全国大学生电子设计竞赛论文

电子设计竞赛

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

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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

F

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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

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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

2 明显增强。 图

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

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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

图3 主站

图4 从站

（2） 电路说明

达到控制点滴速度的目①步进电机及驱动电路 利用步进电机控制储液瓶的高度，

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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。

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。

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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。

(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。

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

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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。

(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

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20PIN

图12 主站电路

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M1J1

J2U6

BUZZER

图13 从站电路

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4.软件系统

(1)主站程序流程

由于系统程序较大，而且要求实时处理的随机事件较多，因此采用了由系统标志统筹整个系统协调工作的程序设计方法，所有子程序调用一次后立即返回主程序，提高了系统的工作效率。从站的设计方法与之相同。

(2)从站程序流程

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三、系统调试

1．硬件调试

（1）传感器及数据采集部分调试

使用示波器和数字电压表观察并采集光电传感器的输出，调整比较器的参考电压和低

通滤波器的时间常数，使其输出达到要求。

（2）通信电路的调试

采用主、从机分别调试，后双机调试，最后多机调试的方法，逐步完成。

（3）电机运行调试

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掌握电机运行速度与软件设定值的关系，与软件算法协同调试，使静态误差最小。

2.软件调试

本程序较大，因此采用C51语言编写。采用自下而上的调试方法，先调试功能电路，再调试整个系统。在调试过程中与硬件的调试相结合，提高了调试效率。

3.软硬件联合调试

当软件和硬件的基本功能分别调试后,进行软硬件联合调试及优化。

四、功能测试及结果分析

1.测试仪器

（1）秒表 （2）示波器 （3）数字多用表

2.功能

（1）动态显示液滴速度,每下落一滴刷新显示一次，测量范围为0-245次/分,精度1次/分。

（2）能在20-150滴/分范围内控制点滴速度,最长调节时间为2分钟13秒，速度最大误差不超过5%。

(3)具有储液瓶液面低报警、液滴速度上下限报警和其他四个异常情况报警功能。速度上下限由从站设定，系统预留有其他异常情况报警输入接口；报警时主、从机可分别显示报警类型。

(4)系统主站具有多达256个从站的控制能力，有定点和巡回检测两种方式。定点检测方式可检测任一从站的点滴速度值和点滴速度设定值；巡回检测方式最多可同时显示16个从站的数据。

(5)从站可接受主站的点滴速度设定信息，并可自由选择是否按照该信息调整点滴速度。

3.测试数据

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数据分析：由实验结果看出基本技术指标达到题目设计要求，控制精度达到5%。

五、结论

本系统以89C52芯片和步进电机为核心部件，采用储液瓶高度调节方式实现液滴速度的控制。系统的基本功能和液滴控制范围与精度指标达到基本要求。如果光电传感器采用调制技术，提高抗干扰能力和控制算法的进一步优化，通信采用RS485协议将使本系统的性能进一步提高。