论文(设计)基于单片机系统的液体点滴速度监控装置设计.doc

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1、 Xxxx 学 院学年论文(设计)题目：基于单片机系统的液滴点滴速度监控装置学 院 专 业 级 班 学生姓名 学号 指导教师 职称 目 录一、引言4二、系统总体设计42.1系统原理框图及原理分析42.2方案设计与论证52.2.1电机驱动控制电路52.2.2 数据采集62.2.3键盘方案的选择72.2.4系统最终方案确定8三、单片机系统设计83.1 硬件设计83.1.1单片机系统的硬件结构83.1.2 液体滴速检测模块103.2 软件设计11四、总结13参考文献14英文摘要16基于单片机系统的液体点滴速度监控装置设计【摘要】：利用单片机设计一个智能化的液体点滴速度监测与控制系统。该系统由水滴速度

2、测试系统、水速控制系统、显示装置、单片机系统、键盘和报警等系统组成。应用水的压强随着高度差的变化而变化的原理，利用 控制步进电动机的升降来控制点滴速度。点滴速度可用键盘来设定，同时在水到达警戒线 (2cm3cm)以下时能发出报警信号。 【关键词】：点滴速度，步进电动机，单片机1 引言目前各类医院中所使用的静脉输液器都是悬挂在病人的身体水平线以上才能输液，这种传统的输液设施的输液速度难以准确控制，这对特护病人和对输液速度有较严格要求的病人是不方便的，也会加重医护人员的工作强度。本系统就是为了减少人力浪费，获得良好医疗效果而设计的液体点滴速度监控装置，利用这种装置可以通过电机控制储液瓶的高度来达到

3、控速的目的；通过传感系统来确定点滴速度和对液位警戒线的检测；通过键盘设置液体点滴速度。2 系统总体设计2.1系统原理框图及原理分析 利用步进机和压强的原理来控制水滴的速度，有公式可以知道由于液面高度的不同而使压强不同，从而改变液滴的速度。这样的系统比控制输液软管的松紧更好控制，而且比较容易实现。1.8m的高度足以实现速度从20150(滴min)的调节。首先大概测出对应高度所对应的水滴速度，并记下来存在单片机内，需要使用时就直接调出来。在滴斗处用红外系统来测量水滴的速度，再在储液瓶到瓶口3cm处装一个对射式红外传感器来监控水位。当在键盘上按人某个点滴速度时，从单片机内调出相对应的某一个高度，然后

4、控制步进电动机转动进行粗调，再利用红外系统进行反馈来细调，直到红外反馈和所按的速度一样为止。调好以后由于液面的下降和一些其他的因素，又会产生一些速度的变化，或者本身水滴的速度又不是均匀的，所以调好以后速度有可能自身就会发生变化。可以利用红外监控，智能化的调整高度来控制速度，即利用单片机随时自我调整。2.2 方案设计与论证2.2.1 电机驱动控制电路 电机驱动控制电路应选取电路结构简单、功耗小、元器件价格便宜的方案。同时还要实现电机的正反转、转停的双重控制功能，以使其控制的储液瓶能方便地实现上升、下降。 方案一：采用直流电机 由于直流电机上电即转动，掉电后惯性较大，停机时还会转动一定角度后才可停

5、下来。转矩小，无抱死功能，如果要求准确停在一个位置，其闭环算法较复杂。 方案二：采用步进机 步进电机是一种用电脉冲进行控制，将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机。步进机每输入一个脉冲信号，转子就转动一个角度或前进一步，其输出的角位移或线性位移与输入的脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比。用单片机控制步进电机，控制信号为数字信号，不再需要数/模转换，具有快速启/停能力，可在一刹那间实现启动或停止，且步距角降低小，延时短，定位准确，精度高，可操作性强。考虑到上述各种电机的特点，由此选用步进电机作为电机驱动控制电路。电路如下图。 电机驱动电路2.2.2 数据采集 方案一：采用压力传感器来实现。

6、在受液瓶下加一压力传感器，通过感知其压力大小来判断是否有液滴落下。液滴的质量约0.05g，目前精度较高的压力传感器其灵敏度仅0.1g，故此方案目前还无法检测。 方案二：采用液位传感器来检测。将一液位传感器置于受液瓶中，根据液位传感器受到的液位欺负来检测是否有点滴落下。将传感器置于液体中，不可取，同时由于相邻两次液位差距很小，会引入较大的测量误差。 方案三：采用光纤传感器，将光纤传感器固定于滴斗外侧。当液滴滴下时，光纤传感器感知滴斗壁是否产生特定抖动，而判定有无液滴落下。采用光纤传感器，测量精度高，但是光纤传感器的成本高。 方案四：采用红外传感器实现，根据接收到的光强的强弱判断是否有液滴滴下。由

7、于红外光波长比可见光长，因此受可见光的影响较小。此方案成本低，电路简单，且不受可见光的干扰，稳定性好，因此采用此方案作为点滴检测方案。因为利用反射式红外传感器很难进行对水的判断，而利用对射式红外传感器，虽然水对红外的遮挡比较弱，但相对反射来说又会强一点。经过实验可发现对射式红外传感器能比较灵敏地测出水滴。利用测量相邻点滴下落的时间间隔即可确定点滴速度。由此方案所选定的装置也可用于判断液位是否到达警戒线。2.2.3键盘方案的选择方案一：采用矩阵式键盘，采用矩阵行列扫描方案，优点是当有按键较多时可降低占用单片机的I/O接口数目，缺点为电路复杂且会加大编程难度。方案二：采用独立式按键电路，每个按键单

8、独占有一根I/O接口线，每个I/O接口的工作状态互不影响，此类键盘采用端口直接扫描方式。缺点是当按键较多时占用单片机的I/O接口数目较多，优点为电路设计简单，且编程及其简单。综合考虑以上两种方案，由于所需键盘按键数目较多故采用方案一。2.2.4系统最终方案确定 根据以上方案的论证分析，结合器件与设备等因素，系统各模块确定如下：（1） 点滴速度测量采用红外对射管发射接收方式。（2） 储液检测电路仍采纳红外对管发射接收装置。（3） 点滴速度控制是利用电机正反转来调整储液瓶的高度来实现。（4） 键盘采用的是矩阵式键盘。3 单片机系统设计3.1 硬件设计3.1.1单片机系统的硬件结构(如图2所示)由单

9、片机80C51,8155扩展电路、单片机复位和时钟电路、键盘显示电路、数模转换电路、声光报警电路、电机驱动以及红外传感器等电路组成。 CPU采用ATMEL公司的80C51单片机。其内部有128B的片内数据存储器和4KB的片内程序存储器，程序存储器的寻址范围为64KB。由于外部接口较多，需外加接口电路。由于8155内部既有256B静态态RAM又有个I/O和一个计数器，因此是单片机系统理想的扩展器件。 A/D转换器采用美国AD公司生产的一种低成本、8脚封装的电压频率（V/F）转换器AD654。该芯片的工作电压范围很宽，用双电源时为5V18V,用单电源时为5V36V；静态功率很低，线性误差很小，能满

10、足本系统的要求。电动驱动部分选用三相步进电动机。步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机，也可以通过控制脉冲个数来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。具体电路如图3所示。红外传感器部分选用对射式红外传感器，该传感器分为投光器和受光器两部分，两者光轴重合在同一直线上。工作时，投光器发出调制光，被受光器接收，变为电信号。当被测体进入检测区时，光被这遮挡，受光器无光可受，传感器输出状态改变。该传感器因为检测无接触、检测距离大、检测精度高而广泛应用于测距、测速计数、行程控制等。然而，传感器工作一段时间后，调整好的光轴会发生变化，透镜表面会吸附尘埃、油污，这些引起检测距离减

11、小，甚至无法检测。因为我们测的是点滴管，比较细小，而且是贴在输液管的表面，所以干扰会比较小一点。3.1.2 液体滴速检测模块图4所示的是液体滴速检测电路，它包括四个部分：可见光反射与接收电路、信号放大电路、滤波电路和整形电路。可见光发射与接收采用高亮发光二极管和光敏三极管实现。将它们通过支架尽量同轴安放在滴斗，并使其到液滴脱落点距离尽量小一些。在没有液滴经过时，光敏三极管感光量最大，通过的电路也最大。光敏三极管两端电压。 U=VCC-IR2此时达到最小值，当液滴正好处在光敏三极管和高亮发光二极管同轴上时，光敏三极管感光量最小，通过电流也最小，U达到最大值U。本设计正是通过这两个不同的状态来实现

12、对下落液滴数目检测。本电路中R1用于限流，防止因电流过大而烧坏发光二极管。 I=( VCC-ULED)/R1VCC为5V，ULED是发光二极管的管压降，为1.9V，发光二极管的工作电流取20mA，经计算，R1取1600欧，R1实际电路取250欧。由于发射、接收管安装在滴漏上，与电路有较长的距离，而光敏三极管时带来的是电流变化，通过屏蔽长线传输时不易受外界干扰，R2给光敏三极管提供工作电流，并将光敏三极管的电流变化转换成电压变化。通过调整R2，可以调节和大小，这样液滴的两个不同状态就可以转换成端电压从Umin到Umax的交替变化。其电路图如下： 点滴速度测量电路3.2 软件设计 软件设计是指在硬

13、件电路的基础上，以程序的形式实现算法，进而实现液体点滴速度监控的功能。该系统的软件采用C51编写，分为若干个子程序模块，包括键盘、显示模块，电动驱动模块等，以此实现采集数据，并对数据进行设定、显示、调整等处理。软件各部分编程思路框图如下： 开始 滴速检测，读出6秒内点滴的数目送数目到Buffer,累加得到滴速 1、 检测点滴速度子程序 开始 N 光电传感信号变化否？ 进入检测点滴速度子程序 Y 发出报警信号，储液面进入23cm的 警戒水位 2、 储液子程序 开始 小于 当前与设定 大于 值比较 等于 电机正转，储液 电机维持， 电机反转，储液瓶下降 滴速稳定 瓶上升 3、点滴速度控制子程序 开

14、始 初始化 数码管转换成BCD码，查表 N 送入显示缓冲区 Y 判断有没有键盘的按下 继续扫描显示 Y 延时子程序 显 示4、键盘显示子程序 开始 初始化 判断液滴的高度， N 有没有产生中断 Y 有没有调整键按下 继续执行，等待 调用按键处理程序 数据的BCD码转换 显 示 5、系统主程序设计4、总结利用本系统装置可以通过传感器及步进电机进行液体点滴速度的自动调节，从而实现工作安全可靠，减少人力浪费，获得良好医疗效果的目的。为了不断地完善和改进，同时提高系统的灵活适用性，可以对系统进行进一步开发设计。在本次设计的过程中，我查阅了大量的资料，包括查阅书籍和网上的资料，获得了一些相关信息。在方案

15、设计方面，分析筛选出最优的方案，通过这次的设计，让我了解了设计电路的程序与设计理念。通过这次学习，让我对很多种电路有了大概的了解，对于我以后的学习有很大的帮助。同时在这次论文的设计中林顺达老师给了我很多宝贵的意见，在此我表示忠心的感谢。参考文献【1】 陶永华等，新型PID控制及其应用【M】北京：机械工业出版 社.【2】 王治刚，单片机典型设计【M】北京电子出版社.【3】 张爱萍.硬件电路设计原理【M】哈尔滨工业大学出版社.【4】 张伟.Protel.99SE高级应用.北京：人民邮电出版社.【5】 刘刚、秦永左。单片机原理及应用.北京：北京大学出版社.2006.【6】 丁涛.储罐液位检测技术研究

16、【D】；合肥工业大学；2005年.【7】 李丽宏、谢克明；液位自动检测的现状与发展【J】；太原理工大学学报；2001年04期.【8】 果莉.点滴监控系统的研究【J】中国科技信息；2005年17期.【9】 刘迎春、叶湘滨.现代新型传感器原理与应用【M】北京：国防工业出版社，1998.【10】 杨振江、杜铁军.流行单片机实用子程序及应用实例.西安电子科技出版社.2002.【11】 蔡美琴、张为民MCS-51系列单片机及其应用(第二版).北京高等教育出版社.2004.【12】胡汉才.单片机原理及其接口技术.北京清华大学出版社.2004.Based on MCU system liquid dropp

17、ing speed monitoring device designPhysical and information engineering institute Electronic Information Science and EngineeringName Wang lixia Student id 080303020 Academic advisor Lin shunda Professional title lecturer【ABSTRACT】 The system uses the MCU to design a monitoring and controlling apparat

18、us of liquid drop speed. The apparatus consists of liquid drop speed testing system, liquid drop speed controlling system, LED display system, MCU system, the key board and alarming system. And it uses the principle of the waters press transforms when the height of the water transforms, and then to control the working status of the stepping engine. The liquid dropping speed can be set by the keyboard .When the height of water level is decreased to the alarming value (2-3cm), it gives the alarm signal at the same time. 【KEYWORDS】 dropping speed, stepping engine, MCU