液滴速度检测与控制装置设计

1、摘要2.一、设计题目3.1.1基本要求：3.1.2发挥部分：3.二、系统基本方案4.2.1系统各个模块方案的选择4.2.2系统最终方案的确定 7.三、系统硬件的设计与实现 8.3.1系统硬件的基本组成部分 8.3.2单元电路的设计&四、系统软件设计 12五、系统调试1.35.1硬件调试135.2软件调试135.3功能调试及结果分析1.3六、系统仿真设计14七、设计总结1.5八、参考文献1.61摘要该设计以AT89C52单片机为主控芯片，在设计中采用红外对管进行液滴及其液位的 检测，并通过电压比较器将液滴及其液位的变化转换为高低电平的变化，利于数字控制。 以LCD和步进电机作为输出系统输出相关信

2、息并控制系统相关操作。采用大功率步进电 机，利用达林顿管进行驱动，实现进行吊瓶的上下移动，从而达到设计的最终目的。在该设计中，通过相关设计及调试，系统工作稳定可靠，各项配置均达到了设计要求。关键词：单片机LCD步进电机 吊瓶 红外对管 电压比较器 达能管2、设计题目1.1基本要求：设计并制作一个液体点滴速度监测与控制装置。(1) 在漏斗处检测点滴速度，并制作一个数显装置，能动态显示点滴速度(滴/分)。(2) 通过改变H2控制点滴速度，也可以通过控制输液软管夹头的松紧等其他方式来控制点滴速度。点滴速度可用键盘设定并显示，设定范围为20150 (滴/分),控制误差范围为设定值土 10% 1滴。(3

3、) 调整时间w 3min (从改变设定值起到点滴速度基本稳定， 能人工读出数据为止)。(4) 当H1降到警戒值(23cm)时，能发出报警信号。1.2发挥部分：设计并制作一个有主站控制16个从站的有线监控系统。16个从站中，只有一个从站 是按基本要求制作的一套点滴速度监控装置，其他从站为模拟从站(仅要求制作一个模拟 从站)。1、主站功能：(1) 具有定点和巡回检测两种方式。(2) 可以显示从站传过来的从站号和点滴速度。(3) 在巡回检测时，主站能任意设定要查询的从站数量、从站号和各个从站的点滴速 度。(4) 能收到从站发出来的报警信号后，能声光报警并能显示相应的从站号；可以手动 方式解除报警状态

4、。2、从站功能：(1) 能够输出从站号、点滴速度和报警信号；从站号和点滴速度可以任意设定，接收 主站设定的点滴速度信息并显示。(2) 对异常情况进行报警。主站和从站家的通信方式不限，通信协议自定，但应该尽量减少信号传输线的数量1、系统基本方案根据对系统的工作及其检测控制原理， 系统可以分为以下几块：液滴检测转换模块、液位 检测转换模块、主控部分、显示模块、步进电机及其驱动模块等几部分。其基本框架如图 1 所示：图1液滴检测基本框架2.1系统各个模块方案的选择（1）液滴速度测量方案一、采用电感式传感器测量点滴速度。在输液器的漏斗外围绕线圈作为敏感元件。当液滴滴下时电感量发生变化，通过LC振荡电路

5、后输出变化的频率值，经过 F/V变换电路及电压比较后输出 TTL电平信号来检测点滴速 度。此方案测量精度比较高，但是外围电路比较复杂。方案二、利用光的透射原理。使用光敏二极管和单向光源实现光的检测。 通过光敏二极管接收透射过来的单向光源的光 信号，产生脉冲信号。其原理如图 2所示。图2透射检测原理方案三、利用光的反射原理。使用红外发光二极管和光敏三极管实现光源检测。红外发光二极管垂直于漏斗壁发送红外 光，红外接收三极管依据接收到的红外光信号的强弱产生脉冲信号， 通过定时采样计算出液体 点滴速度。实现原理框图如图3所示。方案四：采用微波传感器TX982对水滴进行检测。该传感器利用微波多普勒技术，

6、在有效空间内建立电场。当移动物体进入电场后，该传感 器能够检测出该移动物体，输出检测信号。但是该传感器检测速度较慢，易受温度、气压、取 样位置、人为因素等影响。检测高速液滴时（120滴/分），存在漏检情况。根据本课题的精度 要求，不宜采用此传感器。在所选择方案中，方案一设计精度较高，但是外围电路复杂。方案二实现容易，但是易受 外界干扰。方案三中采用红外对管发射接收。红外传感器有以下优点：尺寸小，质量轻，安装 在滴斗上较简单；对辅助电路要求少，在近距可以用直流发射，电路简单，性能稳定。此方案 简单，较容易实现。综上所述，故采用第三种方案。（2）液面检测方案一、利用超声波测量液面高度。超声波测距准

7、确，是一种常用的测距方法。但是在本系统存在液体产生的表面波动， 使用 超声波传感器检测液面会产生较大的误差，同时超声波传感器安装方位的确定也是一大难题。方案二、用测定电容的方法来检测。在瓶壁上用两块薄金属箔包裹构造出一个电容。根据电容中的介质不同，可以确定是否达到警戒水位。此数据可以由实验中得出。方案三、采用称重传感器检测。利用称重传感器检测总质量，并与实际测量中当液体液面达到设定位置时的总质量相比 较，根据液体体积与质量的关系，当测量总质量与设定值相等时发出报警。方案四：同点滴速度测量模块，仍然采用红外对管发射接收。根据该接收管收到的光强的大小，利用比较电路将两种不同的状态进行转换为高低电平

8、 输出，从而来判断液位是否达到警戒水位。总上所述，从实现难易程度和题目要求以及实际情况出发，选用方案四。并且方案四的 所用的器件较少、调试容易、成本较低。但是方案四在实际操作中，输液瓶子内压强变化产生 的气泡会对液位的检测造成干扰，应该在实际的软件操作中通过对高低电平跳变的时间予以检 测从而消除干扰。(3) 执行部分的实现方式方案一：米用直流电动机直流电动机具有良好的起、制动性能，易于在广泛范围内平滑调速，容易得到满意的动、 静态性能，但其不能进行定位。方案二：采用步进电动机步进电动机可以用数字信号直接进行开环控制，易于起动、停止、正反转及调速，响应快 速。它的速度可在相当宽的范围内平滑调节，

9、 停止时具有定位转矩。其位移与输入脉冲信号数 相对应，步距误差不积累，可以组成结构较为简单而又具有一定精度的开环控制系统，也可在要求更高精度时组成闭环控制系统。可以达到题目要求，故选此方案。在考虑对步进电机的选择时，题目中选用 57BYG型步进电机，其转矩较大，振动小，功 耗较大。步距角为：091.8,绝缘电阻为500V,温升65K。(4) 点滴速度控制的实现方案一：通过改变滴斗到药液瓶的高度 H2来调节点滴的速度。由电动机带动药液瓶使药液瓶上升或下降改变滴斗到受液瓶的高度H2,从而调节点滴速度。此种调节方法简单，精度较高，容易实现。所以在该设计中选用此方案。方案二：通过控制滴速夹的松紧来控制

10、点滴的速度。不过滴速夹用于大范围的调节滴速， 难以控制，适用于粗调。(5) 显示相关模块根据题目要求，液滴速度可以由人工自行确定，故在设计中采用4X4矩阵键盘设计。并 对于显示方案有如下几种:方案一、采用液晶显示屏和通用矩阵键盘。液晶显示屏（LCD具有功耗小、轻薄短小无辐射危险，平面直角显示以及影象稳定不闪 烁，可视面积大，画面效果好，抗干扰能力强等特点。但由于只需显示三位温度值，信息量比 较少，且由于液晶是以点阵的模式显示各种符号，需要利用控制芯片创建字符库，编程工作量 大，控制器资源占用较多，其成本也偏高。方案二、采用三位LED七段数码管显示点滴数目。按键采用按键操作。数码管具有低能耗、

11、低压、寿命长、耐老化，对外界环境要求较低。同时数码管采用 BCD编码显示数字，程序编译 容易，资源占用较少。在该设计中，由于考虑成本等因素，由于材料因素，我们选择LCD显示。显示液晶LCD选用YB1602A型。YB1602A型液晶是一种字符型液晶。总共可以显示 2 行*16个字符，每个字符是5*8点阵组成的字符块集。字符型液晶显示模块由字符型液晶显示 屏（LCD），控制驱动主芯片SPLC780C及其扩展驱动芯片SPLC100等构件装配而成，其结构 稳定使用寿命长。（6）电机控制方案的选择步进电机控制算法的选择直接影响系统的工作性能和技术指标，在本系统的设计中起着关键的作用。其中可以选择的方案有

12、：方案一、采用模糊控制。其优点是不需要精确知道被控对象的数学模型，而且适用于有较大滞后特性的控制系统，缺点是静态误差不易控制。方案二、采用PI控制。其优点是技术成熟，容易实现，并且产生较小的系统误差。根据 题目对设计的要求不高，所以采用方案二。2.2系统最终方案的确定根据以上的分析，各个模块部分的方案如下：（1）点滴速度测量采用红外对管发射接收方式。（2）储液检测电路仍然采纳红外对管发射接收装置。（3）点滴速度控制是利用步进电机正反转来调节储液瓶的高度来实现的。（4）键盘显示用的是四列矩阵按键 LCD来显示的。三、系统硬件的设计与实现3.1系统硬件的基本组成部分该设计中运用了检测技术、自动控制

13、技术和电子技术。总体上系统可以分为传感器检测部 分和控制部分两大部分。传感器检测部分：系统利用红外对管发射接收即光点传感器将检测到的信号转化为控制器 可以辨别的电信号。传感器检测电路包括 2个单元电路：点滴速度测量电路、储液检测电路。智能控制部分：系统中控制器件根据有传感器变换输出的电信号进行逻辑判断， 控制点滴 的速度及数码管的显示，完成了点滴装置的自动检测、自动调速、 LCD显示及报警功能等各 项任务。开控制部分主要包括 3个电路：单片机控制电路、电动机的驱动电路、 LCD的动态 显示电路。3.2单元电路的设计(1)采用红外对管发射接收测量点滴速度，其电路原理图如图4所示:图4红外对管接收

14、测量点从电路原理图可以看出，当有液滴落下时，接收管接收到信号，有液滴滴下时，下落 的水滴对红外光有较强的漫反射、吸收及一定的发散作用，导致接收光强的较大改变，接 收管不能收到较强的信号，所以才用一个电压比较器，将小信号进行比较放大。从而输出 一个较强的信号给单片机。LM311是一种高性能电压比较器。能工作与 5V到30V的单个电源或者分离电源，如 通常的运算放大器一样，使LM211或者LM311成为一种比较通用的电压比较器。该设备 的输入可以是与系统地隔离的，而输出则可以驱动以地为参考或者以 Vcc为参考。（2）储液检测电路图仍然是和点滴速度测量电路一样，只是所接单片机的接口不同。其 电路图如

15、图5所示。图5液位检测电路由图5可以看出，液位的检测电路和液滴的检测电路一样，只是所接的单片机的端口不同。 该电路图的原理和液滴速度检测电路的原理是一样的。由于红外光在水中和空气中的吸收系数不同，从而通过空气和水后的光强也是不同的。 所以，报警信号也是由储液信号来决定的， 当 储液的液面的高度为23cm后，会由红外对管发射接收产生检测信号，即为报警信号。其报 警电路如图6所示：图6报警电路设计由图6可以看出，当P2.0输出一个高电平时，三极管发射极正偏，集电极反偏，其工作在 放大区。所以蜂鸣器开始鸣响，显示报警信号。(3) 电机的驱动电路ox rst_ cwcc 暫 HALF.航 CTL VR

16、EF 5EH1 SEN3GNDOSO卄CLK gOC1UJ35LELFtl.JTI严 14 J3MONElMvsA/Q5GND-MM2mLir4d?iGND-MQi TIPI 22AC2GND-M OUTPUTIKPUTL图7步进电机的驱动电路利用步进电机实现储液瓶的高度变化，但由于单片机输出电流和电压有限，所以不能直接驱动步进电机，故必须在电路中设计相关的驱动电路。题目中选用L297A和TIP122芯片作为驱动电路的组成部分。L297能产生4相控制信号，可用于计算机控制的两相双极和四相单相 步进电机，能够用单四拍、双四拍、四相八拍方式控制步进电机。芯片内的PWM斩波器电路可开关模式下调节步进

17、电机绕组中的电机绕组中的电流。(4) 稳压电路10在题目中稳压电路采用7085芯片及其相关电路构成。7085是一个三端稳压器件，其最大 输出电流为1.5A，封装形式为TO220,它有一系列固定的电压输出。由于 7805上面的压降 较大，所以发热明显，故一般需要采用散热片。7085虽然是按照一定的电压设计的，但是当接入适当的外部器件后，就能获得各种不同的电压和电流。在图8中其中电容C5可以改善稳定性和瞬态响应，其稳压电路设计如图 8：(tNL)Ileadei 2#图8稳压电路设计（5）可调稳压电路设计在该部分设计中，采用LM1084芯片，LM1084是一款典型的低压差线性稳压集成电路，输入输出电

18、压差低至1.5V，输出电流可达5A。可通过引脚外围电阻设置调整输出，输出调整范围为1.2V 15V。其输出电压与输入电压的关系为：MVcc=1.25（ 1+R5/R4）。LT3CtND四、系统软件设计图10系统程序流程在该设计中，程序的设计使用C语言，对单片机编程实现相关操作。在系统上电之后， 主程序对各个模块进行初始化， 接收从传感器传来的信号，并对该信号进行处理，同时输出调 整信号控制电机的转动，并及时对键盘进行扫描，显示和控制点滴的速度。其系统的程序流程 图如图10所示。储液瓶检测程序主要是用于测量储液瓶内部的液位高度的，当液位低于 23cm时，发 出报警信号。如果液位的高度不在此区间内

19、，则点滴的速度照常采集，并送入单片机内部。其 储液子程序流程图如图11所示。图11储液瓶检测程序设计流程五、系统调试5.1硬件调试(1) 液面检测及其液滴检测电路调试在该部分中，根据实际的硬件电路，通过万用表检测各个部分的输入输出电压， 并在该过 程中通过调整可变电阻变化从而调节比较器的参考电压和输出，是其输出达到要求。(2) 电机运行调试在该部分主要根据电机运行和相关的设定值之间的关系，并于软件算法一起协同调试。5.2软件调试在该设计中，程序较大，并采用 C语言编写，采用自上而下的调试方法，各个部分模块 化调试。先调试功能电路，在调试整个系统。在软件的调试过程中，针对所应用的对象不同， 设计

20、了相关模块的仿真，以方便程序的编写和配合硬件调试。在本次设计过程中，软件与硬件 协同设计，提高了工作效率。5.3功能调试及结果分析（1）在对液面检测调试过程中发现，当储液瓶和输液管正常工作时，会因为瓶内的压力 发生变化，从而有气泡产生，造成假象，使蜂鸣器鸣叫。所以要求在对软件的设计过程中，应 该设计有去除干扰的部分。（2） 在对步进电机的调试过程中，主要发现稳压芯片 LM1084发热的现象比较严重。根 据LM1084芯片设计手册，LM1084在工作中工作温度在-40摄氏度到125摄氏度之间。针对 发热明显的现象，主要采取的措施就是加装散热片，降低温度，同时做到避免电流过大烧毁芯 片。（3）在调

21、试的过程中发现，红外收发对管在工作过程中容易受到外界的干扰，针对此现 象，在实际的设计过程中对红外收发对管外围进行包裹，并对各个部分用硅胶进行固定。六、系统仿真设计在该设计中，为了方便编写程序设计和简化调试设计了仿真过程。 仿真的功能是为了验证 设计的电气原理是否符合要求，并方便程序的编写工作和简化调试过程。 所以在设计仿真的过 程中，针对液滴和液位的这一部分时， 采用两个按钮的闭合来演示液滴和液位变化。 其仿真图 设计图如图12、13、14所示：图12步进电机仿真部分P1 5 Fl G图13矩阵键盘仿真部分LCD!-=T：ViF5EhgEC2DI LIrfFI昱HIFl QfT2 PI IH

22、IEXR3Tf円血闕 內IEE 円测TO町.4E 町爼1旳？WFOOtCiDFOiltThFO AdSFDDiFOMtFO W?fFOllCiD FfliiFDi FflrD?已阿,Ffl W?7FEr-iba :LL*&PHiAP】.询PliSil Pl 4*1? PISIS 冲伽4 Pi &图14显示及其液滴液位部分仿真七、设计总结本次综合设计是建立在传感器与检测、电子电路基础、数字电路等学科基础之上。在本次 设计中我们分析发现，其功能的实现主要有以下几个模块组成： 液位与液滴传感器、主控电路、 稳压电路、比较电路、驱动电路及其相关的执行机构组成。同时在控制算法设计中也包括给定值和被控量。数字处理器只能控制数字量，所以在该系统中还要将非电量以及模拟量转换为可 供处理器处理的数字量。所以也就自然的涉及到了数据的获取、 传输、处理、应用这几个步骤。在系统中为了得到数字量，需要设计精准的比较电路，将液滴滴下时和无液滴、液位变化 的两种不同状态转换为数字量。在题目中采用 LM311及其相关电路实现该转换。在控制系统中为了得到控制信号，要将被控参数与给定值进行比较，然后形成误差信号。 控制器根据误差信号进行控制调节， 使系统趋向误差减小，最终是误差为零，从而