机电一体化论文-输液滴速控制系统设计.docx

电气自动化毕业设计 电气自动化毕业设计 题 目： 输液滴速控制系统设计 电气工程，电气自动化，自动化，计算机应用控制毕业设计， 电气工程，电气自动化，自动化，计算机应用控制毕业设计，毕 业论文，单片机类， 类毕业设计，强电，弱电，照明系统， 业论文，单片机类，PLC 类毕业设计，强电，弱电，照明系统，变 电站等毕业设计，毕业论文！ 电站等毕业设计，毕业论文！ 本任务及要求： 本任务及要求： 设计一个液体点滴速度监测与控制的系统，能检测点滴速度，控制点滴速度，并能 发出报警信号。系统采用主站控制从站的有线监控系统方式实现医疗输液过程的群控。 设计的主要内容是完成群控系统控制装置的软、硬件设计及调试。 设计包括：1、总体方案的确定；2、单片机的选择； 3、各模块电路的设计；4、 软件设计；5、各模块调试；6、编写设计说明书等。 进度安排及完成时间： 一、 进度安排及完成时间： 1、第二周：明确课题任务及要求，搜集课题所需资料，掌握资料查阅方法，了解本课 题研究现状、存在问题及研究的实际意义。 2、第三周至第四周：查阅相关资料，自学相关内容，确定课题总体方案，明确课题任 务，确定个人研究重点，做好文献综述、开题报告。 3、第七周至第十周：根据自己研究的方向，确定自己的总体设计方案，设计硬件总体 模块图及软件模块图。 4、第十一周至第十三周：完成本系统的软、硬件设计及调试。 5、第十四周至第十七周：整理资料，撰写毕业设计论文。 6、 第十八周答辩。 目 摘 录 要 . 2 Abstract . 3 第1章 1.1 1.2 1.3 单片机及多单片机应用系统 . 1 单片机的概述 . 1 单片机的特点与应用 . 1 MCS-51 单片机的基本组成 . 3 1.3.1 MCS-51 单片机的内部结构及管脚功能 . 3 1.3.2 单片机最小系统构成 . 5 1.4 1.5 1.6 多单片机控制系统的概述 . 7 单片机在输液点滴的研究现状 . 8 课题的主要内容及发展前景 . 9 1.6.1 课题的主要内容 . 9 1.6.2 课题的发展现状与前景展望 . 9 第2章 2.1 2.2 2.3 系统方案确定 . 11 系统设计要求 . 11 系统设计总体方案 . 12 系统各模块方案选择 . 12 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5 2.3.6 第3章 3.1 单片机型号的选择 . 12 点滴速度检测和液面检测方案的论证与比较 . 13 滴速控制方案的论证与比较 . 13 电机控制算法的选择 . 14 键盘、显示及声光报警部分 . 15 主从站协议部分 . 15 硬件设计 . 16 系统硬件设计 . 16 3.2 主站及通信网络的设计 . 17 3.2.1 3.2.2 3.3 主站硬件电路设计 . 17 通信网络设计 . 20 从站电路设计 . 21 3.3.1 3.3.2 滴速检测与液面检测电路设计 . 21 键盘显示电路设计 . 22 3.3.3 3.3.4 第4章 4.1 步进电机驱动电路设计 . 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 报警电路和通讯网络设计 . . 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 软件设计 . 错误！未定义书签。 错误！ 未定义书签。 主站软件设计 . 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 主站总体流程设计 . 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 键盘显示程序设计 . 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 报警程序设计 . 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 与从站通讯 . 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 4.2 从站软件设计 . 错误！未定义书签。 错误！ 未定义书签。 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.2.5 系统定义和总体流程 . 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 滴速和液面判断及报警 . 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 滴速控制程序设计 . 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 键盘及显示程序设计 . 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 与主站通信 . 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 第5章 5.1 5.2 系统调试、抗干扰及制板 . 26 系统调试 . 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 单片机应用系统中常见的干扰现象及影响 . 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 5.2.1 5.2.2 常用硬件抗干扰与保护措施 . 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 软件抗干扰 . 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 5.3 PCB 板设计 . 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 结束语 . 错误！未定义书签。 错误！ 未定义书签。 参考文献 . . 27 致 附 谢 . 28 录 . 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 附录 A 主站程序 . 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 附录 B 从站程序 . 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 附录 C 主站硬件电路总图 . 33 附录 D 从站硬件电路总图 . 34 附表 E 3D 效果图. 35 1 输液滴速控制系统的设计 摘要：近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统 控制检测日新月益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作 为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针 对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。 本系统以以步进电机驱动、键盘、LCD 显示、LED 显示、光电传感器数据采集等 外围电路组成，实现了一个主站控制多个从站的有线液体点滴速度监控系统。电机控制 使用了模糊控制的控制算法，可以有效的减小超调量和静态误差，缩短调节时间。主站 使用 LCD 显示，用户界面友好。 关键字：单片机；驱动；键盘；光电传感器 摘 要 2 The design of the liquid inputing system basing on one-chip computer Abstract:With the development at full speed of science and technology in recent years, the application of the one-chip computer is being moved towards deepenning constantly, drive tradition is it measure crescent benefit to upgrade day to control at the same time. In measuring in real time and automatically controlled one-chip computer application system, the one-chip computer often uses as a key part, only one-chip computer respect knowledge is not enough, should also follow the concrete hardware structure , and direct against and use the software of targets characteristic to combine concretly, in order to do perfectly. The system is designed to construct a wired monitor system of a master station controlling multiple slave stations,with a one-micro controller Atmel89C52 as the key, complimented by stepper motor drive, keyboard, LCD display, LED display and photoelectric censor data collection out side circuit. The combination of fuzzy control working on the motor drive can effective ly reduce the amount of over regulating and stable error and shorten the time of adjusting. Key words:one-chip computer；drive；keyboard；photoelectric Abstract 3 第1章 1.1 单片机的概述 单片机及多单片机应用系统 单片机，也称单片微型计算机，是微型计算机家族中的一员，它以独特的结构和超 群的优点，深得各个领域的青睐，应用十分之泛，近年来发展极其迅速。世界上的各个 半导体厂商都抓住这个机会，推出自己的产品，一时间单片机如雨后春笋般蓬勃发展和 流行起来。 3 在近 30 年的时间里，电子计算机的发展经历了从电子管、晶体管、中小大体集成 电路到大规模集成电路四个阶段， 尤其是随着大规模集成电路技术的飞跃发展， 世纪 20 70 年代初诞生的单片机微型计算机，使得计算机应用日益广泛。而单片机的问世，更进 一步推动了计算机应用技术的发展，使计算机应用渗透到各行各业，达到了前所未有的 普及程度。 1 1.2 单片机的特点与应用 一、单片机的特点： （）重量轻、耗电少、价格低、电源单一。 （）抗干扰能力强、可靠性高。芯片本身是按工业测控环境设计的，其抗工业噪 声干扰优于一般的通用 CPU；程序指令及常数、表格固化在 ROM 中，不易被破坏；许 多信号通道均在一块芯片内。 （）集成度限制，片内存储器容量较小。一般 ROM 小于 8KB，RAM 小于 256 个字节，但可在外部扩展，通常 ROM、RAM 可分别扩展至 64KB。 （）面向控制，控制功能强，运行速度快。其结构组成与指令系统都着重满足工 控要求。指令系统中均有极其丰富的条件转移指令，I/O 口的逻辑操作及位处理功能。 一般来说，单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的其它微处理器。 （）开发应用方便，研制周期短。片内具有计算机正常运行所必须的部件，芯片 外部有许多供扩展用的三总线以及并行、 串行输入/输出管脚， 很容易构成各规模的计算 2 机应用系统。 二、单片机的应用 单片机具有体积小、使用灵活、成本低、易于产品化、抗干扰能力强、可在各种恶 劣的条件下工作等特点。 特别是它强大的面向控制的能力、 使它在工业控制、 智能仪表、 1 外设控制、家用电器、机器人、军事装置等方面得到广泛应用。 2 （1） 单片机在智能仪表中的应用 在各类仪器仪表中，引入单片机使得仪器仪表数字化、智能化、微型化功能大大提 高，例如精密数字温度计、智能电度表、微机多功能 PH 测试等等。 （2） 单片机在工业测控中的应用。 用单片机可以构成各种工业测控系统、自适应控制系统、数据采集系统等，例如 MCS-51 单片机控制电镀生产线、温 度人工气候控制、报警系统控制、IBM-PC/XT 和单 片机组成的二级计算机控制系统等。 （3） 单片机在计算机网络与通信技术中的应用 MCS-51 系列单片机具有通信接口， 为单片机在计算机网络与通信设备中的应 用提供了良好的条件，例如 MCS-51 系列单片机控制的串行自动呼叫应答系统、列车无 线通信系统、MCS-51 单片机无线遥控系统等。 （4） 单片机在日常生活及家电中的应用 单片机越来越广泛应用于日常生活的智能电器产品以及家电中。例如电子秤、银行 计息电脑、电脑缝纫机、心率监护控制、彩色电视机、电冰箱控制、洗衣机控制等等。 （5） 单片机与 Internet 随着网络技术的发展，Internet 已经成为信息社会的重要组成部分，Internet 技术已 经深入到日常生活中和工作中。Internet 技术得以迅速发展，其主要推动力之一是标准 成熟的 PC 工业。无论是 PC 机的硬件平台，还是软件操作系统，都要求高度标准化， 上网方式也大同小异。而对于各类家用电器和智能装置，情况就不同了，它们的心脏多 是单片机，但由于单片机芯片品种繁多，其结构和指令系统也各不相同，因此，它不能 像 PC 机那样通过标准的硬件接口和接口软件直接接到 Internet， 如果能够将各类智能装 置或家用电器与 Internet 连接起来， 一方面可充分利用 Internet 资源， 另一方面还可获得 一些电子设备信息。 1 由此可见，单片机与 Internet 的紧密结合将为单片机应用系统的 发展开创另一片天地。 机电一体化是机械工业发展的方向。它是通过机械技术与微电子技术、信息技术紧 密结合而成的一个新的学科领域。这种结合形成一种技术趋势，涌现了崭新的产品及先 进的制造技术，因而使整个机械、仪表、控制的产品结构发生根本变化。机电一体化产 品是指机械微电子技术、机电转换技术、自动控制技术与计算机于一体，具有智能化特 征的机电产品。采用单片机作为机电产品的控制器，可充分发挥其体积小、功能强、可 靠性高、价格低、安装灵活方便等优点，提高产品的自动化、智能化水平。 2 2 1.3 1.3.1 MCS-51 单片机的基本组成 MCS-51 单片机的内部结构及管脚功能 一、MCS-51 单片机的内部结构 MCS-51 单片机的功能框图如图 1.1 所示。在一块小芯片上集成了一个微型计算机 的各个部分，其核心部分是中央处理器 CPU，它由运算器和控制器两大部分组成。运算 器用来完成算术运算、逻辑运算和进行位操作，由算术逻辑单元（ALU） 、位处理器、 累加器 ACC、寄存器 B、暂存器 TMP1 和 TMP2 等组成。 控制器是用来统一指挥和控制计算机进行工作的部件，它由控制逻辑、内部振荡电 路 OSC、指令寄存器及其译码器、程序计数器 PC 及其增量器、程序地址寄存器、程序 状态字寄存器 PSW、RAM 地址寄存器、数据指针 DPTR、堆栈指针 SP 等组成。 PSEN EA 图 1.1 MCS-51 单片机内部结构 二、MCS-51 单片机的管脚功能 采用 HMOS 制造工艺的 MCS-51 单片机都采用 40 管脚双列直插式封装；而采用 CHMOS 制造工艺的 80C51/80C31,除采用 40 脚双列式直插式封装外，还有用方形的封 3 装方式。如图 1.2 所示为双列直插式封装单片机管脚图。 图 1.2 8031 管脚 各管脚功能说明如下： 电源管脚 VCC(40 脚):接5V；VSS（20 脚） ：接地。 时钟信号脚 XTAL1(19 脚),XTAL2(18 脚):外部时钟信号脚。 控制线 1）RST/Vpd(9 脚):当作 RST 使用时，为复位输入端；当作为 Vpd 使用时，当 VCC 掉电下，可作备用电源。 2） EA /Vpp（31 脚） EA 为访问内部或外部程序储存器的选择号。对片内 RPROM ： 编程时，Vpp 接入 21V 编程电压。 3）ALE/ PROG （30 脚） ：当访问外部储存器时，ALE 信号的负跳变将 P0 口上的 低 8 位送入地址锁存器，不访问外部储存器时，ALE 端仍以固定的振荡频率的 1/6 速率 输出正脉冲信号。当对片内 EPROM 编程时，该管脚 PROG 用于输入编程脉冲。 4） PSEN （29 脚） ：外部程序存储器读选通信号。 输入/输出口线 1）P0 口（3239 脚） ：双向 I/O 口，既可接地址锁存器作低 8 位地址 I/O 口使用也 可以作数据 I/O 口使用。能驱动 8 个 LSTTL 负载。 2)P1 口（18 脚） ：具有内部上位电阻的 8 位准双向 I/O 口，可驱动 4 个 LSTTL 负载。 3）P2 口（2128 脚） 位具有内部上位电阻的准双向 I/O 口，在接收外部存储器 ：8 时，P2 口作为地址高 8 位。能驱动 4 个 LSTTL 负载。 4 4）P3 口（1017 脚） 位具有内部上位电阻的准双向 I/O 口，其每一位又有如下 ：8 特殊功能： P3.0（RXD） ：串行口输入端。 P3.1（TXD） ：串行口输出端。 P3.2（ INT 0 ）:外部中断 0 输入端，低电平有效。 P3.3（ INT 1 ）:外部中断 1 输入端，低电平有效。 P3.4（T0） ：定时/计数器 0 外部事件计数输入端。 P3.5（T1)：定时/计数器 1 外部事件计数输入端。 P3.6（ WR ):外部数据存储器写选通信号，低电平有效。 P3.7（ RD ):外部数据存储器读选通信号，低电平有效。 1.3.2 单片机最小系统构成 单片机最小系统是指单片机能够工作所必需的外部电路，这些电路包括晶振电路、 复位电路、外部程序存储器以及数据存储器等。下面以典型 MCS-51 单片机为代表介绍 最小系统的各个部分。 一、单片机晶振电路 MCS-51 单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，管脚 XTAL1 和 XTAL2 分别是反相放大器的输入端和输出端，由这个 放大器与作为反馈元件的片外晶 体或陶瓷谐振器一起构成一个自激振荡器，这种方式形成的时钟信号称为内部时钟方 式，如图 1.3a 所示；图 1.3b 所示为外部时钟方式。 1 a) 图 1.3 a) 外部时钟方式 b) 内部时钟方式 b) 二、单片机复位电路 1）单片机复位后的状态 无论是 HMOS 型还是 CHMOS 型单片机，振荡器处于运行状态时，如果在单片机 的 RST 引脚保持 2 个机器周期（24 个振荡周期）的高电平，则单片机内部执行复位操 5 作，以后每个周期执行一次，直至 RST 端变低。为保证单片机可靠复位，设计复位电 路时要考虑 VCC 的上升时间的振荡器建立时间，通常使 RST 端持续 20ms 以上的高电 平。复位后单片机从程序存储器的地址 0000H 处开始运行，内部寄存器的状态如表 1.1 所示。 表 1.1 复位后单片机寄存器状态 专用寄存器 PC ACC B 专用寄存器 PSW SP DPTR P0P3 IP IE TMOD TCON T2CON 复位状态 0000H 00H 00H 复位状态 00H 07H 0000H FFH 0000B 00000B 00H 00H 00H 专用寄存器 TH0 TL0 TH1 专用寄存器 TL1 TH2 TL2 RLDH RLDL SCON SBUF PCON 复位状态 00H 00H 00H 复位状态 00H 00H 00H 00H 00H 00H 00000B 复位后，ALE 和 PESE 为高电平，内部 RAM 不受复位的影响，此时内部 RAM 的 状态不确定。 2）单片机复位电路 如图 1-4 所示分别为单片机的几种复位电路。 a) 6 b) c) 图 1.4 a)上电复位 b)按键电平复位 c)按键脉冲复位 上电复位如图 1.4a 所示，它是在 VCC 与 VSS 管脚之间接入 RC 电路。上电瞬间 RST 端电位与 VCC 相同， 随着电容充电电流的减小， RST 端的电位逐渐下降。 只要 VCC 的上升时间不超过 1ms，振荡器建立时间不超过 10ms，按图中的时间常数（C1=22F， R1=1K），上电复位 电路就能保证在上电开机时完成复位操作。上电复位所需要的 最短时间是振荡器建立时间加上 2 个机器周期。在这段时间内，RST 端的电平应维持高 于施密特触发器的下阀值。 图 1.4b 所示为一种上电与按键复位电路， 在实际应用系统中， 有些外围芯片也需要 复位电路，如果这些复位电平与单片机的要求一致，则可以与相连。 为了防止干扰窜入复位端，引起内部某些寄存器错误复位，可在 RST 管脚上接一 个去耦电容。 在应用系统中，为了保证复位电路可靠地工作，常将 RC 电路在接施密特电路后， 再接入单片机复位端和外围电路复位端，如图 1.4c 所示。系统有多个复位端时，能保证 可靠地同步复位。 1 1.4 多单片机控制系统的概述 随着人类社会的不断进步， 工程科学技术在推动人类文明的进步中一直起着发动机 的作用。随着科学技术的不断更新，单片机控制系统在各个领域中的应用日趋广泛，不 但 使得更多的单片机控制系统投入生产设备，大大的提高了劳动生产效率和产品质量， 改善劳动条件。在工业控制领域，多机控制系统很多，如大型检测监控系统、机器人控 制系统、水利工程、桥梁工程等。单个单片机在这些应用场合往往只负责一小部分系统 和控制和检测， 对于整个系统的检测和各个子系统的协调控制则由功能更为强大的单片 机的或者工业 PC 机来完成。 单片机虽然有着强劲的功能，但在要求快速响应、实时性强、控制量多的场合（如 7 电梯群控系统等） ，单个单片机是很难胜任的，虽然此时可以选用高性能处理器，但综 合考虑其性价比，多单片机控制系统更为突出。多单片机控制系统就是指由多个单片机 或者 PC 机与多个单片机构成的更为复杂的控制系统，其间构成多为分布式等，多个单 片机通过网络协议连接成主从式或者对等式等。 在性能更为强大的基础上能完成的任务 更复杂、应用场合更多、人机界面更完善，在此等应用场合，多单片机控制系统显示出 了优越性。 单片机以高可靠性、高性价比、小小体积等而广泛应用工业控制、数据采集、智能 化仪表等实时控制系统中。但其内存小，指令系统简单，在人机交换数据管理等方面有 一定的局限性。因此利用 PC 机与单片机混合控制系统就能将一系列的参数有机的结合 起来。PC 机与单片机构成的控制系统是典型的多机控制系统，它可分两类：一类是 PC 机与单个单片机构成的双机控制系统；另一类是 PC 机与多个单片机构成分布式控制系 统。 在工业控制系统中，一般较为复杂一点的应用系统多采用 PC 机作为上位机，其价 格不但昂贵而且对于小型系统也不适合，因此基于此种问题，我们不妨采用单片机作为 上位机，简易键盘输入，LED 数码管作显示，PLC 作控制单元。这样不但可以将单片机 的优点不互补，而且其体积小，成本低，使用方便，作为多机控制的另一个领域。 现场总线在工业控制甚至民用领域中应用最为广泛， 可靠而简单的连接降低了分布 线的成本，灵活而功能强大的协议又为系统模块设计提供了保证。目前，将现场总线与 以单片机为核心的多个物理层模块连接应用构成多机控制系统也倍受人们欢迎。 1.5 单片机在输液点滴的研究现状 随着科学技术的发展，MCS-51 为核心的单片机控制系统，已经渗透到日常生活的 各个方面。 相对其他领域来说， 速度控制是单片机系统最典型， 最广泛的应用领域之一。 单片机输液滴速控制是医院中常见的问题。 输液滴速控制针对不同的病人情况采用不同 的点滴速度进行输液控制，比如对成人输液滴速一般设 在 6080 滴/分钟，而对儿童输 液滴速一般设在 3040 滴为宜。医院中常见的输液管虽然能进行速度调节，但调节不准 确，不易控制，而且常因为疏忽大意发生血液回流现象，有时速度过快还会对病人造成 不良反应，另外作为医疗过程，医