基于51单片机的液体点滴速度监控装置

科技信息计算机与网络 基孑5 1 单毙相的液傩点滴速度监控装置 淮安信息职业技术学院张金美 摘要 利用单片机设计并制作一个智能化的液体点滴速度监测与控制装置 该装置由水滴速度测试系统 水速控 制系统 显示装置 单片机系统 键盘和报警等系统组成 应用水的压强随着高度差的变化而变化的原理 利用控制步 进电动机的升降来控制点滴速度 点滴速度可用键盘来设定 设定范围为2 0 1 5 0 滴 分 控制误差范围在1 0 1 滴 左右 从改变设定值起到点滴速度基本稳定整个过程的调整时间小于3 分钟 同时在水到达警戒线以下时能发出报 警信号 关键词 点滴速度红外传感步进电动机5 1 单片机 1 引言 目前大小医院中所使用的静脉输液器都是悬挂在病人的 上首才能输液 输液速度难以准确限制 这对特护病人和对输 液速度有较严格的病人是不方便的 目前的输液监控报警器笨 重 体积大 价格太高 增加医院和病人的费用 所以如果有液 体点滴速度监控装置 必将深受医务人员和病人的欢迎 因为 它有许多的优点 如 可以用按键准确控制速度 可以报警 设 备结构简单 费用低等 所以对液体点滴速度监控的研究十分 有意义 本设计包括以下几部分 2 方案设计与论证 根据题目要求 系统可以划分为几个基本模块 如图1 所示 图1 系统模块 2 1 速度监控的方法 利用步进电动机和压强的原理来控制水滴的速度 由公 式 P p g h 可以知道由于液面高度的不同 压强也不同 从而 改变液滴的速度 这样的系统比控制输液软管的松紧更好控 制 而且比较容易实现 1 米8 的高度足以实现速度从2 0 1 5 0 倩 分 的调节 首先利用实验先大概的测出对应的高度所对应的水滴速 度 并记下来存在单片机内 到时候就直接调出来 在滴斗处用 红外系统来测量水滴的速度 再在储液瓶到瓶口3 e r a 处装一个 红外系统来监控水位 当在键盘上按入某个点滴速度时 从单 片机内调出相对应的某一个高度 然后控制步进电动机转动进 行粗调 再利用红外系统进行反馈来细调 直到红外反馈和所 按的速度一样为止 这是软件编程的一种算法 另一种算法也 可采用折半查找法 但是由实验已得知其高度与液体滴速成较 精确的线性关系 如图2 所示 所以我们采用了直接粗调与细 调相结合的方法 调好以后由于液面的下降和一些其他的因素 又会产生一 些速度的变化 或者本身水滴的速度又不是均匀的 所以调好 以后速度有可能自身就会发生变化 可以利用红外监控 智能 化的调整高度来控制速度 就是利用单片机来随时的自我调 整 这样使系统的难度变成用软件来解决 更加的合理 而且更 加准确 误差很小 对各模块的实现 分别有以下一些的设计方案 2 2 步进电动机的驱动 要使步进电动机输出足够的转矩以驱动负载工作 必须对 控制信号进行放大 实现这一功能的电路称为步进电动机驱动 电路或功放电路 驱动电路是步进电动机应用的关键 是影响 其性能发挥和可靠运行的 个最重要因素 常见的步进电动机驱动电路有三种 双电源驱动电路 斩波限流驱动电路和单电源驱动电路 其中单电源驱动电路采用单一电源供电 结构简单 成本低 但 电流波形差 效率底 出力小 主要用于对速度要求不高的小型 步进电机的驱动 虽然像斩波限流驱动电路比较的常用 性能 也比较好 但基于实际应用和成本等的考虑 我们选用单电源 驱动电路就可以了 l 贪 图2 液面高度与液滴流速的关系图 2 3 红外测速 红外传感器已经在现代化的生产实践中发挥着它的巨大 作用 随着探测设备和其他部分的技术的提高 红外传感器能 够拥有更多的性能和更好的灵敏度 所以利用f f 2 b 传感器来测 量水滴的速度比较好 因为利用反射式红外传感器很难进行对水的判断 而利用 对射式红外传感器 虽然水对红外的遮挡比较弱 但相对反射 来说又会强一点 经过实验发现对射式红外传感器能比较灵敏 的测出水滴 总之 经过一番仔细的论证与比较 决定了系统各个主要 模块的最终方案如下 电机控速模块 用步进电机来控制储液瓶的高度来达到控 速的目的 图3 电机控制液态点滴的模型 一2 1 9 一 万方数据 科技信息计算机与网络 步进电机的驱动 采用硬件驱动 红外测速 采用对射式红 外传系统 大概的外型如图3 所示 3 系统的具体设计与实现 系统组成及原理框图如图4 所示 以下分为硬件和软件两个方面进行具体的分析 图4 电机控制液态点滴原理框图 3 1 系统的硬件设计 3 1 I 步进电机部分 随着生产过程机械化 电气化和自动化的不断发展 出现 了各种类型的特种电动机 这些电动机的工作原理 一般与普 通的异步电动机和直流电动机的基本原理近似 但是它们在性 能 结构 生产工艺上各有其特殊性 多用于自动控制过程中 步进电机就是其中的一种 步进电机是工业过程控制及仪表中的主要控制元件之一 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构 通俗一点 讲 当步进驱动器接收到一个脉冲信号 它就驱动步进电机按 设定的方向转动 个固定的角度 即步进角 您可以通过控制 脉冲个数来控制角位移量 从而达到准确定位的目的 同时您 可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度 从而 达到调速的目的 3 1 2 红外测速 红外传感器是作为光电传感器的一种 我们先来介绍一下 反射式红外传感器 它是一种可以利用其对物体表面黑度的敏 感特性 应用于测量微小的位移 从光源红外发射管发射出的 一定强度的光束到达测量面后 根据物体表面的不同黑度和表 面光洁度 部分光散射和反射到红外敏感接收管转变成为和接 收管接收到的光强成正比的电信号 若在具有同样表面光洁度的一块测量面上涂上黑白涂料 有意造成反射光强的不同 当红外光束的光斑从黑色移动到白 色区域时 接收管输出的电信号将产生一个阶跃 阶跃的过程 主要取决于光斑的大小 测量面的移动及电信号响应的速度 等 虽然水滴的速度不快 红外线足以响应 但是水是透明的不 好反射 它的反射信号几乎没有 所以利用反射式红外传感很 难测到信号 下面介绍一下对射式红外传感器 其原理和反射式红外传 感器差不多 只不过我们经过实验发现对射式红外传感器对水 滴的测量信号会更好一些 1 I c c 制光 被受光器接收 变为电信号 当被测体进入检测区时 光 被遮挡 受光器无光可受 传感器输出状态改变 光电传感器因 为检测无接触 检测距离大 检测精度高而广泛应用于测距 测 速 计数 行程控制等 然而 传感器工作一段时间后 调整好的 光轴会发生变化 透镜表面会吸附尘埃 油污 这些引起检测距 离减小 甚至无法检测 因为我们测的是点滴管比较小 而且是 贴在上面的 所以干扰会比较小一点 但是我们还是不能忽略 了这一点 尽量的减少误差 具体的电路如图5 所示 因为单片机是对负脉冲有效 而对射式光电传感器在没有 东西遮挡时受光器端是低电平 有东西遮挡时是高电平 即测 量水滴速度时产生的是正脉冲 所以在受光器端和单片机之间 加 个非门把正脉冲变成负脉冲 3 2 系统的软件设计 单片机控制电路主要由一片8 0 C 5 1 组成 8 0 C 5 1 主要实现 对点滴速度的测量并对步进电动机进行控制来调水滴速度和 对水位进行判断并声光报警 而且还负责速度和距离关系的一 些计算 单片机是整个系统的核心和控制中心 各个系统的数 据都是送到单片机进行处理 而且所有的命令都是由单片机发 出 所以对单片机的软件设计是非常重要的 它关系着整个系 统的功能 单片机具体电路如图6 所示 砌 l 图6 单片机控制电路 3 2 I 主要的软件流程图 如图7 所示 主程序 外部中断0 对射式光电传罴端嘉端笺恭分为投光器和受光 外部中断l 对射式光电传感器 以下简称为传感器 分为投光器和受光 7 器两部分 两者光轴重合在同一直线上 工作时 投光器发出调 一2 2 0 一 图7 软件的流程图 万方数据 主程序初始化并显示当前的水滴速度 并开两个外部中 断 两个内部中断 由于本系统的重点相对其他的智能化系统 来说硬件会比较重要一点 系统的稳定度受客观的影响比较 大 所以主程序也相对比较的简单 外部中断0 是用来监视键盘的 一旦有人按了键盘输入 某个水滴速度时 单片机就会与单前的速度相比教 速度比它 小单片机就控制步进电动机往上拉 速度比它大时单片机就会 控制电动机往下调 在调整的同时单片机又会定时的进行不断 反馈 以便更好的控制 并把当前的水滴速度显示在数码管上 外部中断1 是用来监视水位的 一旦水没有堵在光电传 感器之间单片机就会检测到 并且发出警报信号 除以上的功能外 还有水滴的速度测量是通过计算脉冲来 实现的 但有时候滴液斗的壁上会有小水珠出现 所以我们设 计了 个判断程序 以减少误差 在水位报警的时候用一含延 时来判断是不是水珠 以免误报 错报等 图8 液面高度与液滴流速的关系图 5 结束语 本设计应用的硬件比较多 而且应用到了两处的红外传感 器 所以系统很容易受到外界的干扰 自然影响很大 虽然我们 应用了单片机的智能控制 但是受一些干扰是难免的 4 实际测试 利用直尺和秒表测量在不同的高度所对应的水滴速度 如 参考文献 图8 所示 1 徐江海 单片机实用教程 机械工业出版社 2 0 0 0 2 从图中可看出 液面的高度与液滴的流速的关系基本上是 2 孙涵芳 徐爱卿 M C S 5 1 9 6 系列单片机原理及应用 北 成正比的 而且基本上和显示的数值的误差不大 在滴速快的 京航空航天大学出版社 1 9 9 8 7 高度误差会高一点 3 康华光 陈大钦 电子技术基础 高等教育出版社 1 9 9 8 8 上接第2 1 8 页 为 2 5 5 2 5 5 2 4 0 0 这个数为该网络的子 网掩码 2 3I P 子网掩码的标注 l 无子网的标注法 对无子网的口地址 可写成主机号为 0 的掩码 如I P 地址2 1 0 6 4 1 4 0 5 掩码为2 5 5 2 5 5 2 5 5 0 也可 以缺省掩码 只写I P 地址 2 有子网的标注法 有子网时 一定要二者配对出现 以C 类地址为例 1 皿地址中的前3 个字节表示网络号 后一个字节既表明 子网号 又说明主机号 还说明两个I P 地址是否属于同一个网 段 如果属于同一网络区间 这两个地址问的信息交换就不通 过路由器 如果不属同一网络区间 也就是子网号不同 两个地 址的信息交换就要通过路由器进行 2 j 奄码的作用是说明有子网和有几个子网 但子网数只表 示一个范围 不能确切讲具有几个子网 掩码不说明具体子网 号 有子网的掩码格式 c 类地址 为主机标识前几位是子网号 后面不写主机 全写0 3 如恫计算I P 地址 及子网掩码 由于网络普及 各种类型的网络就以不可思议的速度进行 大规模的扩张 也同时逐渐暴露出了它的弊端 即网络号占位 太多 而主机号位太少 目前最常用的解决办法是对一个较高 类别的I P 地址进行细划 划分成多个子网 然后再将不同的子 网提供给不同规模大小的用户群使用 为了能有效地提高I P 地 址的利用率 主要是通过对I P 地址中的 主机号 的高位部分取 出作为子网号 从通常的 网络号 界限中扩展或压缩子网掩 码 用来创建某类地址的更多子网 但创建更多的子网时 在每 个子网上的可用主机地址数目会减少 要确定更多子网的子网 掩码 应先确定传输口信息流的网段的数目 然后再确定能够 容纳网段数的最低子网掩码数目 记住不要使用包含全0 或全 1 的网络地址 下面通过实例计算I P 地址和子网掩码 如一个主机的I P 地址是2 0 2 1 1 2 1 4 1 3 7 掩码是 2 5 5 2 5 5 2 5 5 2 2 4 要求计算这个主机所在网络的网络地址和广 播地址 2 5 5 2 5 5 2 5 5 2 2 4 的掩码所容纳的I P 地址有2 5 6 2 2 4 3 2 个 包括网络地址和广播地址 那么具有这种掩码的 网络地址一定是3 2 的倍数 而网络地址是子网I P 地址的开始 广播地址是结束 可使用的主机地址在这个范围内 因此略小 于1 3 7 而又是3 2 的倍数的只有1 2 8 所以得出网络地址是 2 0 2 1 1 2 1 4 1 2 8 而广播地址就是下一个网络的网络地址减1 丽下一个3 2 的倍数是1 6 0 因此可以得到广播地址为 2 0 2 11 2 1 4 1 5 9 再如根据每个网络的主机数量进行子网地址的规划和计 算子网掩码 这也可按上述原则进行计算 假如某个子网有1 0 台主机 那么 其子网就需要1 0 l 1 1 1 3 个I P 地址 注 意加的第一个1 是指这个网络连接时所需的网关地址 接着的 两个1 分别是指网络地址和广播地址 1 3 小于1 6 1 6 2 所 以主机位为4 位 而2 5 6 1 6 2 4 0 所以 其子网掩码为 2 5 5 2 5 5 2 5 5 2 4 0 倘若子网有1 4 台主机 这时依然分配具有1 6 个地址空间的子网 而忘记了给网关分配地址 这样就错了 因 为1 4 l 1 1 1 7 大于1 6 所以只能分配具有3 2 个地址 3 2 2 空间的子网 这时子网掩码为 2 5 5 2 5 5 2 5 5 2 2 4 而在子网内部的主机地址的计算方法为 当前主机的m 地 址的最后一个字节 寸 迸制 减去当前主机所在的子网地址的最 后 个字节所得的结果就是当前主机的地址 例如 个主机 的口为1 9 2 1 5 5 1 2 1 1 2 其所在的子网地址为0 0 0 9 6 因此它 的子网主机地址为 11 2 9 6 1 6 即0 0 0 1 6 4 小结 一般来说 计算口地址的子网掩码非常地简单 按照其定 义就可写出 先要划分成子网的I P 地址 即可准确地计算每个 子网的掩码 当然 方法的选择很重要 通常方法有两种 一种方法是利用子网数目来计算 将子网数目化为二进制 数 统计 l 的位数N 最后求出此I P 地址对应的地址类别的子 网掩码 在求出的子网掩码的主机地址部分的前N 位全部设置 为1 即可得出该I P 地址划分子网的子网掩码 另一种方法是利用主机数来计算 首先将主机数目化为二 进制数 如果主机数小于或等于2 5 4 注意去掉保留的两个I P 地 址 统计 1 的位数N 如果主机数大于2 5 4 则N 8 即主机地 址将超过8 位 最后 使用2 5 5 2 5 5 2 5 5 2 5 5 将此类I P 地址的主 机地址位数全部设置为1 然后按照 从后向前 的顺序将N 位 全部设置为0 所得到的数值即为所求的子网掩码值 总之 在求子网掩码之前必须先清楚要划分的子网数目 以及每个子网内的所需主机数目 参考文献 1 曹耀钦等 计算机网络技术及应用 M 北京 机械工业 出版社 2 0 0 7 2 刘远生主编 计算机网络教程 M 北京 清华大学出版 社 2 0 0 7 3 黄淑华编著 计算机网络技术教程 M 北京 机械工业 出版牡 2 0 0 4 一2 2 1 万方数据 基于51单片机的液体点滴速度监控装置基于51单片机的液体点滴速度监控装置 作者 张金美 作者单位 淮安信息职业技术学院 刊名 科技信息 学术版 英文刊名 SCIENCE TECHNOLOGY INFORMATION 年 卷 期 2008 32 引用次数 0次 参考文献