点滴速度及液面控制系统.doc

1、摘要： 本系统为一个液滴的速度检测与控制装置。以单片为核心，由水滴速度测试系统、水速控制系统、显示装置、单片机系统、键盘系统和报警等系统组成。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，键盘系统为独立式按键系统，红外对管是为检测液滴的速度提供脉冲。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。以上为系统的一个结点，我们还建立了一个由主站控制16 个从站的有线监控系统。每个从站都可以和主站通信。主站可以工作在定点和巡回检测两种方式下，可以显示从站传输来的从站号和点滴速度，16个从

2、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，其它从站为模拟从站 (仅制作了一个模拟从站)。关键字：点滴速度，红外对管，步进电动机，51单片机Abstract: A droplet of the system for speed detection and control devices. AT89C51 to a single core test system from the speed drops, water speed control systems, display devices, microcontroller systems, keyboard systems,

3、and alarm system.Application of water pressure as the height difference and change the principle, the use of stepper motor control to control the drip rate of take-off and landing. Drip rate of the keyboard can be used to set the keyboard for stand-alone system, key systems, infrared detection of th

4、e tube is to provide the pulse rate of droplets. Change settings from drip to play the basic stability of the speed of adjustment of the process time of less than 3 minutes. At the same time to reach the warning level in the water can be issued when the following warning signals. This system of a no

5、de, we also established a master control station 16 of the cable from the monitoring system. Each slave and master can be communication. Master station can be fixed and roving in the detection of two ways, we can show that transmission from station to station and from the drip rate, can be set to th

6、e number of inquiries from the station from the station number, the speed bit by bit from the station.Keyword: little speed, infrared to control, stepper motor, 51 single-chip目录1 总体方案设计与论证41.1 方案论证与比较41.1.1 速度检测部分41.1.2 速度控制部分41.1.3 键盘部分41.1.4 储存检测部分41.1.5 主从机通信部分41.2 系统最终确定方案52 系统的硬件设计与实现52.1系统硬件的基

7、本组成部分52.2主要单元电路设计52.2.1.点滴速度测量电路设计52.2. 2 键盘控制及显示电路6 2.2.3越限报警电路72.2. 4电机控制电路72.2. 5主从机电路93.主要元器件清单：94总结105参考文献101 总体方案设计与论证1.1 方案论证与比较 由于题目所要求的系统比较复杂，涉及速度检测、速度控制、电机控制、数码显示、自动报警、主从机通信等各个方面。所以我们考虑利用89C52单片机作为核心控制部分来构成题目所要求的系统。11.1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，需要利用合适的检测工具来完成这项工作。可以考虑的方式有：方案一: 采用电感式传感器测

8、量点滴速度。在输液器的漏斗外围绕线圈作为敏感元件。当液滴滴下是电感量发生变化，通过LC振荡电路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。1方案二: 采用红外对管发射接收。采用断续式的工作方式，在点滴落下时阻挡了接收管接收红外线，产生高电平的脉冲信号。为了提高抗干扰能力，可以采用两对红外传感器一发一收，而不是只用一只传感器以反射式状态工作。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。1.1.2速度控制部分：由题目可

9、知，控制液滴下落速度主要有两种方法：方案一 : 通过步进电机和滑轮系统控制储液瓶的高度，来达到控制液滴流速的目的；方案二: 通过控制滴速夹的松紧程度来控制液滴流速。第一项方案实现较为简便，通过步进电机可方便地实现对储液瓶高度的调节，从而达到控制液滴流速的目的。第二项方案控制滴速夹移动的距离很小，但是滴速夹的松紧调节过程中，移动距离，移动阻力等参数难于计算，用机电系统实现起来较为困难。经过综合比较，我们决定选择第一项的方案。21.1.3键盘部分:根据题目条件，滴速的大小要由人工设定的。滴速的设定值与调整值都可以在键盘上显示。对于其显示有以下的两种方案：方案一：采用液晶显示屏和通用矩阵键盘。液晶显

10、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像稳定不闪烁，可视面积大，画面效果好，抗干扰能力强等特点。但由于只需六位显示，信息量比较少，且由于液晶是以点阵的模式显示各种符号，编程工作量大，控制器资源占用较多，其成本也偏高。方案二：采用六位LED七段数码管显示点滴数目。按键为四个独立按键。数码管具有：低能耗、低损耗、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。1.1.4. 储液检测电路：题目要求是在储液瓶中的液位低于23cm时发出报警信号。在此是关键如何检测到液位的高度，报警较易实现。检测液位有多种方法。方案一：同点

11、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来判断液位是否达到警戒水位。此方案简单，容易实现。方案三：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。1.1.5主从机通信部分：我们考虑了以下几种方案：方案一：单片机之间并行通信：此种方案实现较为简单。由于题目要求有16 个从机，所以通过地址译码可以方便地实现从机辨识，巡回检测等功能。但是线路利用率较低，电路连线较为复杂；方案二：单片机之间利用 RS232 协议进行串口通信：此种方法利用串口通信，解决了线路复杂性和利用率的问题，而且

12、RS232 也是较为成熟的串口通信协议；方案三： 单片机之间利用 RS485 协议进行串口通信：此方法也是利用单片机串口进行主从机之间通信，但协议采用RS485。综合考虑各种因素，并结合题目中“尽量减少信号传输线的数量”的要求，我们选用了串口通信协议。但是考虑到本系统的实用性，由于在实际使用中，主从机之间的距离可能比较远（例如从机分布在16 个病房），而RS232采用负逻辑，并且传输距离短，一般用于20m 以内的通信。因此，RS232接口不能满足系统的要求。RS485总线作为一种允许多点、差分数据传输的通讯电气规范，定义了一个坚固可靠的通信链路，具有长传输距离、宽共模范围、信号冲突保护和良好的

13、抑制高噪声等特性，并且支持最多128 个单机在总线上相连。RS485 是在RS422 的基础上，为了扩展应用范围和通讯能力，增加了多点、双向通信能力，也就是说，允许多个发送器连接到同一条总线上，同时，增加了送器的驱动能力和通讯冲突的保护特性，通过差分传输扩展总线的共模范围。因此，RS485 协议适合于本系统的应用要求。所以，我们选用RS485 作为主从机之间的通信协议。31.2系统最终方案确定根据以上方案的论证分析，结合器件与设备等因素，系统各模块方案确定如下：（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电动机正反转来调节

14、储液瓶的高度来实现的。（4）键盘显示用的是数码来显示的。2系统的硬件设计与实现2.1系统硬件的基本组成部分本题目中运用了检测技术、自动控制技术和电子技术。系统可以分为传感器检测部分和控制部分。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、数码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、数码管的动态显示电路

15、。2.2主要单元电路设计2.2.1.点滴速度测量电路设计液滴下落时，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。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。在这部分我们从两个方面入手：a发射和接收电路：采用红外对管发射接收测量点滴速度，发射和接收电路原理图如图2.2.1.所示图2.2.1由电路图可以看到，接收管与发射管正相对，无液滴滴下时，接收管收到信号，输出低电平；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，产生一个较长的脉动。b放大滤波和整形电路

16、：由于红外管接收到的信号很微弱而且有很多的噪声和干扰，如不去除会对测试产生很大的影响，因此在接收电路后面加上放大滤波和整形电路。电路图如2.1.2图2.2.2放大和滤波电路是由两个二阶低通滤波电路级联而成的四阶低通巴特沃斯滤波电路构成，R5=R6=R7=R8=4.7k,C1=C2=C3=C4=100nF 放大倍数为3.35倍。由于本系统中接收到的信号频率为20 次/分150 次/分，即产生的信号处在低频段，而噪声干扰一般频率较高，所以通过低通滤波器即可将其去除，滤波电路的截至频率为70HZ。4经过滤波、放大之后，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

17、信号相比较，以判定有无液滴落下，并尽量避免误动作，我们采用比较器对信号进行整形，门限电压为2.67V。2.2.2 键盘控制及显示电路 键盘控制和显示电路我们采用数码管显示和独立按键。电路总共有六个七段数码管，前三位显示单片机检测到的速度值，后三位在没有进行调速时显示点滴的滴数，每滴一滴显示的数值加一，调速时显示速度的设定值。电路总共有四个按键分别为S3,S4,S5,S6。按 键功 能S3功能键，当按下S3后数码管的后三位显示当速度的设定值S4细调和粗调的转换按钮S5 上调S6 下调2.2.3 越限报警电路 越限报警电路仍采用红外对管进行检测，由于越限报警电路只需要在液面下降到红外发射接收通路高

18、度以下时发出警报，因此传感器部分接收到的信号不需要经过滤波。经检测没水的时候接收管两边的电压值为2.13V，有水的时候电压值大概为3.43.5V，因此只需加一个比较器即可，门限电压在2.53V之间。电路原理图如图2.2.3 图2.2.32.2.4 电机控制电路系统将点滴速度采集信号进行处理后在相应的单片机的I/O控制口输出步进电机的控制信号，为了更方便稳定的控制步进电机，系统使用的是L298N和L297的组合电路控制步进电机。5L297 的enable,cw/ccw,clock,half/full分别控制步进电机的输使能、方向控制端、时钟输入端、半步、全步方式选择端。L298是放大信号，L29

19、8 N 的 OUT1 OUT4分别与步9进电机的四相输入相连接。 图1 L297引脚图驱动电路：要使步进电机控制更精确，在步进电机所接负载较大时，可以采用四相八拍脉冲信号，波形图如下图： 四相八拍脉冲信号波形2.2.5主从机通信从机部分电路设计：从机负责接收滴速检测和超限报警部分电路传送来的信号并处理，然后产生相应的控制信号发送至控制部分。主机部分电路设计：主机部分负责与各个从机通信，定点检测从机状态，检测从机的速度。3.主要元器件清单：序号名称型号数量（个）01单片机AT89C52102步进电机驱动器SH-2H057103步进电机57BYGH101104红外光电传感器CX-29105红外光电

20、传感器CX-24106编码器4532107RS-485收/发器MAX3082108液晶显示屏OCMJ 128*64109按键SB410电容/电阻（见原理图）（见原理图）4.结论本系统完成了在滴斗处检测点滴速度，并制作了一个数码管显示装置，能动态显示点滴速度（滴/分）。通过改变高度控制点滴速度，点滴速度可用键盘设定并显示，设定范围为20150(滴/分)，误差在要求范围内。当高度降到警戒值是能发出报警信号。每个从站都可以和主站通信。主站可以工作在定点和巡回检测两种方式下，可以显示从站传输来的从站号和点滴速度。5.参考文献 1李嗣福 等编著.计算机控制基础.合肥：中国科学技术大学出版社，2001.9. 2陶永华 等编著.新型PID控制及其应用.北京：机械工业出版社，1998.9. 3金磐石，王永明.Intel196系列单片微型计算机应用详解.北京：电子工业出版社，1992. 4孙函芳.Intel 16 位单片机.北京：北京航空航天大学出版社，1995. 5杨渝钦 主编.控制电机（第2版）.北京：机械工业出版社，2001.