基于MSP430的液体流量监控装置的设计.docx

基 于msp430的液体流量监控装置的设计 宋艳丽( 黄冈职业技术学院 电子信息学院，湖北 黄冈 438002)摘 要: 液体流量监控装置是一种基于光电监测技术、串口通信技术的监测系统，能实现液体流量速度控制、液晶显示流速及流量等功能，采用 pwm 驱动芯片控制电机，通过反射式红外传感器检测液体流动的速度并反馈，达到流速可控，并且可通过按键自动设置流速的大小。关键词: 液体流量; 串口通信; pwm 电机驱动; 光电传感器中图分类号: th122文献标识码: a文章编号: 16721047( 2014) 06011803doi: 103969 / jissn1672104720140636高，软件设计部分包括主从机串口通信，设 定 值 判断等模块，软件部分控制的结构框图如图 2 所示。流量是指单位时间内流过某一截面的液体数量，即瞬时流量。在现代工业生产过程自动化中， 流量是重要的过程参数之一。流量的测量 与 控 制 是实现工业生产过程自动化的一项重要任务，在日 常生活中应用比较广泛，比如各类医院中所使用静 脉输液器，其输液速度难以准确控制，对输 液 速 度 有较严格要求的病人是不方便的。本文设 计 的 流 量控制装置是以输液器为基础，通过单片机控制技 术，pwm 技术、传感器技术实现了流体速度控制与 显示，获得良好控制效果。图 2 系统软件结构图控制器模块控制器模块电路用于控制对传感器采集到的 12流体速度、设定值发出警告信号等。本模块采用低功耗 msp430 单片机，其工作电压低，低功耗、高集 成度，且 支 持 jtag 在 线 编 程，可 以 方 便 地 实 现 程 序的下载、仿真、调试和更新，从而达到实时监控液 体流体速度的目的。1系统设计11设计思路13电机驱动模块采用型号 4b2yg 步进电机的正转和反转实现位置( 高低) 的控制，以达到控制流体流速的目的。该电机的最小步进角为 09 度，能实现短距离控制 上下移动，而且当不给步进电机发送脉冲 的 时 候， 能实现自锁，从而能较好的实现及时停止 的 目 的。 另外使 用 pwm 控制芯片来实 现对电机的控制， l298 芯片实现电机的驱动，此种方法简单易调，方 便控制电机转动的速度。图 1 系统硬件组成框图系统主要由信号检测部分和控制电路部分组 成。其中信号检测有液体流动监 控 模 块。控 制 电 路部分实 施 对 控 制 器、电 机 驱 动、运 行 显 示、计 时 器、按键等模块控制。硬件模块 框 图 如 图 1 所 示。 此外，液体流动速度监控装置对软件要求相对较 14液体速度监控模块* 收稿日期: 20141101作者简介: 宋艳丽 ，女，硕士，讲师。研究方向: 单片机控制电路设计和职业教育信息化研究。118第 6 期基于 msp430 的液体流量监控装置的设计第 16 卷液体速度监控模块实现对流体的速度进行监 控，因此需要利用光电传感器对其进行探 测，并 通 过软件算法来进行流体速度的计算。采用 光 电 探 测器接收红外辐射后，由于红外光子直接把材料的 束缚电子激发成传导电子，由此引起电信 号 输 出， 信号大小与所吸收的光子数成比例。且这 些 红 外 光子的能 量 的 大 小 ( 即红外光必须满 足 一 定 的 波 长范围 ) ，必须满足一定的要求 才能激发束缚电 子，起激发作用。光电探测器吸收的光子必须满足 一定的波长，否则不能被吸收，所以受外界 影 响 比 较小，抗干扰比较强。15计时模块计时电路主要实现对液体流动过程中的时间 计数，精确到 001s。为了提高计时的精确度，采用 了单片机内部自带的定时系统，即利用 msp430 内 置的定时器实现该模块功能。16电源模块单片机控制、显示电路、传感器检测部分所要 求的电压不同，本系统设计中采用了不同稳压块使 之输出不同的电压。为了降低功耗，提高电路的稳 定性，在设计电源时，共用了变压器、整流和滤波电 路，稳压电路输出一个较大电压，再在稳压 输 出 部 分连接相应稳压集成块，从而实现不同电压的需 求。本系统中选用 l298n 作为驱动芯片来控制流体的速度。利用单片机提供电机驱动信号，经过光电 耦 合 隔 离 后，传 至pwm控 制 芯 片l298n。l298n 的连接方法如图 4 所示。对于 l298n 芯片而言，当 11 脚接高电平“1”，若 10 脚电平为高电平 “1”，而 12 脚为低电平“0”时，接在 13、14 脚 端 的 电机将正转; 当 12 脚为高电平“1”，而 10 脚为低电 平“0”时，电 机 反 转。当 11 脚 为 低 电 平“0”时，电 机自由控制。图 4 电机驱动电路接线图23显示模块的设计通过显示器，可以达到实时显示流体的滴速、 系统运行状况等信息。本系统中选用的液 晶 显 示 器有功耗低、体积小等特点，在电子产品制 作 方 面 得到了广泛 应 用。液 晶 显 示 器 与 msp430 的 连 接 图如图 5 所示。为节省 i / o 口，采用串口方式与单 片机通信。2硬件电路设计21控制电路图 3 控制电路的接线图传感器检测信号、按键输入的信号由单片机进 行运算处理，并输出相应逻辑的控制电压或电流信 号，实现对相关电路的控制，完成各项信号 的 采 集 和处理任务。单片机 msp430 外接液体监控电路， 按键控制电路和显示电路，单片机的连接控制电路 的连线如图 3 所示。图 5 液晶与 msp430 的连接图24液体监控电路的设计光电传感器检测液体上下边缘遮挡可以产生 相应的脉冲信号，经单片机处理，可计算流量，单片 机对设置液体遮挡之间的时间计算可得实时流速， 并将这些信息通过串口通信方式在液晶上显示出 来。液体监控电路如图 6 所示。22电机驱动电路的设计119第 6 期基于 msp430 的液体流量监控装置的设计第 16 卷光电检测传感器检测到的信号经电压比较放 大后送入单片机的 i / o 口产生中断，利用单片机程 序对信号进行分析处理，得到需要的流体 速 度，并 经通过发送模块输出。33液晶显示子程序本模块中选用了带中文字库的 128x64 液晶， 每屏可显示 32 个 16 16 点阵的汉字，其内部提供1282 字节的字 符 显 示 am 缓 冲 区，是 通 过 将 字符显示编码写入 am 来实现显示，字符显示 am 在液晶模块中的地址 80h 9fh，与 32 个字符显示 区域有着一一对应的关系。图 6 液体监控电路连接图根据接收系数不同，以光电传感器为核心的光 电检测电路将接收的系数进行区分，转化为不同电 平信号，将此电平信号送单片机，由单片机 控 制 系 统做出反应，即控制流体的速度，或是提示 警 告 信 息等。红外光电传感器是一种光电子扫描、光电二 极管发射、接收管接收并输出的装置。它的特点是 尺寸小、使用方便、信号高输出、工作状态受温度影 响小。当检测器检测到遮挡装 置 时，其 输 出 低 电 平; 当没有检测到遮挡的装置时，则输出高电平。4结论本系统以低功耗单片机 msp430 为核心部件，利用光电传感器进行信号检测，串口通信技术实现 信号传递，将采集到的信号输入单片机，在单片机 的分析处理下实现了液体流速的检测、控制、显示等 功能。在系统设计中，力求硬件电路简单，充分发挥 软件编程方便灵活的特点来满足系统设计要求。25电源模块的设计本系统中 各相应模块所要 求 的 电 压 有 3 3v，5v，9v，msp430 单 片 机 工 作 电 压 为 3 3v，光 电 传感器等器件的工作 5v，液晶等外围设备的工作电 压为 9v。为此采用了一个多路电源系统来实现供 电。在电源模块采取三端稳压集成块 7805 作为稳 压电路 控 制，其 输 出 5v 电 压，再 利用集成稳压块 ld33 将 7805 输出的直流电直接转为 33v，为了方 便操作，液晶等外围设备直接利用蓄电池供电。参考文献:1谢自美电子线路设 计实验测试m武汉: 华中科技大学出版社，20062倪福卿 第五届全国大学生电 子 设 计 竞 赛获奖作品选编m北京理工大学出版社，20013马彪单片机应用技术m 同济大学出版 社，20094沈红卫 单片机应用系统设计 实 例 与 分 析m北京: 北京航空航天出版社，20065黄智伟等 全国大学生电子设 计 竞 赛 训 练教程m北京: 电子工业出版社，20056秦龙msp430 单片机常用模块与综合系统实例精讲m北京: 电子工业出版社，20077康华 光 电 子 技 术 基 础m 北 京: 高 等 教 育出版社，20023系