毕业设计（论文）基于单片机的液体点滴速度监控装制设计.doc

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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。电机驱动系统液晶显示液滴测速系统声光报警系

2、统单片机（主机）液晶显示 单 片 机 （从机）液面检测系统 图11图1-1给出了系统组成方框图。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，由于硬件的限制既不可预测的误差，又使实际点

3、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Cygnal公司的C8051F系列单片

4、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

5、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，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键盘，它的硬

6、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、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、

7、绿色光源 4、兰色光源 5、白色光源（钨、卤素灯） 6、激光光源。l 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。l 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

8、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：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

9、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。 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

10、变化不大，距离有限。2.3.3方案三：激光检测 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.

11、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，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

12、不了控制误差范围为设定值滴的要求。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

13、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，

14、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 P3.1 P3.0 C相 B相 A相 0 0 1 0 1 0 1 0 0 A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ABC3030V2020V1010V-10-10V-20-20V-30-30V时间-2-1-0.500.512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

15、程11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YYNN 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

16、。控制算法采用逐次分段比较逼近。3.3.2从站程序框图：与设定值比较N小开始初始化程序有按键？输入从站号输入设定速度显示即时点滴速度电机控制上升电机控制下降液面报警？按键处理报警处理Y大YN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大影响。由于485总线是异步半双工的通信总线，在某一个时刻，总线只可能呈现一种状态，所以这种方式一般适用于主机对分机的查询方式通信，总线上必然有一台始终处于主机地位的设备在巡检其它的分机，所以需要制定一套合理的通信协议来协调总线的分时共用。这里采用的是数据包通信方式。通信数据是成帧成包发送的，每包数据都有引导码、长度

17、码、地址码、命令码、内容、校验码等部分组成。其中引导码是用于同步每一包数据的引导头；长度码是这一包数据的总长度；命令码是主机对分机（或分机应答主YYNNYYNN“00”非法命令YN符合不符合“01”返回 中断就绪就绪否否“00”正确否否符合是否返回子程序入口串行口初始化发送地址桢从机应答否应答地址相符否命令从机复位发送命令桢从机应答否命令正确否命令分类从机发送准备就绪否从机接收准备就绪否发送数据块接收数据块 保护现场地址符合否发回地址接收下一桢是命令桢吗 命令分类从机接收准备就绪吗从机发送准备就绪吗Rrdy=0送主机Rrdy=1送主机Trdy=1送主机Trdy=0送主机接收数据桢发送数据桢 接

18、收完否发送完否SM2=1恢复现场 多机通信主机程序流程图多机通信从机程序流程图机）的控制命令；地址码是分机的本机地址号；“内容”是这一包数 据里的各种信息；校验码是这一包数据的校验标志，可以采用奇偶校验、和校验等不同的方式。在485芯片的通信中，尤其要注意对485控制端DE的软件编程。为了可靠的工作，在485总线状态切换时需要做适当延时，再进行数据的收发。具体的做法是在数据发送状态下，先将控制端置“1”，延时1ms左右的时间，再发送有效的数据，一包数据发送结束后再延时1ms后，将控制端置“0”。这样的处理会使总线在状态切换时，有一个稳定的工作过程12。3.4.1通信协议13地址FFH是对所有从

19、机都起作用的一条控制命令：命令各从机恢复SM2=1的状态。主机发送的控制命令代码为：00H：要求从机接受数据块； 01H：要求从机发送数据块；其他：非法指令。数据块长度：16个字节。从机状态字格式为： D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0ERR 0 0 0 0 0trdyrrdy其中：若err=1，表示从机接受到非法命令；若trdy =1，表示从机发送准备就绪；若rrdy=1。多机通信实现过程如下；(1) 准备阶段 首先定义从机地址；置SM2=1；REN=1允许串行口中断。(2) 通信阶段 主机发送的地址信息的特征是串行数据的第9位为1，而发送的数据信息的特征是串行数据的第9位为0。

20、对于从机就要利用SM2来确认主机是否在呼叫自己。从机处于接收时，置SM2=1，然后根据接收到的串行数据的第9位的值来确定是否接收主机信号。第四章 测试数据及结果分析4.1本章内容简介本章主要简述在个子部分单元调试时对各个部分计算结果的统计计算，来判断系统的工作是否正常，测试和采来的数据是否匹配，验证软件算法和硬件采来的数据是否正确，此时如果采来数据采来的很不准确经过软件调试可以校正，也能判断硬件电路是否合理，这部分也是对各个单元硬件电路的检测。4.2液面检测部分参数计算实测时，当输液瓶内有液体时，由于液体对光线的折射作用，使光敏二极管所收到的光线较弱，LM339的4脚（反相端）电平较低为1V，

21、当液面下降到警戒线以下时（无水时），水对光线的折射作用减弱，使LM339的4脚电平较高为2V，其中间值为1.5V，为确保比较器可以稳定工作，LM339的5脚（同相端）电平也应调到1.5V，当R7取10K，R13取7.5K，R10调至中间位置，其阻值为2.5K，则比较器基准电压为：5*4.3/(7.5+2.5+4.3)=1.5V。限流电阻R4取值计算：LD为激光二极管，其工作电流为40m A，供电电压为5V，R4上电压为0.7V， R4=（5V4.3V ）/0.04A=17.5,取R4=18。4.3计算点滴速度的方式 在一定时间内点滴的滴数（即点滴的速度）是单片机通过红外传感器测得的脉冲信号计数

22、获得的，但怎样计算点滴速度以满足在3分钟内实现电机对点滴速度的控制是必须考虑的问题方案一 根据一定时间T（如30秒）内滴下的点滴的滴数n计算点滴的速，计算公式为：=60n /T（滴/分）。根据此方案，若选取的计数时间T较短，以10秒为例，如检测系统误差为1滴，则算得的速度误差为6滴，此时假设点滴的实际速度为30滴/分，而计算速度为36滴/分，误差为30%，大于题目要求的误差范围10%1滴。若选取的时间计数T较长，则系统达到稳定的时间太长。方案二 根据一定滴数N滴下所经过的时间t计算点滴的速度，计算公式为=60N/t（滴/分）。此方案的误差与系统计算的时间精度有关，通过调整计算的时间精度可以改进

23、计算误差，达到题目所要求的误差范围。通过比较论证，作者选用方案二。距离(cm)高度(cm)人工显示0170155155101601441422015012812730140119116401301051055012092906011081807010069688090575690804646100703535110602625从表中可见，达到了题目要求的精度。第五章 测试方法与仪器5.1本章内容简述本章内容讲述制做过程当中所应用的测试设备，和所要掌握的测试方法。5.2测试方法控制电机采用直流减速电机，按测试规定方法，安装固定； 用高约1.8米医用移动式点滴支架，储液瓶用医用250毫升注射液玻璃

24、瓶及秒表和设计显示进行测试对比。调整滴速夹在适当的位置使滴速范围能实现（20150）滴/分以后固定。(1)通过键盘设定点滴的速度，单片机控制电机来实现输液瓶的高度调节（即：调整点滴的滴速 ）(2)实时显示的检测点滴速度，并能通过液晶显示。(3)在液面达到警戒线以下时能发出声光报警信号。(4)按要求分别检测主站及从站功能。实现巡回监测、实现定点监测、正确显示从站参数、设定各从站参数、接受从站报警并显示、有手动解除报警状态显示、能输出从站参数、从站号可任意设定、接受主站信号并显示、异常情况报警，并能手动取消报警 。5.3测试使用仪器：1.秒表2.直尺3.支架4.万用表5.示波器6.滴液管和输液瓶第

25、六章 最终测试数据6.1 本章内容简介本章主要整体电路组建在一起来对数据作最后一次分析，看整体情况能不能满足所设计要求的指标，从而验证整体设计是否合理。6.2 液体点滴速度测量表滴管稳定时间都小于3分钟，所以次表格只记录实际的点滴速度 设定值（分/滴）次数204060080100120150一1939608199120147二2040608098121151三21416181100119149四20415979101120152报警液面高度测量次数一二三四距离（cm）2.72.52.82.4报警情况主机检测到从站无液滴报警从站瓶中液位低于23cm报警6.2.1测试结果分析完成汉字数显动态显示点

26、滴速度(滴/分)及提示，可以单片机控制电机转动方向改变点滴瓶高度控制点滴速度，点滴速度可以用键盘设定，设定范围为20至150(滴/分)，控制误差范围远小于为设定值的10%1滴，调整时间小于3分钟。当点滴瓶中液面降至警戒值(2至3cm)时，能发出声光报警。设计完成并制作一个由主站控制16个从站的有线监控系统。16个从站中，一个实际从站，一个模拟从站。主站功能：具有定点和巡回检测两种方式、可显示从站传输过来的从站号和点滴速度、在巡回检测时，主站能任意设定要查询的从站数量、从站号和各从站的点滴速度、收到从站发来的信号后，能声光报警并显示相应的从站号并用手动方式解除报警状态。从站功能：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、能接收主站设定的点滴速度信息并显示、对异常情况（自设的无液滴滴下）能进行报警。信号传输线的数量最少（2根）。误差分析：1. 在调整点滴的速度时，可能由于电机的转速不均和滴斗在上下运动中抖动产生误差2. 在电机上升或者是下降时由于惯性的作用电机不能马上停止转动，而是向前冲出一段距离产生误差3. 液位报警时，由于液面在接近警戒线时，在其附近有很多气泡，液面受到气泡和外界的不稳定因素影响产生误差。4. 调节速度过大时，由于程序使液滴瓶上移下移不够，而造成不能立即达到要求