液體滴落的檢測與計數(shù)

1、第四屆“恒拓.三龍”杯電子電路設(shè)計大賽作品名稱： 液體滴落檢測與計數(shù) 作 者： 孫加速、鄭強強、張恩東 指導(dǎo)教師： 任宏偉 聯(lián)系電話： 2012年5月1日 目錄 摘要21.設(shè)計任務(wù)與要求3 1.1設(shè)計任務(wù) 41.2技術(shù)指標(biāo) 41.3題目分析 42.方案比較與論證 42.1控制器模塊方案論證 4 2.2 電機模塊方案 5 2.3調(diào)速模塊 5 2.4紅外對管計數(shù)模塊 52.5系統(tǒng)顯示模塊 6 2.6、鍵盤方案模塊 6 3. 系統(tǒng)硬件設(shè)計: 43.1 系統(tǒng)總體設(shè)計: 43.2單元電路的設(shè)計分析: 5 （1）各模塊供電電源電路: 5 （2）電網(wǎng)電壓零點采集電路: 5 （3）可控硅觸發(fā)調(diào)光電路: 6 （

2、4）熱釋電紅外人體感應(yīng)電路原理圖:7 （5）ISD4004-8語音錄放電路原理圖: 8 （6）語音電路設(shè)計:8 （7）溫濕度傳感部分電路: 9 3.3單元電路的功能以及工作原理的分析: 9 3.4單元電路的功能以及工作原理的分析: 9附錄:12摘要本系統(tǒng)采用 MSP430F149單片機作為主控芯片，通過紅外對管對液體的精確計數(shù)以及對430系統(tǒng)內(nèi)定時器的合理采用，從而實現(xiàn)對液體滴落的測速。顯示部分采用16位色TFT彩屏。液體滴落與檢測系統(tǒng)與操作人員之間的交互由彩屏、獨立鍵盤實現(xiàn)，操作人可以通過獨立鍵盤設(shè)定滴落速度和數(shù)量。應(yīng)用步進電機對懸掛液體進行閉環(huán)運動控制，對點滴速度進行閉環(huán)跟蹤，達到系統(tǒng)自動

3、調(diào)節(jié)點滴的速度。低液位報警功能的實現(xiàn)通過紅外對管產(chǎn)生下降沿觸發(fā)中斷產(chǎn)生報警信號，蜂鳴器報警并且彩屏顯示報警信號，通過232通信將報警信號發(fā)送到護士站，從而實現(xiàn)裝置的遠(yuǎn)程監(jiān)控.關(guān)鍵字： MSP430F149 紅外對管 步進電機 TFT彩屏 遠(yuǎn)程監(jiān)控 Abstract : The system USES the MSP430F149 microcontroller as the main control chip, through to the infrared of liquid precise count to 430 and in the system of the timer reason

4、able, to achieve the liquid drop speed. Show part adopts 16 colors TFT colour s creens. Liquid drop and detection system and workers of interaction between labeled by independent keyboard realization, operators can through the independent set speed and number drops keyboard. Application step motor s

5、uspension liquid for closed loop motion control, the intravenous drip speed closed-loop tracking, achieve system to automatically adjust the speed of a bit. Low level warning the realization of the function of infrared produced by to the falling edge trigger interrupt have a warning signal, a buzzer

6、 and color display alarming signal alarm. Through the 232 communications will alarm signals sent to the nurse station, so as to realize the remote monitoring device.Keywords: MSP430F149 Red out side to the tube Stepping motor RMONTFT color screen 1設(shè)計任務(wù)對醫(yī)用吊瓶注射裝置，檢測液體滴落速度和數(shù)量。滴落速度范圍為20-150滴/分鐘，可由滴速夾調(diào)節(jié)。

7、設(shè)計檢測液體滴落數(shù)量與速度，并動態(tài)顯示。 1.1設(shè)計要求 1、基本要求 （1）可檢測并動態(tài)顯示液體滴落速度。 （2）滴落計數(shù)誤差范圍在10%±1滴。 （3）儲液瓶低液位報警，低液位可調(diào)。 2、發(fā)揮部分 （1）檢測誤差不大于5%。（2）設(shè)計通過鍵盤設(shè)定滴落速度和數(shù)量的控制裝置。（3）實現(xiàn)裝置的遠(yuǎn)程監(jiān)控。1.2技術(shù)指標(biāo)技術(shù)穩(wěn)定精確，速度準(zhǔn)確，檢測誤差小，動態(tài)顯示滴落數(shù)量及其速度1.3題目評析 如何準(zhǔn)確的測定液滴數(shù)量及其利用單片機內(nèi)部時鐘準(zhǔn)確定時，以及紅外對管的正確使用時設(shè)計本項目的關(guān)鍵所在2 方案比較與論正 2.1控制器模塊方案 方案一：采用通俗的 51 單片機，運用比較廣泛，有良好的知

8、識作為基礎(chǔ)，上手很快。但是本系統(tǒng)的程序量較大，需要的IO 口資源較多以及較多的外部中斷，51單片機難以勝任。 方案二：系統(tǒng)采用TI公司所生產(chǎn)的超低功耗MSP430F149 單片機為主控制芯片，單片機的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用靈活方便，其內(nèi)有豐富的片內(nèi)外設(shè)資源。當(dāng)系統(tǒng)處于省電的低功耗模式時，中斷喚醒只需基于上述分析，我們選擇方案二。2.紅外對管計數(shù)模塊方案一：計數(shù)時由于采用下降沿觸發(fā)中斷，當(dāng)液滴即將離開紅外對管的有效區(qū)域時會出現(xiàn)干擾信號，此方案采用硬件消除干擾信號，在地與信號線之間并聯(lián)電容，電容大小的選擇需要經(jīng)過不斷地測試才能找到合適的電容。方案二 采用軟件消除干擾信號，在液滴即將離開

9、紅外對管的有效區(qū)域時加上延時，就能很輕松的消除干擾信號?；谏鲜隼碚摲治觯覀冞x擇方案一。2.3調(diào)速模塊方案一：改變輸液瓶高度控制點滴速度。在輸液管截面積確定的條件下，利用儲液瓶高度不同所引起的液體壓強差的改變，實現(xiàn)對點滴速度的控制。高度的控制可利用小型電機實現(xiàn)，具有結(jié)構(gòu)簡單、控制精度高等特點。方案二：改變輸液軟管截面積控制點滴速度。在輸液瓶高度確定的條件下，通過改變輸液管導(dǎo)通截面積實現(xiàn)點滴速度的控制。因為輸液軟管的截面積較小且形變后恢復(fù)速度較慢，難以實現(xiàn)點滴速度的精確控制?；谏鲜隼碚摲治?，我們選擇方案一。2. 電機模塊方案方案一：采用直流電機控制懸掛物體的運動，直流電機力量大，能獲得較大的

10、啟動轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)動速度快，但由于存在機械觸點，直流電機容易產(chǎn)生噪聲， 而且單獨使用時不能完成位置控制，需要配以傳感器才能控制定位，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度。 方案二：采用步進電機控制懸掛物體的準(zhǔn)確運動，步進電機不需要使用傳感器就能精確定位，而且通過給定的脈沖周期，能夠以任意速度轉(zhuǎn)動，定距運動較精確。雖然步進電 機不能高速轉(zhuǎn)動，但根據(jù)題目要求的時間和移動距離，步進電機完全能夠符合要求，是該種要求下廣泛使用的一種電機。 基于上述理論分析，我們選擇方案二。2.5系統(tǒng)顯示模塊 方案一：采用 LED 數(shù)碼管顯示器。LED 數(shù)碼管亮度高，醒目，但是其電路復(fù)雜，占用資源較多，顯示信息量較小。 方案二：采用16位色TF

11、T彩屏，無字庫，編程繁瑣但是可以顯示各種顏色的字體并且字體的大小可以自定義，微功耗、顯示信息量大、字跡清晰、美觀、視覺舒適，使整個控制系統(tǒng)更加人性化。基于上面的比較分析，決定選用方案二。2.6、鍵盤方案模塊 方案一：矩陣鍵盤雖然占用單片機的端口少，節(jié)約單片機的硬件資源，但是電路設(shè)計較為復(fù)雜，開發(fā)時間相對較長， 軟件設(shè)計也相對復(fù)雜，主要針對多鍵盤設(shè)計，適用于控制要求高、控制功能多的系統(tǒng)。 方案二：通用簡單鍵盤設(shè)計簡單，易于實現(xiàn)。利用 430 單片機 P1 口管腳都有中斷功能使無論軟件還是硬件都易于實現(xiàn)，減少了系統(tǒng)的復(fù)雜度。 通過以上分析，決定使用方案二。3 .系統(tǒng)硬件設(shè)計 3.1系統(tǒng)的總體設(shè)計

12、根據(jù)紅外對管的原理，正常情況下接收管接收發(fā)射管的發(fā)送的紅外光線，輸出端呈現(xiàn)高電平，當(dāng)有液滴下落時擋住光線的接收，接收管的輸出端呈現(xiàn)低電平，這樣利用下降沿是單片機產(chǎn)生中斷而計數(shù)，再利用定時器的精確定時計算出兩個液滴之間的下落時間，從而算出液滴的速度。低液位報警同樣利用紅外對管實現(xiàn)，報警信號可以通過獨立按鍵取消同時報警信號會通過232通信發(fā)送到護士站，護士站將反饋信息通過232通信反應(yīng)到彩屏, 病人同樣可以利用按鍵通過232通信呼叫護士，實現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。通過鍵盤設(shè)定液滴滴落的速度與數(shù)量，當(dāng)速度達不到要求時，通過步進機的正反轉(zhuǎn)控制點滴瓶子的高度來達到速度的精確控制。系統(tǒng)中加入紅外遙控裝置，病人也可以通

13、過遙控器實現(xiàn)按鍵所實現(xiàn)所有的功能。另外達到人性化設(shè)計在系統(tǒng)中加入溫度、濕度顯示模塊，這樣可以知道當(dāng)時的溫濕度適當(dāng)調(diào)整著裝。以上所有的顯示模塊均通過TFT彩屏顯示。3.2 模塊單元的設(shè)計與分析 (1)紅外對管模塊電路 當(dāng)發(fā)射管與接收管之間沒有障礙時，三極管的集電極呈現(xiàn)高電平；當(dāng)兩者之間有障礙時接收管接收不到信號呈現(xiàn)低電平，當(dāng)液滴滴落時利用其電平的變化觸發(fā)中斷實現(xiàn)計數(shù)。 （）步進電機驅(qū)動模塊電路（）紅外遙控模塊電路（）遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊電路（）（） （1）各模塊供電電源電路 降壓方式比較合理，而且成本較低；耗電量比較小（其實也就是一個效率的問題）。 圖1.1阻容式降壓電源電路 （2）電網(wǎng)電壓零點采集電路

14、 交流電壓過零點信號提取電路如圖1.2所示，圖中的同步信號就是我們需要的交流電壓過零點信號。各部分波獲取的同步波形如圖2.1所示。 圖1.2 過零點采集電路 圖2.1電網(wǎng)電壓波形以及采集零點波形 （3）可控硅觸發(fā)調(diào)光電路 采用光控可控硅來控制雙向可控硅，調(diào)節(jié)導(dǎo)通角，調(diào)壓，調(diào)光電路?？煽毓栌|發(fā)調(diào)光電路如圖1.3所示。 圖1.3可控硅觸發(fā)調(diào)光電路 220V交流主電源導(dǎo)通區(qū)間、同步信號和觸發(fā)信號的時序關(guān)系如圖2.1所示。 改變延時時間可改變觸發(fā)信號和同步信號的相位關(guān)系，也改變了可控硅的導(dǎo)通區(qū)間的大小，達到調(diào)光的目的。 圖2.1 220V交流主電源導(dǎo)通區(qū)間、同步信號和觸發(fā)信號 （4）熱釋電紅外人體感應(yīng)

15、電路原理圖單片機中斷 圖1.4熱釋電紅外人體感應(yīng)電路本例所設(shè)計的控制電路是以人作為被檢測對象的。要求的敏感可控范圍是0 3m,即人在3m范圍內(nèi)都可以被傳感器檢測到,并由控制電路做出相應(yīng)的操作。系統(tǒng)框圖如圖1.5所示。 圖1.5系統(tǒng)框圖（5）ISD4004-8語音錄放電路原理圖 ISD4004 系列工作電壓 3V,單片錄放時間 8 至 16 分鐘,音質(zhì)好,適用于移動電話及其他便攜式電 子產(chǎn)品中。芯片采用 CMOS 技術(shù),內(nèi)含振蕩器、防混淆濾波器、平滑濾波器、音頻放大器、自動靜噪及高密度多電平閃爍存貯陳列。芯片設(shè)計 是基于所有操作必須由微控制器控制命令可通過串行通信接口(SPI 或 Microwi

16、re)送入。芯片采用多電平直接模擬量 存儲技術(shù), 每個采樣值直接存貯在片內(nèi)閃爍存貯器中,因此能夠非常真實、自然地再現(xiàn)語音、音樂、音調(diào)和效果聲,避免了 一般固體錄音電路因量化和壓縮造成的量化噪聲和"金屬聲"。采樣頻率可為 4.0,5.3,6.4,8.0kHz,頻率越低,錄放時間越長, 而音質(zhì)則有所下降,片內(nèi)信息存閃爍存貯 器中,可在斷電情況下保存 100 年(典型值),反復(fù)錄音 圖2.3 ISD4004-8 10 萬次。 （6） 語音電路設(shè)計 語音電路圖 見附錄1 圖1.6 語音錄放電路（7）溫濕度傳感部分電路 相對濕度和溫度測量 全部校準(zhǔn)，數(shù)字輸出 卓越的長期穩(wěn)定性 無需額

17、外部件 超長的信號傳輸距離 超低能耗 4 引腳安裝 采用AM2301(DHT21)作為溫濕度檢測傳感器其引腳連接如圖1.7所示。 圖1.7AM2301電路連接 3.3單元電路的功能以及工作原理的分析 隨圖已做分析 3.4發(fā)揮部分的設(shè)計與實現(xiàn)燈泡的的故障檢測采用的是但系統(tǒng)已經(jīng)觸發(fā)可控硅導(dǎo)通后首先檢查燈泡兩端是否有電壓的存在，然后檢查是否燈泡正常發(fā)光來判斷是否燈絲已經(jīng)燒壞。燈泡電壓檢測部分電路采用采集燈泡兩端電壓降壓光耦隔離后輸出。燈泡發(fā)光檢測采用的是光敏二極管檢測燈泡光強的方式。通過邏輯與非門電路送入單片機進行處理。具體電路如圖3.1所示 圖3.1燈泡故障檢測電路 （1）語音備忘錄設(shè)計 可以自行錄制備忘錄，并設(shè)置日程鬧鐘當(dāng)?shù)竭_日程設(shè)定的時間后，語音提示備忘錄內(nèi)容，是更加方便使用。 （2）坐姿矯正設(shè)計 利用光電開關(guān)來探測