单片机液体点滴速度监控装置资料.doc-资料库

qq_43708988-12746024-16359647317917100331.doc.pdf-第1页.png

第1页 / 共18页

qq_43708988-12746024-16359647317917100331.doc.pdf-第2页.png

第2页 / 共18页

qq_43708988-12746024-16359647317917100331.doc.pdf-第3页.png

第3页 / 共18页

qq_43708988-12746024-16359647317917100331.doc.pdf-第4页.png

第4页 / 共18页

qq_43708988-12746024-16359647317917100331.doc.pdf-第5页.png

第5页 / 共18页

qq_43708988-12746024-16359647317917100331.doc.pdf-第6页.png

第6页 / 共18页

qq_43708988-12746024-16359647317917100331.doc.pdf-第7页.png

第7页 / 共18页

qq_43708988-12746024-16359647317917100331.doc.pdf-第8页.png

第8页 / 共18页

液体点滴速度监控装置 [摘要] 该装置实时地监测液体点滴速度，通过单片机对信息的分析和处理，由主机发出相应的指令，调整系统的工作平稳，构成了一个高性能的闭环控制系统。实现了对点滴输液速度的直观监测，同时对一些异常情况的出现可实施报警。利用该装置还能通过主控平台对各个分立系统信息实施自动化、智能化的集中处理。能方便、简易的操作和使用，对医疗具有很强的实用性。 [关键词] 实时监控红外传感闭环控制步进电机一、方案设计与论证根据题目要求和原输液装置的特点，提出以下三种方案： 1、方案一直接在滴斗处用两电极棒的方法。待测和控制量传感器信号处理人机对话界面电机驱动速度控制图 1 此方案的传感器采用简单的液体导电原理，在滴斗处安装两个电极。当水滴落下时，电极导通，从而使待测量的变化转化为高低电平电信号。采用伺服电机改变系统装置中液瓶与受液瓶的高度，达到改变点滴速度，从而进行控制。 2、方案二把通过电机改变系统装置高度的方法，改为控制步进电机对输液管进行压缩或缓松，从而实现对点滴速度的改变。采用交流电动机控制 H2 的高度。即采用红外传感器测量滴斗滴液，送至单片机接口计数，通过数字模拟转换，将其转换为 4—20MA 标准电流值，同时通过键盘输入给定每分钟的滴数，再将此滴数将其转换为 4—20MA 标准电流值，将此两个信息同时进入数字 PID 调节器。通过偏差计算再输出一组 4—20MA 标准电流值，通过变频调速器控制电动机调节 H2 的高度，来控制滴斗滴数。此方案的优点是，完全按目前电气工程标准化运作，可以在很短时间完成。 2、方案三根据点滴装置的特点，通过对装置的某一位置进行监测和控制，达到对整个系统液体第 1 页共 18 页

点滴速度的监控。（如图 1）。通过控制输液软管夹头的松紧来控制点滴速度，采用红外传感器测量滴斗滴数，送至单片机接口计数并显示，首先标定两个脉冲（两滴间）间的时间间隔（以 10MS 为时基单位）。然后计算给定滴斗滴数（通过键盘）的时间间隔（以 10MS 为时基单位）。将此两个时间间隔进行比较，以决定步进电机运行的方向。该步进电机通过丝杠控制输液软管夹头的松紧，来控制滴斗滴数 4、方案比较方案一的特点是：实现比较简单容易，原理上也是可行的，但由于本装置用于医疗，电弧的产生，可能对不同的药物有影响，同时传感器（电极）不能重复使用，以防止传染。方案二通过改用红外传感器，弥补了方案一的不足。但是还存在问题，利用改变高度的方法虽然容易实现，但可控性不好。由此，我们采用了第三种方案，通过挤压输液管的办法来实现对点滴速度的控制。二、系统原理框图如图 2 所示。滴斗输液管红外传感器及信号处理 AT89C51 基本系统步进电机驱动图 2 显示与键盘控制本系统最主要的是充分利用单片机编程的灵活性和其强大的功能，使一些小的系统实现自动化和智能化成为了现实。其中的器件都比较简单，尽大可能的利用各集成芯片的功能，如系统的键盘和显示原理电路。通过红外传感器对水滴滴落的动态信息的感应，单片机对数据的采集分析和处理，同时使用小功率的步进电机进行机械调整，使装置能机智、即时的响应操作者的使用。三、主要电路原理与设计 1、AT89C51 单片机基本系统控制与数值信号处理的核心采用 AT89C51 单片机，采用串口工作方式。电路如图 3。第 2 页共 18 页

C? 22uF vcc S? RESET R? 1K R? 2K c? 3p C? 3p J? 1 CON1 J? 1 CON1 p1 1 2 3 4 5 6 7 8 8 HEADER p3 1 2 3 4 5 6 7 8 8 HEADER p0 8 7 6 5 4 3 2 1 HEADER 8 p2 8 7 6 5 4 3 2 1 HEADER 8 80C52 P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 P20 P21 P22 P23 P24 P25 P26 P27 EA/VP ALE/P PSEN 39 38 37 36 35 34 33 32 21 22 23 24 25 26 27 28 31 30 29 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 13 14 15 16 17 19 18 9 U? P10/T P11/T P12 P13 P14 P15 P16 P17 RXD TXD INT0 INT1 T0 T1 WR RD X1 X2 RESET Y? CRYSTAL 图 3 vcc R? 10K R? 10K R? 10K R? 10K R? 10K R? 10K R? 10K R? 10K 2、显示与键盘如图 4 利用 74LS164 进行串行动态 9 位数码管显示，74LS164 的主要功能是 8bits 的串入并出数据处理。电路结构简单，功能强大。采用中断和查询的方法，设计的 4 键键盘的形式，利用单片机的灵活编程，扩展其键入功能。 b c a g d p d f e D P Y a b c d e f g d p b c a g d p d f e D P Y b c a g d p d f e D P Y b c a g d p d f e D P Y b c a g d p d f e D P Y b c a g d p d f e D P Y b c a g d p d f e D P Y b c a g d p d f e D P Y b c a g d p d f e D P Y a b c d e f g d p a b c d e f g d p a b c d e f g d p a b c d e f g d p a b c d e f g d p a b c d e f g d p a b c d e f g d p a b c d e f g d p 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 1245 1245 & A 74lS21 74LS21 & A 0 0 S L 4 7 6 12 6 & A 3 vcc 4.7k J1 5 9 4 8 3 7 2 6 1 A B 4 6 1 CLK MR A B 4 6 1 CLK MR 1 2 8 9 1 2 8 9 vcc vcc Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 3 4 5 6 10 11 12 13 3 4 5 6 10 11 12 13 4.7k 4.7k 4.7k 4.7k 4.7k 4.7k 4.7k 4.7k vcc vcc vcc vcc vcc vcc vcc vcc A 1 2 S L 4 7 6 & 5 4 2 1 10k VCC 10k VCC 10k VCC 10k VCC 图 4 3、红外传感和信号处理采用红外线的发射和接收装置，它可用来检测包括液体在内的各种透明体、半透明体、不透明体，从而可以灵敏地反应水滴滴下。利用光电耦合器对电信号进行处理，减少干扰。 4、步进电机驱动和控制如图 5 1A P1.7 1 2 3 6 9 P1.6 5 1C 1E 4 8 1B 1D 1F P1.5 11 10 13 12 2 510 5 3 510 4 510 6 7 8 10k 10 10k 12 10k 9 10k 11 10k 13 10k 图 5 14 1k 15 1k 16 1k 178050 188050 28 19 5k 20 5k 21 5k 25 50 22 26 50 23 27 50 24 5、声光报警当检测到液面低于 3cm 时由单片机采集到报警信号，由报警芯片发出声光报警。第 3 页共 18 页

5、主控制平台可以组建一个小型的网络系统，由主机控制和监视各个从机的工作状态和各个装置的信息。如图 6 1 号从站模拟从站主控站图 6 四、系统软件工作流程如图 7 到图 12 1、软件设计：软件部分参考流程图，这里主要讲述一下软件编写过程中的几个细节部分。如前所述，我们计算滴水速度的原理是通过求出 2 个水滴之间的时间差，通过分析，我们通过定时器建立一个基准时钟，该基准时钟有 2 个字节单元，分别秒单位和 10 毫秒单位的数值。在每次传感器送来中断的时候调用“传感测量”子程序，在该子程序中，我们在取当前触发时间时，先把上一个脉冲发生的时间保存在“历史寄存器”中，然后再更新“当前寄存器”的值，即取当前脉冲的发生时间。这样我们就记录下了 2 个时间（连续）值。历史寄存器当前寄存器基准时钟中断前： n-1 中断时：注：箭头方向为中断时的赋值方向 (n-1) n (n+1) 图 7 由于基准时钟是以 10 毫秒为最小单位的，而对于频率范围在 20Hz~150Hz 的脉冲而言，因为我们在后边的求滴速中要用到 10 毫秒单位值，而水滴的下落并不能保证绝对的规则，经测试发现，每一次求差后的值总有几个单位毫秒的变动，这个变动就导致了最终运算出来的滴速值的大幅度变化，后来惊观察发现这种误差可以归为周期性误差，所以为了消除这个误差，我们不是简单地只取一个差值，相反，我们是取了 10 个差值，然后再求平均值，这样处理的最大一个好处是可以使周期性误差的正、负偏差互相抵消，在很大程度上消除上述误差。前面的处理虽然可以提供一个比较接近真值，对于最终显示出来的影响不大，但当要用这个值去控制滴速夹时，很明显这样处理的结果降低了控制的响应度；而另一方面，对于滴速夹的控制，因为我们采用的是步进电机，而且我们对步进电机的转轴又进行了改造，加了一个螺纹栓，可以保持滴速夹控制端的位置，所以我们在每采集一个脉冲间隔时就进行滴速的更改控制，这样可以提高控制设备的响应速度。所以在本系统中对于建立一个科第 4 页共 18 页

学合理的系统模型是很有必要的。在对滴速进行控制时，我们借鉴了 PID 算法，建立了一个闭环控制状态，利用类似于锁相环的模型：即把设定的滴速和当前的滴速进行比较，输出一个差值，利用这个差值的极性来决定电机的正反转，并拉小这个差值直至最小。因为每检测到一个传感信号，我们就把设定值和当前值进行比较，这样不仅提高了设备的响应速度，而且由于我们这个系统的基准时钟是以 10 毫秒为单位了，因为我们能分辨到 10 毫秒的数量级，可以使当前值非常接近我们所设定的设定值。这一点可以参照电机控制的流程图。（图 12） 1、运算过程：因为我们系统的基准时钟是以 10 毫秒为单位了，虽然加大了系统的精度，但是却给系统的数值运算带来了麻烦，直接用四则运算（特别是乘除的运算）很容易带来无法避免的运算误差，即在运算是因为运算位数的限制而带来的数据尾数的丢失。前面说过这种误差将对我们对信号的处理和显示产生很大了影响，甚至会得到一个误差很大的最终输出，为避免这种情况，我们在保证精度的基础上采用了查表法，并且在建立表格时对数据进行一定的折中处理，使得最终得到了结果的误差能尽量小，实践证明我们这种方法还是有一定的实用性的。而且查表法的结果便于以后系统误差的自我校正，因为它保存了一个恒值。 2、对数据表格的处理：前面说过我们这个系统的基准时钟有两个字节单元，而即使采用题目要求的滴速（20~150 分/滴）也将需要 260 个字节，这已经超过了 8 位单片机的查表范围，所以怎样建立一个合理的查表算法是很有必要的。通过对数据的观察，我们发现虽然每个时间量有两个字节，但是在秒字节的单元里，总共只能出现 4 种取值，即 1、2 和 3 以及 0 ，所以我们可以以这 4 个值为标量对表格的数据进行划分，由于有了秒字节单元来做区分，我们只要在表格中写入 10 毫秒字节单元的值就行了，通过综合处理，在保证精度的基础上，我们所建立的表格的字节数为 100 多个，这样不仅满足了 8 位单片机的查表范围，而且大大了节省了内存，有利于系统资源的优化分配。 3、通信的建立：在选择方案时，考虑到通信线的多少，我们采用了串行通信，直接利用单片机本身的串行通信口，在软件上我们考虑用串行通信的方式 0 来进行通信。通信协议如下：先发送握手信号，然后发送被呼叫的从机号，每个从机在接收到地址时跟自身的地址进行比较，如果不是被呼叫机，则关闭通信链路；如果是则发送响应信号。当确定了通信的链路后，就按照预定的数据包格式进行通信。数据包格式如下：操作码操作数 2、程序流程图第 5 页共 18 页

图 8 第 6 页共 18 页

传感测量：时钟：图 9 图 10 第 7 页共 18 页

键盘：步进电机控制：图 11 图 12 第 8 页共 18 页

资料库

单片机液体点滴速度监控装置资料.doc

相关推荐

课程资源

热门标签

最新资料