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1、电子世界2 0 0 3年1 1期37电子竞赛专栏用凌阳 S P C E 0 6 1 A 实现的 液体点滴速度监控装置 羚 阳 2 0 0 3 年全国大学生电子设计竞赛已 经结束。 本文介绍竞赛的F 题。 通过凌阳 1 6 位单片机 S P C E 0 6 1 A 实现一个液体点 滴速度控制系统， 其中包括键盘设置、 动态显示、 点滴速度检测、 储液瓶液面检测 以及电机控制、 异常情况报警等功能， 并 且该系统作为一个子系统能够和主系统 进行通讯。从站部分1 . 系统功能 该系统能够完成以下功能，示意图 如图 1 所示。 ( 1 ) 基本功能在滴斗处检测点滴速度，并制作 一个数显装置，能动态显示
2、点滴速度 （滴/ 分） 。 通过改变h 2 控制点滴速度， 如图1 所示；点滴速度可用键盘设定并显示， 设定范围为1 0 2 0 0 ( 滴/ 分) ， 控制误差范围为设定值1 0 %1 滴。调整时间3 分钟 （从改变设定值 起到点滴速度基本稳定，能人工读出数据为止） 。 当 h 1 降到警戒值（2 3 c m ）时， 能发出报警信号。 ( 2 ) 扩展功能 能输出从站号、 点滴速度和报警信号；从站号和点滴速度可以任意设定。 接收主站设定的点滴速度信息并 显示。 2 . 方案设计与论证 ( 1 ) 点滴速度检测 可以选择红外发射检测的原理来实现，我们可以在滴斗 壁的一端安装一个红外发射传感器，
3、另 一端来接收， 当有水滴滴下时， 传感器会 产生一个跳变信号，通过该信号来计算 点滴滴下的数目，以此计算出点滴的速 度（滴/ 分） ， 这里用到的传感器是一种 光电开关传感器俗名“1 5 m m ” ，不需要 外接任何电路，三根连线分别是：5 V 、G N D和 O U T ，使用非常方便。当电源和 地连接好后，可以将输出直接接一个发 光二极管， 用手在发射和接收之间穿过， 就可以看到二极管会亮灭一次。 ( 2 ) 储液检测电路 可以通过两根单 芯电缆线插入储液瓶口内2 3 c m 处， 一 端连接5 V 的电源，另一端接I / O 口， 并连接一个下拉电阻到地，当液面高于瓶 内导体时 I
4、/ O 口为高电平，否则为低电 平， 参见图2 。 需要注意的是， 深入水中 的两根线一定要注意绝缘好，不能让水沿着线流入电源和 I / O 口。 ( 3 ) 电机控制电路 该电路是用来改 变h 2 高度， 以此控制点滴的速度， 这里 我们选用的是永磁异步四相 8 拍的步进电机，型号为 4 2 B Y G 2 2 8 ，根据电机的 正转和反转来控制储液瓶的高度。 ( 4 ) 键盘设置点滴速度 按键功能说 明：0 9 为数字键， 该数字键表示站 号或者速度，a f 只表示1 0 到1 5 号从站； S p e e d _ s e t u p / 3键：该键有两 个功能，一个是设置点滴速度的功能
5、键， 另一个是数字键3 ；F / E N T E R 键： 该键有两个功能， 一个是第十六号从站号 F ，另一个是确认键； E / C a n c e l 键：该键有两个功能，一个是第十五 号从站号 E ，另一个是删除当前所设置 的数字。举例：设置第 1 5号从站的速 度为 1 2 0 滴/ 分（说明，从站号从第一 个到第十六分别为0 F ） 。 步骤 ： 先按下S p e e d _ s e t u p / 3 键， 表示现在开始设置站号和速度；再输入E / C a n c e l 键， 表示输入第十五号从站 号；依次输入1 、 2 、 0 ， 即输入所设置 的速度；按F / E N T E
6、 R 表示确认；设 置完毕。 ( 5 ) 数码管显示电路 数码管显示用 到的是共阴极的4 位7 段显示。 ( 6 ) 通讯电路 在这里主站和从站之 间的通讯采用 R S 2 3 2 通讯的方式。( 7 ) 声光报警 当发生异常现象时， 如：当储液瓶内液体降至警戒值 2 3 c m 时，发光二极管会点亮，同时会有 语音提示： “请注意点滴即将结束” ，并 发送报警信息给主机。 3 . 系统硬件电路设计 ( 1 ) 电路方框图及说明 图 3 是整个系统的结构图，共包括7 个部分的模块，从图中也可以了解到各个模块对 I / O 口的占用情况。 ( 2 ) 各部分电路设计 点滴速度检测 （图4 ） 利
7、用I O B 3图 2图 1图 3电子世界2 0 0 3年1 1期38电子竞赛专栏图1 1图 8图 9图1 0图1 2图 6图 4图 7图 5来检测点滴数，硬件只 需要将 I O B 3口连接到 检测滴速的光电开关的 O U T 端即可，这样每当 有水滴滴下时，传感器会输出一个高低 电平， 单片机的I O B 3 接收到会产生一个 中断信号。储液检测电路 （图5 ） 利用I O B 2 判 断储液瓶是否快要 空， 将两根线分别 插入瓶中， 当液面 高于线时， 两根线 会导通， 则I O B 2 输 入的是高电平， 反 之如果液面低于线时，两根线会断开， 这时I O B 2 读到的是 低电平，
8、而当I O B 2 的状态由高电平变为 低电平时， 会产生中断， 此时会启动报警 信息。 电机控制电路 （图6 ） 电机控制用 到的电机是四相 8 拍的永 磁步进电机，其中 I O B 6 、 I O B 8 、I O B 9 、I O B 1 1 分别连接四相：A 、B 、C 和 D ， 通过 I / O 模拟电机转动的 时序来控制电机。 键盘设置点滴速度 （图7 ） 这里键 盘的扫描是通过A 口的低8 位来完成的。其中，A 0 A 3 为行输入，而 A 4 A 7 则 为列输出，由于 S P C E 0 6 1 A 内部自带有 1 0 0 2 0 0 k 的上拉和下拉电阻，并在 不同电压时
9、阻值不同，所以不需要再外 接上拉或下拉电阻。 数码管显示电路 （图8 ） 显示电路 中：B 口的高4 位作为位选信号， 驱动部 分用到的三极管是N P N 型的8 0 5 0 ，电阻 为4 7 0 ；A 口的高8 位作为数码管的段 码控制， 数码管采用的是共阴极的；图9 是显示的示意图， 从左到右依次表示， 其中第一位显示的是站号，第二到第四位显示的是速度的值。通讯电路（图 1 0 ）声光报警电路（图 1 1 ） 声音报 警部分， 直接采用S P C E 0 6 1 A 的D A C 输出 经过功放然后外接喇叭播放出来：即语音信号由D A C 引脚2 1 或2 2 经语音集成放大器S P Y
10、O O 3 0 放大， 然后输出， S P Y 0 0 3 0 是凌阳的芯片，相当于 L M 3 8 6 ，但是比 3 8 6 音质好， 它可以工作在2 . 4 6 . 0 V 范 围内，最大输出功率可达 7 0 0 m W （3 8 6 必须工作在 4 V以上， 而 且 功 率 只 有 1 0 0 m W ） 。 光报警是通过点亮二极管（图 1 2 ）来实现的：当点滴即将结束时，I O B 0会 输出一个高电平点亮发光二极管，其中 限流电阻采用 3 3 0 。软件设计1 . I / O 的分配 I / O A 口的分配 I O A 0 I O A 7 : 键盘 输入 ； I O A 8 I
11、O A 1 5 : 数码管的段码的显 示； 剩余端口：无。 I / O B 口的分配 I O B 口分配情况如 下：I O B 0 为光报警二极管；I O B 2 、I O B 3为外部中断；I O B 7 、O B 1 0 为通讯时用到 的 R X 和T X ；I O B 6 、I O B 8 、I O B 9 、I O B 1 1 为电机控制；I O B 1 2 I O B 1 5 为数码管的 位选；剩余端口为 I O B 1 、I O B 4 、I O B 5 。 2 . 程序设计说明及流程 （1 ） 主程序结构 整个程序考虑到 需要处理的任务较多，因此采用模块 化编程，具体的结构可以参
12、见主程序流程（图 1 3 ） ，图 1 4 为中断子程序流 程图。 在本刊的网站上给出了源程序， 供读者参考。 （2 ）各部分实现方法 键盘部分 键盘部分采用1 2 8 H z 的 中断实现扫描，键值处理部分主要是对 站号及其速度的设置，当设置完毕并按 下确认键后，便会将所设置的站号及其速度送到设置的B u f f e r 中， 在1 0 s 检测 的模块中会将该设置的值和当前点滴的 速度进行对比，如果不一致则会控制电 机的转动来调节直到相同，这里误差设 置为1 0 ， 即当误差在1 0 滴内认为是相同 的，电机停止转动。 数码管的显示部分 数码管的显示 部分采用的是动态扫描的方法，程序每执行
13、一次显示一位， 当程序执行4 次后又 会从数码管的第一位开始显示，依次循 环， 所以我们看到的是四位同时显示。 储液瓶液面高度的检测 储液瓶内 液面高度的检测采用的是外部中断 2 即 E X T 1 实现的， 上电后I O B 2 为高电平， 当 液面到达距离底部 2 3 m m 时电路断开， I O B 2 变为低电平， 触发中断产生一个报警信号。 1 0 s 检测模块 1 0 s 检测模块中， 主 要是将定时 1 0 s 后计算得到的值送显示 得B u f f r ， 同时和设置的B u f f e r 进行对比， 判断设置启动电机的标志。 点滴速度的检测 点滴速度的检测 在前面已经说过了
14、，采用的是一种光电 开关传感器，当检测到有液滴滴下时会产生一个从高到低电平的跳变，触发外电子世界2 0 0 3年1 1期39电子竞赛专栏图1 5图1 6图1 7部中断2 即E X T 2 ， 在E X T 2 中每进一次会 将点滴数加一，用 4 H z 中断定时 1 0 s 即 进入中断4 0 次，读一次点滴数， 然后计 算出点滴的速度 （滴/ 分） 。 电机的控制部分 电机的控制部分很简单，当判断到预设值和当前速度不同 时，电机根据所给的标志进行正转或反 转，直到两个速度相同时停止转动。主站部分1 . 主站功能分析 ( 1 ) 定点检测 在该方式下， 可以固 定检测来自某一从站的从站号、从站
15、点 滴速度。 ( 2 ) 巡回检测 巡回检测方式下， 可 以实现循环检测所设定的从站号及对应的点滴速度。( 3 ) 设定 通过设定键设置需要查询的从站数量、从站号和各从站的点滴 速 度 。 ( 4 ) 报警显示及报警解除 收到从站 报警讯号后，进行声光报警并显示相应 的从站号，按取消键可解除报警。 2 . 方案设计 ( 1 ) 人机界面设计 键盘布局如图 1 5 所示。其中，说明：4 * 4 键盘中，数 字键用于设定从站号、 点滴速度、 从站数 量值，设定时采用分屏显示。按下设定键，便可以开始设置，用一个数码管显 示 1 6个从站号（显示范围：0 F ） ， 三个数码管显示点滴速度（显示范围：
16、 2 0 1 5 0 ，十进制） ，设置完成后按确 认键；按定点检测键，开始对设定的从 站进行定点检测；按巡回检测键，将循 环检测设定的各个从站的点滴速度，同 时显示从站号；取消键用于取消输入及 解除报警；统计键用于设定需巡回检测 的从站数量。（2 ）通讯协议 在这里主站和从站之间的通讯采用R S 2 3 2 通讯的方式。0 6 1 采用U A R T 实现主从机通信。需要传送的数据有从站号、点滴速度和报警标志。通讯协议采用如下方式：主从标志用于判断是主站发送的信息还是从站发送的信息， 为1 1 时表示主站，为0 0 时表示从站。 命令号用于区分检测还是设定， 为1 1 时表示检测， 为0 0时表示设定；报警标志用于从站传送报警信号， 默认值为0 0 ， 表示未报警， f f 表示报警。（3 ） 光报警及解除 在检测方
