智能輸水器監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)報(bào)告

1、圖1智能輸水器示意圖 智能輸水器監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)報(bào)告 （南通職業(yè)大學(xué)電子系） 一、智能輸水器監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 智能輸水器監(jiān)控系統(tǒng)要求設(shè)計(jì)并制作一個(gè)液體點(diǎn)滴速度監(jiān)測(cè)與控制裝置，示意圖如圖1 所示。 （1） 在滴斗處檢測(cè)點(diǎn)滴速度，并制作一個(gè)數(shù)顯裝置，能 動(dòng)態(tài)顯示點(diǎn)滴速度（滴/分）。 （2）通過改變h2控制點(diǎn)滴速度，如右圖所示；也可以 通過控制輸液軟管夾頭的松緊等其它方式來控制點(diǎn)滴速 度。點(diǎn)滴速度可用鍵盤設(shè)定并顯示，設(shè)定范圍為 20150（滴/分），控制誤差范圍為設(shè)定值10% 1滴。 （3）調(diào)整時(shí)間 3分鐘（從改變?cè)O(shè)定值起到點(diǎn)滴速度基 本穩(wěn)定，能人工讀出數(shù)據(jù)為止）。 （4）當(dāng)h1降到警戒值（23c

2、m）時(shí)，能發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 除實(shí)現(xiàn)上述基本功能外本產(chǎn)品要求設(shè)計(jì)并制作一 個(gè)由主站控制16個(gè)從站的有線監(jiān)控系統(tǒng)。16個(gè)從站中， 只有一個(gè)從站是按基本要求制作的一套點(diǎn)滴速度監(jiān)控裝 置，其它從站為模擬從站（僅要求制作一個(gè)模擬從站）。 （1）主站功能： a. 具有定點(diǎn)和巡回檢測(cè)兩種方式。 b. 可顯示從站傳輸過來的從站號(hào)和點(diǎn)滴速度。 c. 在巡回檢測(cè)時(shí)，主站能任意設(shè)定要查詢的從站數(shù)量、 從站號(hào)和各從站的點(diǎn)滴速度。 d. 收到從站發(fā)來的報(bào)警信號(hào)后，聲光報(bào)警并顯示相應(yīng)的 從站號(hào)；可用手動(dòng)方式解除報(bào)警狀態(tài)。 （2）從站功能: a. 能輸出從站號(hào)、點(diǎn)滴速度和報(bào)警信號(hào)；從站號(hào)和點(diǎn)滴速度可以任意設(shè)定。 b. 接收主

3、站設(shè)定的點(diǎn)滴速度信息并顯示。 c. 對(duì)異常情況進(jìn)行報(bào)警。 （3）主站和從站間的通信方式不限，通信協(xié)議自定，但應(yīng)盡量減少信號(hào)傳輸線的數(shù)量。 二、系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如下圖 2所示，該系統(tǒng)中包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、檢測(cè)模塊、鍵盤及顯 示模塊、存儲(chǔ)模塊。 （1）單片機(jī)最小系統(tǒng)的確定： 因89C52有較多的輸出口線、8K的存儲(chǔ)程序空間以及 256字節(jié)的RAM空間、三個(gè)定時(shí)器, 完全能滿足本系統(tǒng)的要求。所以本系統(tǒng)采用89C52作為核心系統(tǒng)。 (2)檢測(cè)模塊 水滴檢測(cè)模塊：由于大賽時(shí)間短，很難在市場(chǎng)上找到合適的傳感器，所以我們決定自己 動(dòng)手組裝傳感器，經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)比較， 得出對(duì)于滴速在2015

4、0滴/分之間時(shí)，三條紅外發(fā)射 二極管可檢測(cè)到點(diǎn)滴。用三枚紅外發(fā)射二極管和一枚紅外接收管組成的傳感器如圖3所示。 紅外接收管 紅外發(fā)射二極管 將組裝的傳感器套在輸液器的漏斗上。實(shí)際測(cè)量有水滴通過和沒有水滴時(shí)的電壓差為 0.4-0.6 伏左右，經(jīng)電容耦合二極管鉗位比較電路處理后送單片機(jī)，可被單片機(jī)分辨。所組 裝的傳感器優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于購買和操作。 液位檢測(cè)模塊：儲(chǔ)液瓶里的水位是無色透明的，這給液位檢測(cè)帶來了很大的困難。開始 考慮由紅外發(fā)射管發(fā)射，紅外接收管接收或者利用濕度傳感器伸入瓶中都不符合要求。最后 采用了折射返回原理，折射反回型的傳感器的探測(cè)距離為45cm之間恰能滿足要求。 鍵盤及顯示

5、模塊：由于主站處理的信息量都很大，所使用的按鍵較多，并行接口芯片也 較多，因此采用并行顯示接口8279，單片8279可驅(qū)動(dòng)8只數(shù)碼管顯示，外接鍵盤，缺點(diǎn)是 需段選和位選驅(qū)動(dòng)才能工作。從站控制線較多，為了節(jié)省硬件布線，簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)，提高可 靠性，所以從站使用 7219芯片。 存儲(chǔ)模塊：采用并行存儲(chǔ)器。其優(yōu)點(diǎn)是存儲(chǔ)速度快；缺點(diǎn)是與單片機(jī)的接線較多，價(jià)格 稍高。采用串行存儲(chǔ)器其優(yōu)點(diǎn)是與單片機(jī)接線少，價(jià)格低。缺點(diǎn)是速度低。由于本系統(tǒng)對(duì)存 儲(chǔ)速度的要求不高，同時(shí)考慮到掉電保護(hù)功能，所以選用串行存儲(chǔ)芯片24C02。利用時(shí)鐘+ RAW帶電池的芯片 DS12887來另存數(shù)據(jù)。 控制模塊：由于滴斗里水滴的速度不

6、是線性的，控制方法的選擇有一定的難度，經(jīng)過理 論分析和多種方法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，決定采用模糊控制技術(shù)。電機(jī)控制的兩大基本要求就是快速 性和穩(wěn)定性。我們的所有努力都是圍繞這兩大要求去做的。 在穩(wěn)定性方面，穩(wěn)態(tài)偏差E(N) = |G(N) H(N)|,其中G(N)為給定輸入；H(N)為實(shí)測(cè)值。 a. 當(dāng)偏差大于1/2的設(shè)定值時(shí)，控制速度為16。 b. 當(dāng)偏差在1/2至1/4設(shè)定值之間時(shí)，控制速度為8。 c. 當(dāng)偏差在1/4至1/8設(shè)定值之間時(shí)，控制速度為4。 d. 當(dāng)偏差在1/8至1/16設(shè)定值之間時(shí)，控制速度為2。 e. 當(dāng)偏差小于1/16設(shè)定值時(shí)，調(diào)整速度為 0,即電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。 照顧到高水位設(shè)定值

7、，當(dāng)偏差大于20滴/分時(shí)，以控制速度為16處理，總的來說，偏差大時(shí), 快速到達(dá)預(yù)定區(qū)域，到達(dá)后，進(jìn)行微調(diào)，最后定位。電機(jī)采用PWMH流控制，具有振動(dòng)小， 噪音低，扭矩大。驅(qū)動(dòng)電流及細(xì)分?jǐn)?shù)分檔可調(diào)，自動(dòng)半流鎖定功能，輸入信號(hào)全部采用光耦 隔離。以此來達(dá)到快速性和穩(wěn)定性的要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果是控制用時(shí)少于一分鐘即能達(dá)到控制指 標(biāo)所規(guī)定的要求。這種控制方法在東南大學(xué)的實(shí)際演示過程中收到了眾多專家的一致稱好， 為我們能夠拿到大賽的一等獎(jiǎng)奠定了基礎(chǔ)。 三、智能輸水器監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 水滴采樣：水滴采樣控制電路如圖4所示: 丿命圖4水滴采樣控制電路J. 圖4水滴采樣控制電路 (1) 紅外發(fā)射電流采用 12V, 4

8、mA (2) 紅外接收靜態(tài)工作點(diǎn)的分析，如果靜態(tài)工作點(diǎn)過低就會(huì)導(dǎo)致水滴信號(hào)較小，過高會(huì) 導(dǎo)致電路飽和，不能對(duì)電路進(jìn)行檢測(cè)，綜合考慮信號(hào)的大小和靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定性，決定通 過改變R18將靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)定在 6V。 (3 )輸入耦合電路時(shí)間常數(shù)的選擇，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示水滴的脈寬在10ms左右，根據(jù)題目 要求，水滴在150滴/分時(shí)，其周期是400ms,為了準(zhǔn)確采樣到水滴，通過改變 R16將時(shí)間常 數(shù)設(shè)置為1秒。 (4) 輸入波形采集比較器回差的計(jì)算：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示水滴的有無的電壓變化在0.4 0.6V，為了準(zhǔn)確分辨水滴，我們將回差設(shè)置在0.2V，選用IN5819導(dǎo)通電壓二極管來實(shí)現(xiàn)。 (5) 在程序中，水滴

9、采樣消噪的處理方法，通過實(shí)驗(yàn)波形分析一滴水可能形成幾個(gè)波形。 導(dǎo)致錯(cuò)誤計(jì)算，所以我們利用了二項(xiàng)數(shù)字濾波技術(shù)：在10ms內(nèi)針對(duì)水滴的數(shù)字濾波，針 對(duì)周期的時(shí)間要求進(jìn)行濾波。 單片機(jī)最小系統(tǒng)控制電路：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)控制電路如圖5所示，該系統(tǒng)中包括水滴檢 測(cè)電路、水滴高度采集電路、485通信電路、看門狗電路、蜂鳴器報(bào)警電路、24C02串口 E2ROM 及鍵盤和數(shù)碼管顯示電路。 TT 2 4-5 t-nji wo】 rn /Ito DI KZES2 HULL3 1 4 ； :SCLJ SQAd j 2T D3 $ * 10 IL USB 口 TCOL 113 R g 3 1 5 s U4 1 3 1K

10、ZRS 羊C3 ELP2 圖5單片機(jī)最小系統(tǒng)控制 【電路- ft O1W ph r F27 war 20 CS7219 1/ 托 3.5 KJTV2 J4 J3 KEY4 32 KEY：- 31 KEYH5 勸 KZLTT- 13 KfflTl 24 KJSWT3 JJ 站 17 IS RP： kJ XT. -o Cl 圖5單片機(jī)最小系統(tǒng)控制電路 四、軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 軟件系統(tǒng)包括主程序，通信中斷程序，外部中斷程序，定時(shí)器TO,定時(shí)器T1和T2,其 中TO用于產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)的控制脈沖，T1對(duì)水滴的時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)， 定時(shí)器T2產(chǎn)生通信波特率。 主程序、通信中斷程序、外部中斷程序，流程圖如下： 5、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要技術(shù)方法 主程序通信中斷程序 外部中斷程序 （1） 整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，條理層次分明，主程序和中斷程序有機(jī)結(jié)合在一 起，作為一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)控裝置， 必須保證系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間不死機(jī)。為此采用了 看門狗，以防程序飛跑，運(yùn)行紊亂。保證程序的可靠運(yùn)行。 （2） 通信協(xié)議：采用主站向從站巡回查詢檢測(cè)，為了防止數(shù)據(jù)的誤傳， 我們采用 CRC校檢技術(shù)。具體如下： 通信規(guī)約： 主機(jī)發(fā) 查詢: FEA0 機(jī)號(hào) AA 55 CRC 從