单片机液体点滴监控装置.pdf-资料库

全国大学生电子设计竞赛论文液体点滴速度监控装置作者：刘月龙曹中平王善磊作者单位：吉林大学指导教师：曹军胜李宝华王剑钢获奖情况：第六届全国大学生电子设计竞赛二等奖第六届全国大学生电子设计竞赛吉林赛区一等奖 SJO 工作室原文整理版权所有 Copy Right © 2003-2004 SJO Studio, All Rights Reserved http://sjo.126.com E-mail: sjo@vip.sina.com

F 题液体点滴速度监控装置作者：刘月龙曹中平王善磊作者单位：吉林大学指导教师：曹军胜李宝华王剑钢

2003 年全国大学生电子设计竞赛液体点滴速度监控装置摘要本系统以 89C52 单片机为核心，辅以步进电机驱动、键盘、LCD 显示、LED 显示、光电传感器数据采集等电路组成，实现了一个由一个主站控制多个从站的有线液体点滴速度监控系统。电机控制使用了模糊控制的控制算法，可以有效的减小超调量和静态误差，缩短调节时间。主机使用 LCD 显示，用户界面友好。该设计较好地实现了液体点滴速度监控装置的所要求的功能。 Abstract The system is designed to construct a wired monitor system of a master station controlling multiple slave stations,with a micro-controller 89C52 as the key, complimented by stepper motor drive, keyboard, LCD display, LED display and photoelectric censor data collection circuit. The combination of fuzzy control working on the motor drive can effectively reduce the amount of over regulating and stable error and shorten the time of adjusting. The whole system realized the function demand of liquid dropper speed monitor well and achieved high technique index. 一、方案论证与比较 1.点滴速度控制方式方案一：改变输液瓶高度控制点滴速度。在输液管截面积确定的条件下，利用储液瓶高度不同所引起的液体压强差的改变，实现对点滴速度的控制。方案二：改变输液软管截面积控制点滴速度。在输液瓶高度确定的条件下，通过改变输液管导通截面积实现点滴速度的控制。方案一中的高度控制可利用小型电机实现，具有结构简单、控制精度高等特点。方案二因为输液软管的截面积较小且形变后恢复速度较慢，难以实现点滴速度的精确控制，所以采用方案一。 2.点滴速度及储液瓶液面数据采集部分方案一：采用金属电极检测点滴速度信号以及储液瓶液面信号原理如图 1 所示。利用药液的导电特性实现液滴速度及储液瓶液面信号的检测，通常电极采用不锈钢等耐腐蚀材料制成。方案二：采用光电传感器检测点滴速度以图 1 1

2003 年全国大学生电子设计竞赛及储液瓶液面信号。原理如图 2 所示。发光二极管发射的平行光束穿过茂菲氏滴管投射到光敏三极管的感光面上，在没有液滴滴落时，光敏三极管接收到的光照度最大，产生的光电流也最大，当有液滴滴落时，由于液滴的形状特性，使平行光束发散，投射到光敏三极管上的光照度将减弱，从而使光敏三极管产生的光电流减小，形成如图 8 所示的脉冲。液位检测的基本原理与液滴检测基本相同。但实验证明在低液面（2cm~4cm）的情况下，进气所形成上升气泡在液面的聚集与运动，使平行光束的发散效应明显增强。图 2 电极接触控制方式原理简单，易于实现，可靠性强，但会导致药品污染，危及患者安全。而光电控制方式虽然结构复杂，易受外界光源影响，但可防止药品的污染，保证患者用药安全，所以系统采用方案二。 3.电机控制算法的选择步进电机控制算法的选择直接影响到系统的性能和技术指标，在本系统的设计中起着关键的作用。较为可行的方案有：方案一：采用模糊控制。其优点是不需要精确知道被控对象的数学模型，而且适用于具有较大滞后特性的被控对象。缺点是静态误差不容易控制。方案二：采用 PI 控制。其优点是理论和技术都很成熟，在单片机上较易实现，可以达到较小的静态误差。方案三：采用模糊控制与 PI 控制结合的算法。根据题目对控制精度要求并不高，因此采用方案一。 4、主从机通信协议部分方案一：采用并行总线方式。多机通信时，结构复杂。方案二：采用 I2C 总线通信协议。优点是易于实现多机通信并且通信线路简单，仅需要 SDA，SCL 两条通信线。但是不适合较长距离的信号传输。方案三：采用 TTL 串行通信。通信技术成熟，具有方案二的优点，仅需要 TXD，RXD 两条通信线，波特率可调，通信速度快。缺点是 TTL 信号容易受干扰，不利于长距离传输数据。方案四：采用 RS485 串行通信方式。本方案具有方案三的优点，并且抗干扰能力强，可实现较长距离通信。由于主从机通信距离较短，从最佳性价比出发，选择方案三，多机通信电路框图如图 3 所示。使用一个字节作为地址标志码，因此可以实现主站与最多 256 个从站的通信，满足题目中 16 个从站的要求。 5. 键盘和显示部分 2

2003 年全国大学生电子设计竞赛显示部分可选择液晶显示和数码管显示。本系统中的从站使用 8279 扩展键盘和 LED 显示器；而主站部分由于要求实时显示多组数据，因此选用 128×64 点阵 LCD 显示。2×8 键盘直接利用 I/O 扩展而成。二、系统设计 1. 总体设计（1）系统框图液晶显示键盘单片机串行接口图 3 主站从站 1 从站 2 …… 从站 16 储液瓶显示电路键盘声光报警电路步进电机驱动步进电机单片机液滴速度与液面高度检测电路串口通讯去主机图 4 从站（2）电路说明 ①步进电机及驱动电路利用步进电机控制储液瓶的高度，达到控制点滴速度的目 3

2003 年全国大学生电子设计竞赛的。该部分由步进电动机 42BY015 和相应的驱动电路组成。 ②液滴速度与液面检测由两组光电传感器和比较、整形、滤波电路分别组成，检测点滴速度和储液瓶的液面高度。 ③主站显示采用 LMA97S005AD（128×64）点阵式液晶显示模块。 ④从站的键盘与显示由 8279 构成的键盘和 8 位 LED 显示模块。 2.方案实现 (1) 信号采集及前置电路本系统采用光电传感器获取点滴速度信号和液面报警信号，经过比较、滤波、整形后输入到 AT89C52 的 I/O 口。 ①液滴速度检测电路采用红外发射—接收器。电路如图 5 所示。去比较、滤波、整形电路图 5 ②抗干扰电路为了减小干扰，提高测量的准确性，在硬件设计中采用了如图 6 所示的比较、滤波、整形电路。光电传感器输出 10k Vref V1 1k V2 1uF P3.2 图 6 经实验发现，光电传感器的输出波形如图 7 所示，在受环境光线的影响时会出现一个液滴产生两个脉冲的现象，如图 8 所示。 4

为此我们加大了滤波电路的时间常数。为使系统运行更加稳定，我们在软件上设计了消除双脉冲程序。使得双脉冲干扰问题得到较好解决, 如图 9 所示。 ③储液瓶液面检测电路该部分电路与液滴速度检测电路相同。值得强调的一点是当液面较低时，上升气泡体积较大，而且在液面活动剧烈，对光电传感器光源输出的平行光束的吸收与散射作用明显增强。 Vref (2)步进电机驱动电路本系统选用 42BY015 型步进电机，采用 NMOS 管 IF530 构成如图 10 所示的驱动电路。该电路的特点是无反向电流泄放电路，最大驱动电流达 1 安培。由于 AT89C52 单片机 I/O 口的复位电平为“高”，为了避免开机瞬间由于 NMOS 管导通对步进电机造成损坏，在单片机 I/O 口和 MOS 管之间加 74HC04 构成的反相器，以改变驱动逻辑。 2003 年全国大学生电子设计竞赛 Is V1 V2 图 7 t 图 8 t 图 9 t U4:1 1 74HC04 3 2 U4:2 4 U4:3 74HC04 5 6 U4:4 74HC04 9 8 74HC04 +12V M1 Q1 IF530 Q2 IF530 Q3 IF530 Q4 IF530 GND 图 10 (3)键盘和显示主站键盘是由单片机 I/O 接口直接扩展的 2×8 键盘，显示器选用 LMA97S005AD（128× 64）点阵式液晶显示模块，该模块具有 20 引脚，可直接与单片机实现并行连接。从站键盘、显示电路如图 11 所示。采用 8279 作为键盘、显示的接口芯片。8279 是一 5

2003 年全国大学生电子设计竞赛种通用的可编程键盘/显示器接口芯片。它能接收和识别来自键盘阵列的输入数据并完成预处理，还能显示数据和对数码显示器进行自动扫描控制，是实现 CPU 和键盘、数码显示器之间进行信息交换的一种专用接口芯片。 VCC J? VCC 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 20PIN GND S1 R1 1k 19 18 17 16 15 14 13 12 DISP A0 R2 8.2k U2 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 /RD /WR /CS A0 CLK RL0 RL1 RL2 RL3 SL0 SL1 SL2 R2 10K 2829303124252627 R1 47K 9012 R3 51 U3 DPY a f e g d b c dp a b c d e f g dp DPY a f e g d b c dp a b c d e f g dp DPY a f e g d b c dp a b c d e f g dp DPY a f e g d b c dp a b c d e f g dp DPY a f e g d b c dp a b c d e f g dp DPY a f e g d b c dp a b c d e f g dp DPY a f e g d b c dp a b c d e f g dp DPY a f e g d b c dp a b c d e f g dp RESET 8279 1A/Y0 2B 3C 4/G2A 5/G2B/Y7 15 14 13 12 11 10 9 7 GND 75451*4 图 11 (4)点滴速度的测量系统中使用利用软件方式定义了一个内部时钟，该时钟利用定时器 0 中断计时。通过外部中断使其复位，并读取时间 T ，进而利用下式计算出点滴速度 V。 V=60/T （次/分）为使点滴速度具有 1 次/分的精度，取量程为 200 次/分，则要求内部时钟的计时周期应小于 ∆T=T∆V/V=60/200 秒·1 次/分 / 200 次/分=0.0015 秒选取计时精度为 1 毫秒，可以计算出本系统在 1 次/分的精度下最大量程为 245 次/分，满足题目要求。经对双脉冲干扰进行分析，两个脉冲之间的时间间隔小于 85 毫秒，所以在点滴速度测量时，若脉冲时间间隔小于 100 毫秒，忽略该次触发则可以消除双脉冲干扰。本方法经点滴速度小于 300 次/分以下的实验验证，效果良好。 (5)步进电机控制步进电机采用模糊控制算法。按点滴速度设定值与实际值差值不同设置五级不同的电机速度，差值大时，电机速度大；差值小时，电机速度小。并根据差值的符号决定电机运行方向。 3.系统电路图 6

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