的基本原理 编码器分绝对型和增量型。有四个基本部分：光源、动光栅、定光栅、光敏 元件、整形电路。如图3 7 所示。 透镜 图3 7 光电编码器 n 条刻线的光栅与电机同轴，电机每转一圈便有n 个脉冲输出，有h 、b 、c 、 d 四路信号输出，各信号形状一致相位相差9 0 0 ，用做辨向和细分之用。所以每 个编码器有七根线、一根电源、一根屏蔽线和四根信号线。传感器榆出为频率z 的信号且 z ：n r p m ：业( i - 1 z )( 3 5 ) 。 6 02 z 、 式中：聊电动机每分钟转数 缈转角速度( t a d s e e 而传感器的信号为系统的反馈信号，则反馈传感器的传输方程为： ( s ) = 等 ( 3 6 ) 系统中采用计数器来将传感器的输出变换为速度值，但不是直接对输出的脉 冲进行计数，而是用标准的参考信号( 本系统采用1 2 m h z 的参考信号) 对频率 为 的输出信号进行内插。如图3 8 所示。只要利用微机控制对每一个周期进行 测量，这个周期信号是由传感器信号二分频产生的。于是该信号的高电平时间便 等于原输出信号一个周期的时间，有利于信号测量后的转换。 v 传感器输出 0 v 二分频 0 v 参考信号 0 v 输入计数器信号 0 t t 图3 8 光电编码器测速原理 设插入标准信号为厶，则得到转速频率z 与其的关系： f t ：f 。 仇 。 t ( 3 7 ) 式中：仇为z 一刷期的计数值。 则由( 3 7 ) 可以改写为： 仇：厶祟 ( 3 8 ) 仇2 厶而 ) 由式3 8 可以看出仇与( ，) 成反比，所以用e 表示l 体则得： e l 些l ( 3 9 ) 吒2 百2 2 ，r f , p u ， 则传输方程的拉氏变换表示式为： 那) = 器= 罢 本系统设计中，通过光电编码器产生的反馈信号输入到单片机的计数器正。 图3 9 为光电编码器接1 7 1 原理电路。 光电编码盘 鼾 a lo i f - i h b 1 0 k v c c 卜_ 【= = 了一 i|婷2却f i 9 p d 0 p d l ( t x d ) p d 2 ( n q t 0 ) p d 3 ( n q t d p d 4 ( o c i i = d 5 ( o c l m p d 6 ( i c p ) p d 7 ( t o s c 乃 捌_ 娅t x l p c o p c i p c 2 p c 3 p c 4 p c 5 ( t o s c l ) p c o ( t o s c p c 7 脚鄱 a g n d a v c c 4 0 3 9 3 8 打 3 6 3 5 3 4 图3 9 光电编码器接口电路 光电编码器接口电路用于直流电机的输出量进行采样，以实现闭环控制。 光电编码器接口电路采集的信号有电机的转速和绕组电流。转速信号通过 与直流电机同轴连接的增量式光电编码盘输出的相差9 0 0 相角的两路方波信号 获取。 编码器的精确度受许多因素的影响，如光线的平行度，对其有影响；从光 栅本身考虑，有累计和非累计的扇形条间的位置误差( 这些属于刻划误差) 以及 转速的变化对其有影响，编码器的主要误差来源于刻划误差和光栅盘对测量轴的 实际旋转中心的偏心。由于尺寸和装配的不精累计成偏心，导致了周期性的非线 性引起的频率调制。 3 4 直流电机的稳速原理 直流稳速是通过将实际转速与参考数值进行比较得到误差信号，由误差信号 控制脉冲宽度来达到稳速的目的。本质上是通过对频率锁定来达到锁相的目的。 实践中采用的稳速技术方法有p i d 控制、其有最快响应的无纹波系统、大 林算法等求环路传输的方法。p i d ( 比例一积分一微分控制) 在单片机中p i d 由程 序实现，因为单片机只能出来离散信号0 1 ，所以p i d 使用数值逼近法。当采 样周期相当短时，用求和代替积分，用差商代替微商，使p i d 算法离散化，将 咖附呲蹦附：坌：萋晰 叻叻叻 加尬衄尬加 l( o u 毋d岫邺毋蚴 咖眦哪晰；坌蹦嘟 描述连续时间p i d 算法的微分方程，变为描述离散时间p i d 算法的差分方程。 比例控制能迅速反应误差，从而减小稳态误差。但是，比例控制不能消除稳态误 差。比例放大系数的加大，会引起系统的不稳定。积分控制的作用是，只要系统 有误差存在，积分控制器就不断地积累，输出控制量，以消除误差。因而，只要 有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，使系统误差为零，从而消除稳态误 差。积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡。微分控制可以减小 超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小 调整时间，从而改善系统的动态性能。由于比例调节存在静差，因此对扰动较大、 惯性较大的系统如电机控制系统使用p i d 调节。积分作用能消除，加入微分控 制的作用是在控制对象有较大惯性时，在偏差刚刚出现，偏差尚不太大时根据偏 差的变化趋势提前给出较大的调节作用，将使偏差尽快消除。应用p i d 控制， 必须适当地调整比例放大系数k p ，积分时间t l 和微分时间t d ，使整个控制系统 得到良好的性能。理想的p i d 微分方程为： 巾) = 啦( f ) + 毛m 出+ 掣 ( 3 1 1 ) 设其初始值均为零，则其拉普拉斯变化式为 r ( s ) = k p e ( s ) + k l s e ( s ) + 曲：e ( j ) ( 3 1 2 ) 得到p i d 控制系统的传输方程 吲加罴咆+ 了k t 埘； ( 3 1 3 ) 图3 1 0 单片机闭环控制 系统采用单片机闭环控制，电枢电压采用脉冲宽度( p w m ) 调节方式。 在给出转速设定值甩。，并发启动命令，由单片机及接口电路组成的p w m 控 制器产生控制电压加给驱动电路，驱动电机旋转。同时，测远电路测定电机转运 n 反馈给单片机，单片机将先行值与设定值比较调整脉冲宽度。修正电机转速， 形成闭环控制。 p w m 控制器输出的脉冲宽度控制信号采用p i d 控制算法如下式： 肼怍小，+ 毒砂+ 乃剀 式中：m ( f ) 为控制器输出；以为比例增益；e ( ，) = n o 一刀为偏差信号：z 为 积分时问常数；乃为微分时间常数。 为了实现数字p i d 控制，需要把上式换成差分方程形式。设采样周期为t o ， 第n 次采样偏差为e o ) ，控制器输出为坍g ) 荆鸣扣专和粤却一t ) 】) 嘲 第n 一1 采样后控制器输出为朋0 1 ) 坍o ) = 髟 。一t ) + i t 荟n - ! e ( f ) + 等【p 。一t ) 一e o z ) 】 ( s 舶) 第斤次采样的增量式为 埘o ) = k ，( e o ) + 尼如) + i ) p 2 0 ) ) ( 3 1 7 式中：e 0 ) = e o ) 一e g 一1 ) a e 2 0 ) = 血o ) 一a e ( n 一1 ) ，2 寺为积分常数 。= 互t 为微分常数 所以第”次采样后的位置式为 脚0 ) = 脚0 1 ) + 肌0 ) ( 3 1 8 ) 传统的大功率电机驱动所采用的线性驱动器都存在发热和高效散热的困难 问题，p w m 控制使电路中晶体管处于高频开关状态，驱动晶体管的功耗很小， 所以有效的解决了这个问题。 p i d 算法子程序：首先由第n 次采样增量式计算增量坍如) ，进而计算所o ) ， 然后由主程序调用子程序计算脉冲宽度。 读取当前电机转速 ( v 1 ) 读取期望速度 ( v 0 ) 计算偏差 e r r o r v o v 1 壬- v 算比例项 k p + e r r o r 图3 1 l p l 3 算法程序流程图 4 1 电源 第四章辅助电路设计 微量注射仪是交直流两用机，直流电池用是可充电的铅酸电池，所以电源部 分除了机器本身要用的稳压电源外，还要由一个比较考究的电池充电电路给电池 充电，还要附加充电指示电路及一个电池能量指示电路，以告知电池使用程度以 便及时充电。凡交直流两用机都要由一个d c d c 变换器，其原因是一台机器总 得用几组交流电源，而交直流两用机不可共用几组直流电池，往往是用一组电池 电源组成一个振荡器、而在振荡器次级可产生几组不同交变电压，然后运过整流 稳压变成几组电压。 交流电压经过变压器，变压到+ 1 6 v ，经过整流模块，整流成直流电压。经 过线性稳压模块7 8 1 2 ，变成稳定的直流+ 1 2 v 电压，给整个系统供电。如图4 1 所示。 图4 1 变压电路设计 电源提供的1 2 v 电压，经l m 7 8 0 5 稳压模块输出为单片机正常工作需要的 5 v 电压，原理如图3 4 所示。l m 7 8 0 5 因其内部调整管工作在线性区域而得名， 它的特点是电源外围元件少、输出噪声小、静态电流小、价格便宜。 图4 2 电源电路设计 一2 2 4 2 蓄电池的选择 对于在本系统中应用的蓄电池，应满足以下的要求： ( 1 ) 蓄电池在2 5 的环境温度下以规定的放电率使用时能够保持额定容 量的正常和稳定，在高于2 5 或低于1 5 时也可使用。 ( 2 ) 蓄电池具有良好的荷电保持能力，当蓄电池充电后在环境温度2 5 下 开路搁置2 8 昼夜后，尚具有一定的容量仍能保证使用。 ( 3 ) 蓄电池具有良好的机械强度，能在一般的振动冲击条件下使用。 ( 4 ) 蓄电池循环寿命长，在严格按照技术说明书所规定的方法连续充放电使 用时可在4 0 0 次循环以上。 可以满足上述要求的蓄电池有镍氢蓄电池、镍镉蓄电池、镍锰蓄电池等等。 考虑到性能、成本、维护、充电电路设计方面的因素，本系统中选用了4 节华力 电池有限公司的2 8 0 k 型单体镍镉蓄电池。其额定电压1 2 v ，额定容量为5 a h ， 标准充电电流0 5 a ，充电时间1 4 小时，最大连续放电电流1 0 a 。 4 3 充电电路的设计 充电器的充电电流可根据蓄电池的工作状态或需要进行调整。如在环境温度 1 5 3 5 下以o 1 c 5 a 电流连续进行充电1 4 小时，如使用特殊或在应急状态 下才可以用o 2 c 5 a 电流充电7 小时或0 4 c 5 a 电流充电3 小时。但用0 1 c 5 a 电 流充电时蓄电池的端电压不得高于1 5 5 伏只，用0 2 c 5 a 电流时瑞电压不得高 于1 6 0 伏只，用0 4 c 5 a 充电时端电压不得高于1 5 5 伏只。充电过程中若充电 时间未到而电压已达到上述标准，则应能转入较小倍率( 交流) 充电。 充电电路应有浮充功能。即放电态待用的蓄电池按前面方法充电后和恒压直 流充电电源并联，使直流电源以c 5 2 5 0 c 5 5 0 0 a 范围的电流对蓄电池进行浮 充电。 蒯4 3 充电电路 n 矿 4 4 人机接口控制 在微机测量和控制系统中都有一个控制操作台或操作面板，操作人员通过操 作台实现人机对话、下达命令、代表性程序和参数，通过操作台显示工作现场的 参数和工作过程，完成操作人员与微机系统交流信息的职能。在我们的微量注射 仪的控制面板上，就必须有键盘和l c d 显示板，用于显示对注射过程的智能化 控制。 4 4 1 键盘及显示的基本方案 本设计有1 6 个功能键，0 - - 9 十个数字键用来输入速度，确定暂停、取消、 关闭蜂鸣器按键、显示等四个按键来实现微量注射泵的基本控制。根据医生实际 操作要求另设微调作用的+ 、一两个按键。 由于按键数量比较多，采用行列式非编码键盘。行列式键盘由行线和列线组 成。按键设置在行、列结构的交叉点上，行列线分别连在按键开关的两端。行