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1、1第一章 总体方案选择与论证1.1 本章内容简介本章主要讲解液体点滴速度监控装制的整体选取与论证，以及各个部分的子单元的选择与论证。本系统选择以 89C52 单片机处理芯片，采用数码管显示能实时显示采来的数据，上位机与下位机采用 RS485 通信芯片，数据采集器件采用红外线传感器，单片机通过采来信号控制步进电机以及在不同的状态发送声光报警，因为本系统应用的对象比较特殊其使用者是人，所以在单片机抗干扰上应该着重考虑。整个系统能够做到实时准确的显示处理并执行外界采来的信号，而且在发生意外时能及时反映和应对。1.2 总体框图根据毕业设计题目要求，系统总体框图如下图所示。图 11图 1-1 给出了系统
2、组成方框图。通过键盘输入模块输入预置的点滴速度并将数据信息传送给单片机。系统进入调整方式一（电机为主，等待中断）调整装置刚开始运行时步进电机以定速转动，等待传感装置发出中断信号。当点滴速度进入一定范围（预置值10）时单片机检测到中断信号进入调整方式二（采集信号为主，电机被动）采集通过红外光电传感器对不同标志的检测，并以电信号的形式传给单片机，经运算、分析、处理后单片机通过输出端口将数据传给显示模块和电机，实现点滴速度的显示和对滴瓶高度的控制，使实际点滴速度更接近预置值，由于硬件的电机驱动系统液晶显示液滴测速系统 声光报警系统单片机（主机） 液晶显示单 片 机（从机）液面检测系统2限制既不可预测
3、的误差，又使实际点滴速度极难达到预置值，因此设置当实际点滴速度进入预置值 M10%1 滴范围内时电机停止转动，这样就实现了智能控制功能。另外，数据采集装置将通过红外光电传感器检测到的信号直接输出给声光报警装置，节省了单片机的资源。当声光报警持续 30 秒钟后无人复位，则由单片机发出信号关闭声光报警，同时发出信号控制电机使吊瓶下降直至无液滴滴出，可以大大提高输液的安全系数。1.2.1 主控芯片和从属芯片选取根据本题目要求采用单片机来控制整个装置，在单片机选择上就必须要仔细考虑了，根据单片机芯片的工作环境、所用到的 I/O 口数、定时器和记数器、以及单片机的存储空间大小，这时我们通常会想起 Cyg
4、nal 公司的 C8051F 系列单片机它具有很多 I/O 口而且定时器计数器也很多，但它的价格很贵在实际应用上因为是成批生产将增加很大的成本，在多方面比较下选择了 89C52,因为此系统实现的功能很多(键盘，显示，外围电路等)所以所用的 I/O 口也较多，而 89C52 有 4 组 I/O 满足所要 I/O 端口数1，8K 的程序存储空间，在价格上它也是很便宜的一款单片机。1.2.2 显示器选取根据题目设计的意思选择 LED 显示，它在系统中主要是显示从站站号及液滴滴速，使用它一幕了然就能看见点滴的工作状况，从而达到人机交流目的。1.2.3 外围数据采集器件（传感器）及控制选型由于所检测的物
5、理量是水滴是一个很特殊的物质，它没有颜色而且检测的传感器还不能直接接触水滴而是隔一层滴管，所以只能选择具有对光敏感一款传感器。因为周围的环境光的是由很多色光组成，从而选择了红外线传感器做为接收与激光作为发射光；外围控制我们选用步进电机带动点滴瓶使之升降从而达到控制点滴速度目的，它在控制物体高度上是很精确而且在不工作时是很难因为外界对它施加力使之反转。1.2.4 键盘此设计题实现的功能很多，这样键盘数也就很多，键盘设计的方式多不可数，考虑到程序的代码空间大小，及键盘灵敏度是否很高，人们不由会想起矩阵式开关它最多能 16 个按键而且不需要很复杂的外围电路，它可以设计中断方式和非中断方式设计方式灵活
6、，缺点为电路不算复杂但会加大编程难度。经过论断选择了 8279 键3盘，它的硬件不是很复杂软件也很简单操作简单方便。第二章 各单元电路方案论证2.1 本章内容简述本章主要讲述了各单元部分电路的选择与论证，将各单元电路方案列出来，从而对每个方案的优缺点进行比较，选择一个最优的方案。此部分单元电路选择对整体功能实现有着重要作用，所以此部分在此论文中占有很大的篇幅。2.2 水滴检测模块2.2.1 常用光电开关检测技术2光电开关（光电传感器）是根据光敏二极管工作原理制造的一种感应其接收光强度变化的电子器件。当它接收发出的光被目标反射或阻断时，即输出开关。它包含调制光源，光敏元件等组成的光学系统、放大器
7、、及开关输出装置。 2.2.2 以光源模式划分： 1、红色光源 2、红外线光源 3、绿色光源 4、兰色光源 5、白色光源（钨、卤素灯） 6、激光光源。 红色光源、绿色光源、兰色光源、白色光源易受环境影响较大，外界光亮条件改变，很可能造成误判和漏判。 红外线光源不易受环境光源影响。红外光波长比可见光长，因此受可见光的影响较小，同时红外系统还具有以下优点：尺寸小、质量轻，能有效的抗可见光波段的伪装，对辅助装置要求最少，对人眼无伤害，当然红外光也有一定的缺点，如大气、潮湿的天气、雾和云对它有衰减作用，所以只适用于室内通信，在现代生活中，人们为了更方便的使用红外光这种有效的媒质，利用红外光做出了很多器
8、件，发射式光电检测器就是其中的一种器件，它具体积小、灵敏度高、线性好等特点，外围电路简单，安装起来方便，电源要求不高。用它作为近距离传感器是最理想的，电路设计简单、性能稳定可靠。激光光源穿透力较强，被检测对象为塑料透明滴管内的水滴，不能正确判断，所以此种类型的激光检测装置不够敏感，且不易实现。2.2.3 以检测模式划分对射式光电开关：4由独立且相对放置的发光器和收光器组成。当目标通过发光器和收光器之间并阻断光线时，即输出信号。 它是效率最高、最可靠的检测模式。槽形（U 形）光电开关是对射式的变形，其优点是无须调整光轴。镜反射光电开关：集发光器和收光器于一体。发光器发出的光经反射镜返回收光器，目
9、标通过并阻断光线时，即输出信号。 它的检测距离较远，特别适合检测大物体。漫反射式光电开关：集发光器和收光器于一体，当发射光被通过的目标反射回收光器时，即输出信号。其检测距离与目标表面反射率有直接关系。此设计特点以红外线作为光源，槽形（U 形）光电开关，当有液滴落下时，光通量不足，输出高电平，该对管接发光的稳定性高，不易受外界影响，且十分便于检测滴管内的水滴。 VCCVCC39013R18R19R6R1154 23127A LM339R9R8R2 R3R171 28A7406VCC10118E7406INT0图 212.3 液面检测模块2.3.1 方案一：红外线光电开关检测采用红外线对射式光电开
10、关检测液面，不够敏感，很难达到理想效果。2.3.2 方案二：电容传感器3电容式传感器在测量高频信号时，精度较高。但液滴速度相对较为缓慢，当速度为150（滴/分）时，频率也只有 2.5Hz。而电容式传感器测量低频电压的误差较大，且电容对水的介电常数的变化不大，距离有限。52.3.3 方案三：激光检测R4R11 WRR789D7406R14R13R105 6C740654 2312 ALM339DZ RDLDVCCGNDGNDVCC图 22以激光管作为发光源，用方向极强的激光管和光敏二极管构成液位传感器。利用了水的折射原理，由于水的折射作用，有水时透射的光线上移一段距离，照不到光敏管上，如果水位降
11、到警戒线下，没有了水的折射使光线正 好照射到光敏晶体管上，光敏二极管接收的光的强度增大，从 LM 339 中送出低电平，经施密特电路整形后送入单片机，这样就大大提高了稳定度，抗外界光线的干扰能力加强，而且信号调整方便，可以很容易的实现脉冲输出，非常适合用于数字系统，且低频并不影响它的测量精度，有较高的分辨率，所以本系统采用这种光电传感装置检测液面。图 232.4 电机选取和电机驱动电路2.4.1 电机的选取方案一：直流电机小型执行机构的驱动元件一般选择直流电机或步进电机。 其中直流电机使用方便，价格便宜，但运动精度较低，难以实现精确的位置控制。如用直流电机调整输液瓶的高度，将难以控制其精确位置
12、，系统稳定性较差，较难达到题目的要求。如果应用直流电机整个系统由单片机和 A/D 转换构成，控制普通电机的步数和旋转方向，可以考虑达林管组成的 H 型 PWM 电路。用单片机控制达林管使之工6作在占空比可调的开关状态，精确调整电机转速，减小因惯性，速度，步距角过大而引起的调整误差，很难达到改变点滴精确高度的要求，缺点是控制信号为模拟信号，需要将单片机输出的序列脉冲转换，延长了控制的时间，并且步距角为，满足不了控制误差范围为设定值 滴的要求。90 1%0方案二：步进电机一、步进电机描述：步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设
13、定的方向转动一个固定的角度（即步进角） 。您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。二、步进电机分类：步进电机分三种：永磁式（PM） ，反应式（VR）和混合式（HB）永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为 7.5 度 或 15 度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为 1.5 度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家 80 年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为 1.8 度而五相步进角一般为 0.72 度。这种步进电机
14、的应用最为广泛。4从上面所描述的我们立即知道步进电机的运动精度很高，可实现精确的步距角运动，并且控制信号为数字信号，不在需要数/模转换；具有快速启/停能力，可在一刹那间实现启动或停止，且步距角降低到 ，延时短，定位准确，精度高，可5.7操作性强，由其组成的位置控制系统定位准确，稳定时间短，一般可采用开环控制。虽然步进电机的控制系统相对复杂，但与其驱动控制器匹配使用，控制起来也十分方便，可很容易的构成数字位置控制系统，因此本系统的驱动元件采用了步进电机，由 CPU 通过其驱动控制器来控制。步进电机工作方式如下表 21。5方式 步序 控制位 通电绕组 控制字三相单三拍式1 步2 步3 步P3.2
15、P3.1 P3.0C 相 B 相 A 相0 0 10 1 01 0 0A 相B 相C 相01H02H03H表 21根据上表，单三拍相序为 ABCA 时电机正转，反之 A30 30V20 20V10 10V-10 -10V-20 -20V-30 -30V时间 -2 -1 -0.5 0 0.5 1 2当前液滴速度与设定液滴速度差小于 10 时，差值除以设定值，商大于 0.05 则调节，调节方向同上，时间 0.2 秒。商小于 0.05 则停止调节。3.3 主站与从站程序流程图：3.3.1 主站程序流程1117图 34程序初始后，检测方式分为定点和循环两种。定点方式中包括选择从站号，定点巡检从站，显示
16、从站参数工作状态；巡检方式中可以测定输入站数量，输入各从站设定的速度，各从站的资料巡检，且在两种方式中都含有报警系统。程序初始化后，首先检测是否有键按下，若有，对按键进行处理，并检测输入的从站号，设定速度，显示实时点滴速度。将此速度与设定值相比，若小于设定值，电机控制滴管上升；若大于设定值，电机控制滴管下降。当液面到达警戒线时，进行报警处理。控制算法采用逐次分段比较逼近。3.3.2 从站程序框图：检测方式开 始初始化程序选择从站号输入从站数量定点巡检从站 输入各从站设定速度显示从站参数工作状态各从站数据巡检报警否？ 报警处理 有报警否？报警处理定点 巡检Y YNN18图 353.4 多机通信控制流程图485 软件编程讲解：485 芯片的软件编程对产品的可靠性也有很
