全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽F6設(shè)計(jì)題目：液體點(diǎn)滴速度監(jiān)控裝置

1、F6設(shè)計(jì)題目：液體點(diǎn)滴速度監(jiān)控裝置參賽學(xué)校：山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 參賽學(xué)生：王濤 李曉軍 于伯建2003年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽說(shuō)明書(shū) 2003年9月17日設(shè)計(jì)題目：液體點(diǎn)滴速度監(jiān)控裝置一、摘要本系統(tǒng)采用分布式微機(jī)控制系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)整輸液瓶的高度來(lái)精確控制最多可達(dá)16個(gè)輸液器的點(diǎn)滴速度。系統(tǒng)采用主從式結(jié)構(gòu)，都采用89s52作為CPU。從機(jī)通過(guò)光敏元件測(cè)定點(diǎn)滴速度，并通過(guò)步進(jìn)電機(jī)調(diào)整輸液瓶高度，構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)?？赏ㄟ^(guò)鍵盤設(shè)定所需點(diǎn)滴速度，設(shè)定范圍可達(dá)20150滴/分，調(diào)整誤差5%，調(diào)整時(shí)間2分鐘。并可動(dòng)態(tài)顯示實(shí)時(shí)點(diǎn)滴速度。當(dāng)液面下降到23cm的警戒值時(shí)，可進(jìn)行聲光報(bào)警。 主從站之間通過(guò)RS-485

2、總線構(gòu)成串行通訊網(wǎng)絡(luò)。主站可對(duì)16個(gè)從站進(jìn)行定點(diǎn)或巡回監(jiān)測(cè)，查詢各從站的實(shí)時(shí)狀態(tài)，并可顯示其從站號(hào)和點(diǎn)滴速度，并可遠(yuǎn)程設(shè)定各從站的點(diǎn)滴速度，當(dāng)收到從站發(fā)來(lái)的報(bào)警信號(hào)后，能聲光報(bào)警并顯示相應(yīng)的從站號(hào)，并可手動(dòng)方式解除報(bào)警。 該系統(tǒng)布局合理，運(yùn)行平穩(wěn)，控制精度較高，完全達(dá)到了題目基本部分的要求，并基本實(shí)現(xiàn)了發(fā)揮部分要求。二、系統(tǒng)方案確定1、總方案：分析題目要求，系統(tǒng)為一個(gè)主從式測(cè)控系統(tǒng)。由通訊網(wǎng)絡(luò)把主站和多個(gè)從站連成一個(gè)系統(tǒng)。通訊網(wǎng)絡(luò)可采用RS-232或RS-485等接口組成。測(cè)控從站的功能可有多種方案實(shí)現(xiàn)，但一般都都由控制單元、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和檢測(cè)單元三部分組成。下面具體論述分析一下各個(gè)部分的方案確定

3、。2、通訊方案的確定通訊網(wǎng)絡(luò)可選用RS-232或RS-485。RS-232系統(tǒng)的通訊距離一般小于15米，而RS-485的通訊距離可達(dá)1000多米。考慮到本系統(tǒng)模擬的醫(yī)院病房的實(shí)際情況，15米不能滿足要求，故采用了RS-485系統(tǒng)3、執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案的確定小型執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)元件一般選擇直流電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)。 其中直流電機(jī)使用方便，價(jià)格便宜，但運(yùn)動(dòng)精度較低，難以實(shí)現(xiàn)精確的位置控制。如用直流電機(jī)調(diào)整輸液瓶的高度，將難以控制其精確位置，系統(tǒng)穩(wěn)定性較差，較難達(dá)到題目的要求。而步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)精度很高，可實(shí)現(xiàn)精確的步距角運(yùn)動(dòng)，由其組成的位置控制系統(tǒng)定位準(zhǔn)確，穩(wěn)定時(shí)間短，一般可采用開(kāi)環(huán)控制。雖然步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)相

4、對(duì)復(fù)雜，但與其驅(qū)動(dòng)控制器匹配使用，控制起來(lái)也十分方便，可很容易的構(gòu)成數(shù)字位置控制系統(tǒng)，因此本系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件采用了步進(jìn)電機(jī)，由CPU通過(guò)其驅(qū)動(dòng)控制器來(lái)控制。4、檢測(cè)元件的選擇檢測(cè)液滴和液面有多種元件可選，如電容傳感器和光電傳感器等等。電容式傳感器在測(cè)量高頻信號(hào)時(shí)，精度較高。但液滴速度相對(duì)較為緩慢，當(dāng)速度為150（滴/分）時(shí)，頻率也只有2.5Hz。而電容式傳感器測(cè)量低頻電壓的誤差較大，且電容對(duì)水的介電常數(shù)的變化不大，距離有限。光電傳感器具有很強(qiáng)的感應(yīng)光信號(hào)變化的能力，且信號(hào)調(diào)整方便，可以很容易的實(shí)現(xiàn)脈沖輸出，非常適合用于數(shù)字系統(tǒng)，且低頻并不影響它的測(cè)量精度，有較高的分辨率。表1為我們的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：表

5、1：光敏對(duì)管間不同介質(zhì)時(shí)的電壓表(v)電路R1 R2 R3值空氣有液體空瓶電路1R3=1k/電路1R3=1k電路2R1=1k,R2=15kR3=1k5、總體方案的確定根據(jù)以上的分析，可有多種總體方案來(lái)實(shí)現(xiàn)題目的要求，分別如下：（1）、方案一采用三CPU來(lái)實(shí)現(xiàn)主機(jī)、實(shí)控從站和模擬從站，通過(guò)RS-232實(shí)現(xiàn)通訊。用執(zhí)行單元采用直流電機(jī)，來(lái)調(diào)節(jié)瓶子的高度，從而控制液滴的速度，并對(duì)各從站進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并配合有關(guān)設(shè)備控制液滴的速度，直流電機(jī)由于其自身性質(zhì)所限，難以實(shí)現(xiàn)精確的控制。且其穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)，要達(dá)到題目要求需要十分復(fù)雜的軟件支持，實(shí)現(xiàn)比較困難，精度不能保證。（2）、方案二采用三CPU的“三芯合一”結(jié)構(gòu)

6、，通過(guò)RS-485實(shí)現(xiàn)通訊，執(zhí)行機(jī)構(gòu)用步進(jìn)電機(jī)，檢控單元采用靈敏的光電傳感器，來(lái)實(shí)現(xiàn)主機(jī)對(duì)個(gè)從站的實(shí)時(shí)控制。本方案的優(yōu)點(diǎn)在于步進(jìn)電機(jī)的在CPU控制下根據(jù)檢測(cè)單元的反饋信息來(lái)對(duì)瓶子進(jìn)行平穩(wěn)的漸進(jìn)式的動(dòng)態(tài)調(diào)整。達(dá)到實(shí)時(shí)的控制液滴速度。（3）、方案三采用控制輸液軟管的松緊的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)液滴速度的控制。 該方案中由于軟管穩(wěn)定性差，夾頭旋轉(zhuǎn)角度難以精確控制，很難達(dá)到較高的精度。根據(jù)以上分析，我們選擇第二種方案。三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)根據(jù)題目的要求,采用三片CPU(89S52)分別作為主機(jī)和從機(jī)的主從式分布式控制系統(tǒng)，配合步進(jìn)電機(jī)可使液滴在20至150之間任意調(diào)節(jié)。主機(jī)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)資源的管理和分配,協(xié)調(diào)各部分的工

7、作;從機(jī)1負(fù)責(zé)處理光電對(duì)管采集來(lái)的信號(hào),并與主機(jī)互通數(shù)據(jù)，從機(jī)2模擬多路控制。構(gòu)成主從機(jī)間的高效通訊機(jī)制。1、 CPU的選擇AT89S52是一種帶8K字節(jié)內(nèi)嵌可編程閃存的低功耗高性能的八位微控制器,看門狗定時(shí)器,雙數(shù)據(jù)指針,3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器,6個(gè)兩級(jí)中斷源結(jié)構(gòu),以及掉電模式下的自動(dòng)保存功能,而且價(jià)格便宜,市場(chǎng)上容易購(gòu)買. 2、系統(tǒng)電路分析主機(jī)主要是一個(gè)鍵盤顯示系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)，電路如下：圖1、主機(jī)電路： 實(shí)控從機(jī)完成實(shí)際測(cè)控，由鍵盤顯示系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)控制接口、傳感器調(diào)理電路和報(bào)警輸出電路組成。由于光電元件輸出的為不規(guī)則的脈沖信號(hào)，故用電壓比較器和施密特觸發(fā)器整形后再送CPU計(jì)頻。

8、報(bào)警蜂鳴器的驅(qū)動(dòng)電流較大，故用OC門驅(qū)動(dòng)。傳感器信號(hào)為兩路，一路測(cè)點(diǎn)滴速度，一路監(jiān)測(cè)液位高度。由于采用了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，電機(jī)控制接口只輸出脈沖信號(hào)即可。電路如下：圖2、實(shí)控從機(jī)電路 模擬從機(jī)和實(shí)測(cè)從機(jī)基本相同，只是用頻率發(fā)生電路取代了傳感器測(cè)量系統(tǒng)，用一個(gè)紐子開(kāi)關(guān)取代了液位測(cè)量報(bào)警。電路如下：圖3、模擬從機(jī)電路3、 電源設(shè)計(jì)由于+5v.+12v和-12v為單片機(jī)系統(tǒng)常用的電源,所以我們提前設(shè)計(jì)制作了一套可同時(shí)提供這三種電壓的穩(wěn)壓電源,精確度較好.其+5v的電源原理圖如下：（12v的電路原理跟+5v相同） 圖4 電源電路圖四、軟件設(shè)計(jì)1、主程序流程主程序流程如圖5所示：開(kāi)機(jī)初始化并設(shè)置顯示狀態(tài)，

9、然后是鍵散轉(zhuǎn)。2、頻率測(cè)量子程序（1）、頻率測(cè)量子程序如圖6所示。（2）、頻率測(cè)量方法的選擇頻率測(cè)量的常規(guī)方法有兩種：方法1：計(jì)數(shù)一定時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)。該方法的時(shí)間值沒(méi)有誤差，但所計(jì)頻率脈沖信號(hào)數(shù)值存在1個(gè)的誤差。方法2：計(jì)數(shù)一定數(shù)量的脈沖所經(jīng)歷的時(shí)間。該方法的脈沖信號(hào)數(shù)值沒(méi)有誤差，但所計(jì)時(shí)間數(shù)值存在48的誤差。由于脈沖信號(hào)的頻率很低，甚至小于2Hz，所以方法1的誤差很大。而單片機(jī)時(shí)鐘晶振為6MHz，一個(gè)機(jī)器周期僅為2us。所以方法2的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于方法1的測(cè)量精度。故我們選用方法2測(cè)量。頻率測(cè)定子程序如圖7所示。其中：F0為計(jì)數(shù)溢出標(biāo)志；X正式計(jì)數(shù)結(jié)束標(biāo)志。利用了T0，T1中斷。 F0=0 （3）、鍵盤操作 五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果如下圖：距離c