液滴监控的设计.docx

1、液滴监控的设计 摘 要利用单片机设计并制作一个智能化的液体点滴速度监测与控制装置。该装置由水滴速度测试系统、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，设定范围为20150(滴/分)，控制误差范围在10%1滴左右。从改变设定值起到点滴速度基本稳定整个过程的调整时间小于3分钟。同时在水到达警戒线以下时能发出报警信号。关键字：点滴速度 红外传感 步进电动机 51单片机 . 第一章 绪论1.1 设计目的为了检测液体点滴的速度，检测液体的数量，而达到自己所需要的目的，本次实验以单片机

2、为核心，辅以必要的外部电路，实现了点滴速度的监测和控制；用另外一片单片机为主站，利用单片机之间的通信传输信息，设计制作了一个主站控制多个从站的有线监控系统。监测与点滴速度调节构成从站主要功能，其主要模块除单片机控制部分外，还有滴速测量、速度测量、液体数量计数，速度设定和计算等。系统用红外线监测点滴来计数，采用两队对管传感器ST168分别在一发一收状态，抗干扰能力强，不会引起遗漏或触发；在这次设计中我们要注意一些，我们要节省单片机的I/O口，增加了系统操作的灵活性；采用了独特的测量与控制算法，极大的提高了控制精度；充分利用了两片单片机的的资源优势，系统的扩展功能强。1.2 发展及其特点1.2.1

3、 课题背景点滴输液是医疗常用手段。医院在对病人进行输液治疗过程中需要根据输液药物和患者病情选择合适的输液滴流速度；在输液过程中，需要时时监视剩余的药液，当药液输完，则由护士及时换瓶或拔除针头。如果不能及时发现药液输完，有可能造成医疗事故，或者速度过快对病人造成不良反应，或者因疏忽大意发生血液回流现象。人工调整滴流速度不够准确和方便，加重了护理人员的劳动负担，也不利于病区的综合管理。因此，国内外都进行了对液体点滴速度进行测量和控制的研究。如采用单片机配合红外传感器，通过调节输液瓶的高度进行测量和控制点滴速度。1.2.2 课题意义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

4、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。同时在水到达警戒线以下时能发出报警信号。目前大小医院中所使用的静脉输液器都是悬挂在病人的上首才能输液，输液速度难以准确限制，这对特护病人和对输 液速度有较严格的病人是不方便的。目前的输液监控报警器笨重、体积大、价格太高，增加医院和病人的费用。所以如果有液体点滴

5、速度监控装置，必将深受医务人员和病人的欢迎。因为它有许多的优点，如：可以用按键准确控制速度，可以报警，设备结构简单，费用低等。所以对液体点滴速度监控的研究十分有意义。第二章 方案设计与论证在详细的了解了设计要求后，通过资料的查阅，对各部分功能的掌握以及以往输液器成品的了解，在反复比较和计算的前提下，建立了总体方案的框图根据题目要求，系统可以划分为几个基本模块，如图2-1所示。显示键盘报警判断警戒线 单片机电机控速红外测速 图 2-1 总体模块方框图总体上确立了由AT89C51为控制芯片，通过扩展片8255连接键盘，并由液滴监控电路、报警检测电路、步进电机驱动电路连接形成的系统结构。利用红外传感

6、器检测液滴流速，将采集到的数据送与89C51；CPU则控制步进电机蠕动角 度和速度，将步进电机的角度转动量转化为直线进给，并反复计算得出在一段时间内电机控制下的实际滴数 其与预设值相比，保证在系统允许误差范围内正常工作。保持系统稳定、精确的工作。2.1 速度监控的方法2.1.1 利用红外线监控的方法方案一：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装一个红外发射传感器,另一端来接受，当有水滴滴下时，传感器会产生一个跳变信号，我们可以通过该信号来计算点滴落下的个数，以此计算出点滴的速度（滴/分），可以选用红外对管ST168，它是单光速反射式红外传感器，由高发射功率红外光电二极管和高

7、灵敏度光电三极管构成，这种采用单光速反射式红外探测系统的电子开关，能非接触无损伤检测各种固体、液体、透明体、黑体、柔软体、不可暴材料和烟雾等，具有体积小、功能多、寿命长、功耗低、精度高、响应速度快、检测距离远和抗光、电、磁干扰性能好的特点。对射开关的两端接电源和地，第三端输出，当有水滴滴出时会产生一个脉冲。方案二：还可以用金属传感器，但用金属传感器需要插入水中，在这里显然不合适。比较以上二个方案,还是第一个方案符合实际情况。2.1.2 利用电机监控的方法方案一：采用步进电机控制储液瓶的高度。设计一种可升降储液瓶高度来控制点滴速度的装置，采用步进电机进给控制升降距离，停转后要能锁住位移。可以采用

8、只给一相供电的方式；但结合产品实际应用情况，其繁杂的装置并不适合；并且其对电机进给位移精度的要求很高，微调也不容易。 方案二：为力求得到准确的、实时的数据，并且控制液滴数和预设值的起始误差在3%的范围内。由于具有步进电机进给的非线性数据，所以只能经过几次的电机进给角度得到一段时间内实际的滴数，再和预设值相比较，控制在误差范围内。具体分析过程如下：测得电机转角最大值和最小值的滴数。根据要求的实际情况设定预设值，假如起始值输入每分钟100滴，设定测试时间的范围为30秒，如果实际得到只有60滴，而此时步进电机的转角为30度，那么加大步进电机的进给角度为60度，得出实际的滴数，假如得到110滴，那么逐

9、渐减小角度，若得到90滴，就再加大进给角度，经过多次的调试，得到再测试时间范围内的稳定实际数值在和预设值的允许误差范围内，则此方案可行。2.1.3 计算液滴的方法方案一 ：根据一定时间t内滴下的点滴数N计算的速度，计算公式为V=60N/T(滴/min)。根据此方案，若选取的计数时间T较低短，以T=10S为例，如检测到6滴，此时假设点滴的实际速度为30滴/min，而计算速度36滴/min（60*6/10），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V=60N/T(滴/min

10、)。此方案的误差与系统计算的时间精度有关，通过调整计算时间精度可以减小计算误差，达到题目所要求的误差范围。通过比较选用方案二。2.2 步进电动机的驱动要使步进电动机输出足够的转矩以驱动负载工作，必须对控制信号进行放大，实现这一功能的电路称为步进电动机驱动电路或功放电路。驱动电路是步进电动机应用的关键，是影响其性能发挥和可靠运行的一个最重要因素。常见的步进电动机驱动电路有三种：双电源驱动电路、斩波限流驱动电路和单电源驱动电路，其中单电源驱动电路采用单一电源供电，结构简单，成本低，但电流波形差，效率底，出力小，主要用于对速度要求不高的小型步进电机的驱动。虽然像斩波限流驱动电路比较的常用，性能也比较

11、好，但基于实际应用和成本等的考虑，我们选用单电源驱动电路就可以了。方案一：采用单电机控制系统，系统的执行机构是电机，用电机控制储液瓶的高度，点滴测速传感器测点滴水速，传给从单片机处理输出。单片机根据储液瓶内液面的高度h1，滴斗内液面的高度h2，利用经验公式或是实测关系计算出储液瓶应在的高度。用直流电机控制液瓶上升或下降的高度。这个方案避开了因为点滴速度不准确，测试点滴水速很长的时间开销的问题。所以控制起来的反应相对比较快。但存在电机是不是能测准控制长度，传感器能不能测准高度的问题。 显示 高度 H1，H2 电机单片机系统储液瓶键盘测量点滴速度 图 2-2 电动机驱动电路图方案二：采用电机加输出

12、量直接反馈的控制系统。本方案的执行机构是电机，电机用来调节储液瓶的高度，同时改变滴斗的高度，从而达到改变水滴的目的。利用光电传感器测试水滴的速度，再将此反馈量给控制器比较，然后通过调整高度再比较反馈量。直到调到所要的水滴速度为止，此系统为是输出量直接反馈的闭环自动控制系统。在控制的稳定性上讲，可以较稳定的调节水滴速度，再则是由于输出量直接作为反馈量，有利于输出量的稳定。 显示 电机单片机系统 键盘储液瓶控制测量点滴速度图 2-3 电动机驱动电路图2.3 红外测速方案一：采用超声波传感器，在滴斗的外壁上固定超声波发射和接受的传感器，用39.8KHZ脉冲调制发射，发射和和接收头对称放在两侧，让两者

13、正对放置。当点滴落下经过传感器之间时，挡住接收头接收信号，将产生一个低电平的脉冲信号，在接收头接受调解，用施密特触发器检出该信号，送单片机计数一次。这样也建立液滴与电脉冲信号的对应关系，实现点滴计数。但由于超声波装置的调试麻烦，一般的超声波传感器相对液滴体积太大，即使液滴垂直落下，所能阻挡的超声波信号也有限，使得接收到的电信号极其微弱，受外界干扰太大；而且滴斗壁对超声波的反射较强，使信号穿透滴斗在另一边接收，比较苦难，要保证信号强度需要较高的电压，根据以前的经验，估计要达到几十伏才可以。方案二：使用红外对管发射接收，采用断续式工作方式，在点滴落下时阻挡了接收管接收红外线，产生高电平的脉冲信号，

14、由于ST168对管的发射口直径较小，单光速发射，液滴相对红外装置正交落下时，产生的信号很强，很容易检测处理。但是在滴斗或整个装置晃动时不能测到信号，为了提高抗干扰能力可以采用两对红外传感器一发一收，而不是只用一只传感器以发射式状态工作，再用检波器检出信号，得到一系列的脉冲。同时红外传感器有很多优点：尺寸小，质量轻，安装在漏斗上较简单；对辅助电路要求少，在近距可以直接用直流发射，电路简单，性能稳定。这个方案有效而简单，很容易实现。综合考虑，我们采用方案二，使用红外对管发射接收来测量点滴速度。2.4 液面过警线检测方案方案一：采用可见光发光二极管与光敏二极管组成的发射-接收电路。此方案操作方便，但

15、是其他环境光源会对光敏二极管的工作产生很大干扰，一旦外界光亮条件改变可能造成误判。方案二：采用红外发射接收器。在液面没到达警戒液面处时，由于光在同一介质中传播红外发射接收器正常工作，而一旦到达该处由于液体与空气对光的折射率不同，在液面处将偏离应有的轨迹。此时红外接收管将接收不到光信号，该状态即可被检测出。在实际的安装实验过程中，发现由于滴瓶倒置后的特殊结构，直接用红外发射接收器很难检测到所需的信号。由于此设计是检测液面，受连通器原理的启发，对其结构进行一下改进。将由于滴瓶形状影响而很难检测到的液面等效到滴瓶外部进行检测，即可有效地解决此问题。在本设计中采用方案二，方案二与方案一相比，主要优点如

16、下：由于红外管代替普通可见光管，降低了环境光源的干扰。用连同器原理解决了由于滴瓶倒置后的特殊结构，很难检测到所需信号的问题。 经过一番仔细的论证与比较，我们决定了系统各个主要模块的最终方案如下：电机控速模块：用步进电机来控制储液瓶的高度来达到控速的目的。步进电机的驱动：采用硬件驱动。红外测速：采用对射式红外传系统。 大概的外型如图2-4所示。图 2-4 硬件外形图2.5键盘方案的选择方案 一 :采用矩阵式键盘，采用矩阵式行列扫描方式，优点是当按键较多时可降低占用单片机的1/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，每个按键单独占有一根1/O接口线，侮个1/O接

17、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1/0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。系统的具体设计与实现。 第三章 系统的硬件设计3.1 AT89C51单片机简介AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除

18、100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。3.1.1 主要特性：*与MCS-51 兼容*4K字节可编程闪烁存储器*寿命：1000写/擦循环*数据保留时间：10年*全静态工作：0Hz-24Hz*三级程序存储器锁定*128*8位内部RAM*32可编程I/O线*两个16位定时器/计数器*5个中断源*可编程串行通道*低功耗的闲置和掉电

19、模式*片内振荡器和时钟电路3.1.2 管脚说明：VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和

20、校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个T

21、TL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚 备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚

22、两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器

23、周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出3.1.3 振荡器特性：XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外

24、部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。3.1.4 芯片擦除：整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止

25、所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。3.2 步进电机部分点滴控制靠单片机检测滴速，得到一个反馈量，输出一定信号控制电机上升或下降调节滴斗的高度。为避免过多不定因素的干扰，保持滴斗和储液瓶大相对距离不变，并将连接导管缠绕并固定，尽量减少两者之间的距离。单片机的输出信号是由测量的点滴速度决定的。测量速度小于设定速度，就输出Vin1为高电平1，Vin2为低电平0，电机正转使瓶子升高，点滴滴速增加；反之，Vin1为高电平，Vin2为低电平，电机反向转动，瓶子降低，速度降低。电机需要正转或反转的控制很简单，但要保证控制定精度并尽量减少设定速度到稳定的时间，必须对反馈信号处理，选择合适的控制程序。我

26、们设定的是用定时器检测相邻两液滴落下的时间，从而计算出点滴速度。拿此速度作为反馈量控制电机的正转和反转。如前所述。这里测量的速度已经舍去了误测的值，比如误触发或没有接收到点滴反射信号引起的较大的测量偏差。电机随每次测量，比较而动作，可以快速调节瓶子高度，但在调节的后半段，接近预设速度时仍用此方式控制电机将带来电机的频率正反转的切换，发生剧烈抖动，给测量造成很大的误差，且使系统进入严重不稳定对运行状态。为解决此问题，我们在后半段改变控制方式。在测量实际滴速达到与设定滴速的误差小于10%后，进入微调节阶段。这时，测量4个液滴间的两两时间间隔，得到3个速度数据，对有效的三个数据N1,N2,N3 求平

27、均值，记为x，再与设定速度比较，控制电机动作。等电机动作结束，再测量一个数据为N4，拿这个数据与前相邻的两个数据N2,N3求平均值，记为x,在采用如下算法控制电机。第一次用此方法让电机转动一个设定时间t秒，（较短，以保证电机为转过目标位置），电机转向由滴速x与设定滴速n比较后决定。然后电机进入自锁状态，静止等待下一次信号。这时单片机开始下一个数据测量，如前所述得出滴速x。用此滴速分别与上次平均滴速x和设定滴速n比较，得出差值。由于负载变化不大，电机速度基本恒定，转过的高度与时间有关。在考虑高度与滴速的对应关系，下一次电机转动时间应为：t = (n-x )/2(x -x)*t这里除以2这样系数，

28、是为了保证第二次调节不至于调节过目标位置，而采用逼进的方式接近设定滴速。在考虑高度与滴速对应的非线性，在接近地面时，调节同样的距离对滴速的改变比高处要大。所以，确定电机转动时间时可以乘以一个收敛因子r，其值取接近1而小于1，在下降阶段乘以r，在上升阶段乘以1/r。控制电机旋转rt时间后，再进入下一次测量周期。当调节达到预设精度要求时，电机锁死完全停止动作。这样可以有效的调节电机，使测量的时候电机不动作，电机动作的时候不测量，避免了电机振动和频繁上下调向的干扰，同时又兼顾了调整次数，使系统尽快进入稳定状态。这样测量、控制可以达到理想的精度。实际测量中，我们的r取0.8。当单片机给出合适的控制信号

29、后，由硬件电路驱动电机就很简单了，电路原理如图3-1所示。 图 3-1 驱动电机电路图本电路采用的是H型开关驱动电路。整个电路可分为三级：第一级接单片机的IO口，用射级跟随器电路加大电流驱动能力；第二级为光耦合电路，减少后级驱动电路对前级的影响；第三级才是驱动电路。当V1为高电平，V2为低电平，Q2、Q3导通，Q1、Q2截止，Vab=-Vcc,电动机反转；Q1当为低电平，Q2高电平时，Q2、Q3截止，Q1、Q4导通，Vab=Vcc,电动机正转；当V1，V2同时为低电平时，Q1，Q2，Q3，Q4均截止，Vab=0Vab=0，电机制动。其他电路设计为满足系统供电，我们制作了稳压电源，分别有5v，和

30、12v。3.3红外测速滴速红外测量电路采用红外传感器，由于采用直流发射，电路极其简单。选用红外对管ST168，它是单光速反射式红外传感器，由高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电三极管构成，性能优异。再考虑它的最佳应用距离，即传感器的前段面与被测物的最佳距离是8mm或6mm,这与在紧贴滴斗壁放置时，到液滴落下的轴线的距离基本相配。让一对管子工作在发射式的状态，靠液滴落下时反射的红外线使接收管导通产生低电平信号，这样的反射信号太弱，不能顺利检测。由于系统在拖动或受风等外力的作用下抖动摇晃，液滴可能不是正对发射头落下，而且液滴也近似为球形，这是就很难使反射的红外线对准接受管，让它顺利接收，不能产生

31、脉冲信号。采用两只管子可以基本解决这个问题。用两队一样的管子，用一对管子中的一只，工作在发射状态，另外一对中的一只工作在接受状态，这样每只管子只用了对管中的一只，但利用液滴阻挡红外线的方式，非常有效。电路连接如图3-2所示 图3-2 红外传感器测量图由电路图看出，接收管收到信号，输出电压为低电平；红外波被阻挡，接受管不导通，输出高电平。测试发现，原来的抖动和较轻的晃动造成的测量不出信号的情形大大减少，电机拖动引起的晃动也不影响测量，输出的波形基本稳定为一系列的等幅脉冲。红外接受管收到的信号是成对出现的两个高电平脉冲，各自脉宽大约为几个毫秒，而两者之间也有一个几毫秒的低电平的间隔。这是因为在液滴

32、通过的时候，液滴中心正对发射和接受口时，红外线以90垂直射入液滴，入射角为0，大部分仍能穿过液滴而使接受管导通,输出为0。在其他侧是因为波被反射与折射而不能到达接受管。为了便于单片机计数，需要将这两个高电平脉冲整形检波输入。于是，我们如图3-3所示接了由555构成的单稳态触发电路，设定了延时为25ms。这个延时时间刚好可以屏蔽其中一个脉冲，由第一个脉冲触发。这个延时也不会影响后来液滴引起的脉冲。因为最快的滴速下，两个液滴间隔为60/150=400ms远大于这一延时。由此，选取的时间常熟电阻电容分别为240千欧姆和0.1微法，计算得Tw =RCln3=1.1RC=1.1*240*1000*0.01*10e（-6）=26.4m