液体点滴速度监测装置.doc

综合电子设计论文 东南大学仪器科学与工程学院综合电子设计报告液体点滴速度监测装置 摘要本系统以89C52单片机为核心，辅以步进电机驱动、键盘、LCD 显示、LED 显示、光电传感器数据采集等电路组成，实现了一个由一个主站控制多个从站的有线液体点滴速度监控系统。电机控制使用了模糊控制的控制算法，可以有效的减小超调量和静态误差，缩短调节时间。主机使用LCD 显示，用户界面友好。该设计较好地实现了液体点滴速度监控装置的所要求的功能。关键字单片机 步进电机 传感器 液体点滴监测AbstractThe system is designed to construct a wired monitor system of a master station controlling multiple slave stations .With a micro-controller 89C52 as the key, complimented by stepper motor driving, keyboard, LCD display, LED display and photoelectric censor data collection circuit. The combination of fuzzy control working on the motor drive can effectively reduce the amount of over regulating and stable error and shorten the time of adjusting. The whole system realized the function demand of liquid dropper speed monitor well and achieved high technique index.Keywordsmicrocontroller stepper motor sensors monitoring of liquid drip目 录摘要2一、 总体方案设计与论证5 1、速度检测部分52、速度控制部分53、主从机通信协议部分54、系统算法选择部分65、键盘和显示部分6二、 系统设计61、总体设计6（1） 系统框图6（2）电路说明72、方案实现7（1）数据采集7（2）步进电机驱动电路10（3）键盘控制和显示电路10（4）点滴速度的测量11（5）步进电机控制113、系统电路图114、软件系统15（1）主站程序流程15（2）从站程序流程16三、实现功能测试及结果分析17四、结论 17 五、 心得体会17六、 致 谢18七、 参考资料 18一、总体方案设计与论证首先我们考虑利用89C52单片机作为核心控制部分来构成所需要的系统。1、速度检测部分：为了检测液滴下落的速度并且将其转换为电信号，利用主动式红外发射接收传感器完成功能。液滴下落时，利用其对红外线的吸收和折射能力，使红外接收在液滴下落至红外线发射接收通路上时接收红外线发生衰减，来进行规律性的计数，完成检测速度功能。此种方法利用水对红外线的吸收和折射作用来计数，有较强的适应性，可以应用于无色液体，同时保证了用药安全。如图所示：图12、速度控制部分通过步进电机和滑轮系统控制储液瓶的高度，在输液管截面积确定的条件下，利用储液瓶高度不同所引起的液体压强差的改变，实现对点滴速度的控制。此方案实现较为方便，具有结构简单、控制精度高等特点。3主从机通信协议部分由于主从机通信距离较短，从最佳性价比出发，采用TTL 串行通信。其具有易于实现多机通信并且通信线路简单，仅需要TXD，RXD两条通信线，波特率可调，通信速度快等特点。当使用一个字节作为地址标志码时，可以实现主站与最多256 个从站的通信。4系统算法选择部分：为了实现题目要求中控制液滴流速达到预置值的要求，需要选择合适的控制算法。此处我们选择模糊控制方式。虽然其静态误差不易控制，但在对控制精度要求不高的情况下，此方法较为适合，它不需要精确知道被控对象的数学模型，而且适用于具有较大滞后特性的被控对象。5. 键盘和显示部分显示部分可选择液晶显示和数码管显示。本系统中的从站使用8279 扩展键盘和LED 显示器；而主站部分由于要求实时显示多组数据，因此选用12864 点阵LCD 显示。28 键盘直接利用I/O 扩展而成。二、系统设计1. 总体设计（1） 系统框图串行通讯液晶显示单片机键盘从站16从站2从站1 主站步进电机驱动显示电路单片机键盘串口通讯储液瓶步进电机声光报警电路液滴速度与液面高度检测电路去主机从站（2）电路说明：由红外对管接收的液滴流速电信号经过放大、滤波、整形之后，送入单片机。单片机接收到流速信号之后进行处理，并将数据传到显示电路部分显示。键盘控制部分用来设置预置流速值，经单片机送入显示部分。单片机对采集来的数据和键盘设置的数据进行综合分析处理后，通过相应的驱动电路控制步进电机工作，以达到改变图1 中储液瓶高度，从而调节液滴流速的目的。 2.方案实现(1) 数据采集如前所述，将红外对管置于滴斗两侧，使液滴下落时通过其发射接收位置。液滴下落时，由于对红外线具有吸收和折射衰减作用，会使红外接收管接收到的红外线能量降低。虽然这个衰减是瞬变的并且幅度较小，但是经过后处理后，已经足以分辨。直接由红外对管接收到的信号非常微弱而且干扰很大，所以必须经过处理才能送入单片机处理。a信号接收电路 采用红外发射接收器。图2说明：由红色节点处连接比较、滤波、整形电路。b 对接收到的信号进行后处理：虽然经过前处理，红外接收管接收到的信号有了很大改善，但是要送入单片机处理，还需要进一步优化。我们通过放大、滤波、整形几个步骤，使接收信号边沿变得陡峭，幅值达到合适的电平，以送入单片机进行计数。(a) 放大电路：红外接收管输出信号是叠加在直流偏置之上的低频交流信号，并且幅度很微弱。为了便于进一步处理，并去除信号中的直流部分，需要对信号接收管接收到的信号进行差动放大。(b) 滤波电路：经过放大后的信号含有较多的干扰和噪声。如果不去除这些干扰和噪声，会对测量结果产生很大影响。经实验发现，光电传感器的输出波形在受环境光线的影响时会出现一个液滴产生两个脉冲的现象， 为此我们加大了滤波电路的时间常数。为使系统运行更加稳定，我们在软件上设计了消除双脉冲程序。使得双脉冲干扰问题得到较好解决。(c)整形电路：经过放大、滤波之后，信号已经具有较为良好的特性。为了实现单片机对液滴流速的检测，必须将所得信号与一门限信号相比较，以判定有无液滴落下，并尽量避免误动作。这部分电路是由LM311 组成的电压比较器来实现的。信号通过电压比较器之后，产生边沿陡峭的脉冲，选择合适的电平，即可将此脉冲送入单片机进行计数。图3由6号引脚输出光电传感器。c、液面检测电路该部分电路与液滴速度检测电路相同。值得强调的一点是当液面较低时，上升气泡体积较大，而且在液面活动剧烈，对光电传感器光源输出的平行光束的吸收与散射作用明显增强。(2)步进电机驱动电路本系统选用42BY015 型步进电机，采用NMOS 管IF530 构成如图4 所示的驱动电路。该电路的特点是无反向电流泄放电路，最大驱动电流达1 安培。由于AT89C52 单片机I/O 口的复位电平为“高”，为了避免开机瞬间由于NMOS 管导通对步进电机造成损坏，在单片机I/O 口和MOS 管之间加74HC04 构成的反相器，以改变驱动逻辑。图4(3)键盘控制和显示电路主站键盘是由单片机I/O 接口直接扩展的28 键盘，显示器选用LMA97S005AD（12864）点阵式液晶显示模块，该模块具有20 引脚，可直接与单片机实现并行连接。从站键盘、显示电路如图5 所示。采用8279 作为键盘、显示的接口芯片。8279 是一种通用的可编程键盘/显示器接口芯片。它能接收和识别来自键盘阵列的输入数据并完成预处理，还能显示数据和对数码显示器进行自动扫描控制，是实现CPU 和键盘、数码显示器之间进行信息交换的一种专用接口芯片。 (4)点滴速度的测量系统中利用软件方式定义了一个内部时钟，该时钟利用定时器0 中断计时。通过外部中断使其复位，并读取时间T ，进而利用下式计算出点滴速度 V。V=60/T （次/分）为使点滴速度具有1 次/分的精度，取量程为200 次/分，则要求内部时钟的计时周期应小于T=TV/V=60/200 秒1 次/分 / 200 次/分=0.0015 秒选取计时精度为1 毫秒，可以计算出本系统在1 次/分的精度下最大量程为245 次/分。经对双脉冲干扰进行分析，两个脉冲之间的时间间隔小于85 毫秒，所以在点滴速度测量时，若脉冲时间间隔小于100 毫秒，忽略该次触发则可以消除双脉冲干扰。本方法经点滴速度小于300 次/分以下的实验验证，效果良好。(5)步进电机控制步进电机采用模糊控制算法。按点滴速度设定值与实际值差值不同设置五级不同的电机速度，差值大时，电机速度大；差值小时，电机速度小。并根据差值的符号决定电机运行方向。3.系统电路图 主站电路从站电路为能够较为清楚的看到从站电路的具体连接方式，我们将其分成两部分截图。局部从站电路（1）局部从站电路（2）4.软件系统由于本次综合电子设计主要是实现硬件部分，所以我们在软件部分只给出主从站的程序流程，具体的算法忽略。(1)主站程序流程开始初始化按键解释和设置系统标志返回主菜单定点查询方式站号输入巡回查询方式站名输入巡回实时显示报警处理和显示串行收发处理定点实时显示巡回查询方式站数输入由于系统程序较大，而且要求实时处理的随机事件较多，因此采用了由系统标志统筹整个系统协调工作的程序设计方法，所有子程序调用一次后立即返回主程序，提高了系统的工作效率。从站的设计方法与之相同。(2)从站程序流程开始初始化键盘解释和标志设定返回开机界面计算速度设定滴速报警下限设定滴速报警上限手动升降电机电机自动控制设定从机地址设定点滴速度值显示一次报警程序串行接收程序串行发送程序三、实现功能测试及结果分析1、动态显示液滴速度,每下落一滴刷新显示一次，测量范围为0-245 次/分,精度1 次/分。2、能在20-150 滴/分范围内控制点滴速度,最长调节时间为2 分钟13 秒，速度最大误差不超过5%。3、具有储液瓶液面低报警、液滴速度上下限报警和其他四个异常情况报警功能。速度上下限由从站设定，系统预留有其他异常情况报警输入接口；报警时主、从机可分别显示报警类型。4、系统主站具有多达256 个从站的控制能力，有定点和巡回检测两种方式。定点检测方式可检测任一从站的点滴速度值和点滴速度设定值；巡回检测方式最多可同时显示16 个从站的数据。5、从站可接受主站的点滴速度设定信息，并可自由选择是否按照该信息调整点滴速度。四、结论本系统以89C52芯片和步进电机为核心部件，采用储液瓶高度调节方式实现液滴速度的控制。系统的基本功能和液滴控制范围与精度指标达到基本要求。如果光电传感器采用调制技术，提高抗干扰能力和控制算法的进一步优化，通信采用RS485 协议将使本系统的性能进一步提高。五、心得体会作为综合电子设计，此次我们设计的液体点滴速度监测装置中，把硬件部分作为最主要的部分来实现。从最初的拟题，查找资料，到中期的设计、运用软件画图，到最后的论文成型，我们的小组成员都很认真的对待，虽然各有分工，但是亦将合作作为我们的宗旨。此次设计中，我们也遇到了很多的困难。首先是知识的不充足。在拟好题目后，我们将装置进行模块分化，并首先进行单个模块的设计。但是由于我们的单片机知识的缺乏、对于一些硬件的不熟悉，导致我们在芯片的选取，以及各部分构成上不能顺利进行下去。此外，在各部分的整合上，仍然有较大的问题。其次就是对Protel软件的不熟悉。由于刚刚接触这个软件，我们在后期的画图中也并不顺利。不过通过网上资料的搜索，图书馆书籍的借阅，向学长们的咨询，以及我们自己的探索，逐渐将这些问题一一解决。虽然现在的我们依然不能说可以完全掌握这些知识，但是我们却大致了解了，相信在以后的学习中，这部分只是会逐渐的完整、深化。总体来说,这次实习我们受益匪浅.在摸索该如何设计程序使之实现所需功能的过程中,特别有趣,培养了我们的设计思维,增加了实际操作能力.在让我们体会到了设计的艰辛的同时,更让我们体会到成功的喜悦和快乐. 这次综合电子设计,虽然短暂但是让我们得到多方面的提高：1、提高了我们的逻辑思维能力，使我们在逻辑电路的分析与设计上有了很大的进步。加深了我们对组合逻辑电路与时序逻辑电路的认识，进一步增进了对一些常见逻辑器件的了解。另外，我们还更加充分的认识到，模拟电路这门课程在科学发展中的至关重要性2，查阅参考书的独立思考的能力以及培养非常重要，我们在设计电路时，遇到很多不理解的东西，有的我们通过查阅参考书弄明白，有的通过网络查到，但由于时间和资料有限我们更多的还是独立思考。3，相互讨论共同研究也是很重要的。总之，我们做出了这样一个模拟系统，虽然没有将它做成实物，但是作为我们初步的一个成品，也会觉得很开心。我们相信，不断探索的过程就是汲取知识的过程，这次的综合电子设计，及时对我们团队合作的考验，也是对我们独立解决问题能力的考察，我想我们懂得的不仅仅是单纯的知识，还有精神层面的东西。六、致