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1、液体点滴速度监控装置摘 要 本设计为液体点滴速度监控装置，实现了对液体点滴速度的检测与控制和储液瓶中液面高度的检测报警，并且动态显示点滴速度，可以通过按键设置液体点滴速度并使用步进电机进行速度控制；为了达到较好的调整稳定度，通过软件实现控制电路的自适应调节；利用软件屏蔽检测中的异常信号；另外实现了多机通信，即一个主机站控制多个从机站和主、从机之间的数据传输。报警信号通过串行口实现从机到主机的传输，利用发光二极管和蜂鸣器实现主机的声光报警，同时从机使用数码管显示异常信息。系统以单片机89C51为核心，使用两块系统板（主机和从机）组成有线监控系统，主机实现对从机的控制；从机通过外围电路检测储液瓶中
2、液面高度和液体点滴速度；通过从机实现对步进电机控制以此来控制液体点滴速度。软件使用均值法处理采样信号以减小误差。在整体方案设计中，在保证设计系统能达到的题目要求的精度和稳定度的前提下，考虑到系统的轻便性、实用性、可靠性，对电路系统进行了优化。关键词：PID 光电传感器 步进电机 自适应 多机通信1方案比较、设计与论证本系统采用模块化设计，可分为测量模块、控制模块和单片机主从通信模块。1.1测量模块方案比较与论证1.1.1储液瓶液面高度测量方案一：使用拉力传感器间接测量。将拉力传感器接在滑轮和储液瓶之间，利用液面高度变化和拉力变化之间的线性关系进行间接测量。但是拉力传感器价格贵，从实用性角度考虑
3、，在设计系统中不合适。方案二：利用超声波测量液面高度。超声波测距准确，是一种常用的测距方法。但是在本系统存在液体产生的表面波动，使用超声波传感器检测液面会产生较大的误差，同时超声波传感器安装方位的确定也是一大难题。方案三：使用光电传感器定点对液面进行监测。利用光在不同媒质界面的折射或反射原理，通过光电传感器接收光信号实现液面检测功能。此外，光电传感器安装方便，只需将传感器固定在储液瓶外瓶壁上即可，不需要详细计算储液瓶液面高度值，简化了外围电路结构。综合比较上面三种方案，从实用，简便同时保证测量准确度上，使用光电传感器测量储液瓶液面高度是最理想的选择。1.1.2液体点滴速度测量方案一：利用光透射
4、原理。使用光敏二极管和单向光源实现光检测。通过光敏二极管接收透射过来的单向光源的光信号，产生脉冲信号。实现框图如图11。 图11 利用透射检测点滴速度方案二：利用光的反射原理。使用红外发光二极管和光敏三极管实现光源检测。红外发光二极管垂直于漏斗壁发送红外光，红外接收三极管依据接收到的红外光信号的强弱产生脉冲信号，通过定时采样计算出液体点滴速度。实现原理框图如图12。 图12 利用反射检测点滴速度 综合比较上面两种方案，利用透射原理来检测点滴速度时，由于储液瓶是透明玻璃瓶，从光源发射出来的光大部分反射，透射光比较微弱，这样检测信号产生误差较大，同时电路需要对微弱信号进行处理，这样就增加了电路设计
5、上的难度；利用光的反射原理实现时，由于反射信号比较强，这样可以减小信号检测时的误差，同时电路形式要透射时情况简单。1.2控制模块方案比较与论证对液体点滴速度的控制，可以使用下面两种方案：方案一：采用输液软管夹头控制点滴速度，由于夹头的控制中存在很多因素，例如橡胶粘度与液体粘度，弹簧的弹力等等，都为非线性控制量，所以如果采用夹头控制难以实现类似的线性控制方案二：采用步动电机调整高度，这种方法通过步动电机的移步控制可以较精确的控制高度，从而实现接近线性的控制点滴的速度。综合比较上面两种方案，使用步进电机来实现控制效果较好。1.3主从单片机通信方案设计与论证并行通信是数据各位同时进行传输的方式，优点
6、在于传输速度快，但是其传输数据宽度导致通信线路复杂，由于本系统数据传输量不大，可使通信线路尽量简单才用串行通信方式。串行通信能通过同步传送和异步传送两种方式来实现。方式一：同步传送方式。同步传送字符格式简单，其有效数据位传送速率快，但是硬件实现上比较复杂，同时对同步时钟脉冲信号的相位一致性要求很严格。方式二：异步传送方式。异步传送方式以字符为单位一个个发送和接收的，每个字符要用起始位和结束位作为字符开始和结束的标志位。在异步传送中，字符间隔不固定，需要加空闲位等待传送，这样其完成数据传送的时间较长，异步传送优点就在于实现上简单。综合比较上面两种方案，本系统中实现单片机与单片机之间的通信采用异步
7、传送方式。2设计系统组成框图通过以上方案设计比较，确定系统实现框图如下图21： 图21 系统组成框图3理论分析及控制算法确定3.1 点滴速度和高度之间的关系液体点滴速度和滴斗高、滴速夹的松紧以及针头有很大关系。当滴速夹和针头固定不变时，点滴速度和漏斗高存在固定的数学关系。示意图如图31。设滴速夹对速度的影响为，针头对速度的影响为，受液瓶高度为,(、和 图31 速度和高度关系 为定值)，由图31可以得到液体垂直高度和液体产生的压强P之间的关系是： (31) （其中是液体密度，是重力加速度）当、固定时，其对速度的影响不变。可以将漏斗、滴速夹和受液瓶等效成如图32中的物理电路。 图32 等效电路图压
8、强等效成电压，滴速夹对点滴速度的控制转化成电路中电阻对电路电流的控制，针管对点滴速度的控制转化成电阻对电路电流的控制。这样就可以得到 压强P、常数(为常数)和点滴速度之间的关系为： (32)由式(32)和(33)得到： 即有 (33)(其中为常数)点滴速度主要是受高度、滴速夹及针管的影响，其他因素的影响相对来说很小，当滴速夹和针管位置固定时，其影响一定，这样就可近似地得到式(33)中高度和点滴的关系。由于实际情况下，常数不易确定，所以高度和速度之间的关系需通过实际测量得到。本设计系统通过软件自学习测量得到和的关系列表。3.2 PID控制算法该系统为液体点滴速度监控系统，由于确定点滴速度和高度之
9、间的关系比较复杂，所以对点滴速度的监控使用PID控制来实现。 PID控制的实质是根据输入的偏差值，按一定的函数关系进行运算，其运算结果用以控制输出。在计算机为核心的离散控制系统中，PID控制器采用差分方程表示，即 (34)式中：采样周期时的输出，采样周期时的偏差， 采样周期。在式(34)中，令 则有 (35) 式(35)被称为数字PID控制器的位置型算式。其输出控制量对应于系统的输出y(位置)，是全量输出。系统框图如图33。 图33 位置型PID算式由于式(35)的第二项计算复杂，一般采用增量型PID算式。即 (36)增量式算法只输出控制量的增量。采用增量式算法，系统中需增加一个积分装置，如步
10、进电机。系统框图如图34。 图34 增量式PID算式在液体点滴速度监控系统中，通过对式(36)中参数，进行调整，经过实际观察其控制效果，找到合适的控制参数。3.3多机通信对于集散测控单元（例如多机通信）使用串行通信来实现，因为串行通信的硬件实现上比较简单。串行通信是指通信的发送方和接收方之间的数据信息的传输是在单根数据线上，以每次一个二进制的01为最小单位进行传输。串行通信的传输速度要比并行通信慢的多，但是串行通信可以简化通信线路。串行通信有同步通信和异步通信两种方式。(1)异步通信控制规程为实现串行通信并保证数据的正确传输，要求通信双方遵循某种约定的规程。异步通信控制规程，或称异步通信协议，
11、其特点是通信双方以一帧作为数据传输单位。每一帧从起始位开始、后跟数据位（位长度可选）、奇偶位（奇偶检验可选），停止位（如图35）。1帧的数据格式如下： 图35 异步通信时序图一帧的传输经过大致有以下几个步骤：(1)无传输 通信线路上处于逻辑1状态，或称传号，表明线路无数据传输。(2)起始传输 发送方在任何时刻将通信线路上的逻辑1状态拉至逻辑0状态，发出一个空号，表明发送方要开始传输数据。接收方在接收到空号后，开始与发送方同步，并希望收到随后的数据。(3)数据传输 起始位跟着要发送或接收的一串位序列，即表示一个字符代码。数据位传输规定最低位在前，最高位在后。数据位的确定是根据实际需求以获得最佳传
12、输速度。(4)奇偶传输 数据位之后是可选择的奇偶位发送或接收。奇偶位的逻辑状态取决于奇偶校验的类型。必须保证在同一次传输过程中，每帧选择的奇偶校验类型是一致的。(5)停止传输 奇偶位之后是发送或接收的停止位，其逻辑状态恒为1，位时间可在1、1.5或2位选择，且必须保证在每帧传输其间均为相同。发送方在发送完1帧后，可连续发送下1帧，也可随机发送下1帧。在这两种情况下，当接收方收到传号后，双方取得同步。通信双方除遵循相同的数据传输帧格式外，为确保传输数据的正确性，双方还要具有相同的数据传输率：每秒传输的二进制位数,其倒数即为波特率(Baud Rate)。（2）波特率是衡量数据传输速率的指标。设数据
13、传输的速率是1200字符/秒，每个字符为8位，则其传输的波特率是： 8位/字符1200字符/秒9600波特3.4点滴速度和点滴周期的分析。 图36 点滴速度测量通过采集几个相邻间隔脉冲信号周期，平均得到相邻间隔脉冲信号的周期T，这样就可以得到点滴速度。4单元电路设计与计算通过对题目的分析，可以将要实现的系统分成几个小模块分别实现。电路上可以划分为：电机驱动模块、储液瓶液体高度检测模块、液体点滴速度检测模块。4.1电机驱动方式步进电机是纯粹的数字控制电动机，由电脉冲信号即可转变成角位移，比其他类型的电动机更适合于本系统，故选用步进电动机。本系统中使用步进电机来控制的高度，以控制点滴速度。由于单片
14、机带负载能力有限，不能直接驱动步进电机转动，所以有必要在单片机和步进电机之间加上步进电机驱动电路，增加单片机带负载能力。电路原理图如图42。 图41 NUL2803驱动接入负载时，通过图腾柱结构输出没有NUL2803稳定。NUL2803的驱动能力要比图腾柱结构驱动能力强。故本系统中使用NUL2803集成芯片作为步进电机的驱动。同时，选用了带负载能力大的感应子式永磁型步进电机，型号为57BYG 。本系统中使用的步进电机所需要的脉冲电压幅度是12V，电流幅度是0.6A，绕组阻抗是，力矩为9，力臂57mm，能够满足要求。通过集成芯片NUL2803可以直接驱动步进电机。单片机输出四路脉冲信号控制电动机转动相位角。单片机产生四相四拍脉冲信号的波形如下图42。 图42 四相四拍脉冲信
