液体点滴速度监控装置2.doc

全国大学生电子设计大赛（2003）

F6设计题目：液体点滴速度监控装置
参赛学校：山东农业大学 参赛学生：王涛 李晓军 于伯建

2003年全国大学生电子设计大赛说明书

2003年9月17日

设计题目：液体点滴速度监控装置
一、摘要
本系统采用分布式微机控制系统，通过调整输液瓶的高度来精确控制最多可达16个输液器的点滴速度。系统采用主从式结构，都采用89s52作为CPU。从机通过光敏元件测定点滴速度，并通过步进电机调整输液瓶高度，构成了一个闭环控制系统。可通过键盘设定所需点滴速度，设定范围可达20~150滴/分，调整误差≤5%，调整时间≤2分钟。并可动态显示实时点滴速度。当液面下降到2～3cm的警戒值时，可进行声光报警。
主从站之间通过RS-485总线构成串行通讯网络。主站可对16个从站进行定点或巡回监测，查询各从站的实时状态，并可显示其从站号和点滴速度，并可远程设定各从站的点滴速度，当收到从站发来的报警信号后，能声光报警并显示相应的从站号，并可手动方式解除报警。
该系统布局合理，运行平稳，控制精度较高，完全达到了题目基本部分的要求，并基本实现了发挥部分要求。

二、系统方案确定

1、总方案：
分析题目要求，系统为一个主从式测控系统。由通讯网络把主站和多个从站连成一个系统。通讯网络可采用RS-232或RS-485等接口组成。测控从站的功能可有多种方案实现，但一般都都由控制单元、执行机构和检测单元三部分组成。
下面具体论述分析一下各个部分的方案确定。
2、通讯方案的确定
通讯网络可选用RS-232或RS-485。RS-232系统的通讯距离一般小于15米，而RS-485的通讯距离可达1000多米。考虑到本系统模拟的医院病房的实际情况，15米不能满足要求，故采用了RS-485系统
3、执行机构方案的确定
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。
而步进电机的运动精度很高，可实现精确的步距角运动，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，由CPU通过其驱动控制器来控制。
4、检测元件的选择
检测液滴和液面有多种元件可选，如电容传感器和光电传感器等等。
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变化不大，距离有限。
光电传感器具有很强的感应光信号变化的能力，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。表1为我们的实验数据：
表1：光敏对管间不同介质时的电压表(v)
电路
R1 R2 R3值
空气
有液体
空瓶
电路1
R1=510,R2=5.1k
R3=1k
/
9.78
5.0
电路1
R1=1k,R2=5.1k
R3=1k
6.68
9.15
8.l2
电路2
R1=1k,R2=15k
R3=1k
1.039
3.52
2.2

5、总体方案的确定
根据以上的分析，可有多种总体方案来实现题目的要求，分别如下：
（1）、方案一
采用三CPU来实现主机、实控从站和模拟从站，通过RS-232实现通讯。用执行单元采用直流电机，来调节瓶子的高度，从而控制液滴的速度，并对各从站进行实时监控，并配合有关设备控制液滴的速度，直流电机由于其自身性质所限，难以实现精确的控制。且其稳定时间长，要达到题目要求需要十分复杂的软件支持，实现比较困难，精度不能保证。
（2）、方案二
采用三CPU的“三芯合一”结构，通过RS-485实现通讯，执行机构用步进电机，检控单元采用灵敏的光电传感器，来实现主机对个从站的实时控制。本方案的优点在于步进电机的在CPU控制下根据检测单元的反馈信息来对瓶子进行平稳的渐进式的动态调整。达到实时的控制液滴速度。
（3）、方案三
采用控制输液软管的松紧的方式实现对液滴速度的控制。
该方案中由于软管稳定性差，夹头旋转角度难以精确控制，很难达到较高的精度。

根据以上分析，我们选择第二种方案。

三、系统硬件设计
根据题目的要求,采用三片CPU(89S52)分别作为主机和从机的主从式分布式控制系统，配合步进电机可使液滴在20至150之间任意调节。主机负责整个系统资源的管理和分配,协调各部分的工作;从机1负责处理光电对管采集来的信号,并与主机互通数据，从机2模拟多路控制。构成主从机间的高效通讯机制。
1、 CPU的选择
AT89S52是一种带8K字节内嵌可编程闪存的低功耗高性能的八位微控制器,看门狗定时器,双数据指针,3个16位定时/计数器,6个两级中断源结构,以及掉电模式下的自动保存功能,而且价格便宜,市场上容易购买.
2、系统电路分析
主机主要是一个键盘显示系统和通讯系统，电路如下：

图1、主机电路：
实控从机完成实际测控，由键盘显示系统、通讯系统、步进电机控制接口、传感器调理电路和报警输出电路组成。由于光电元件输出的为不规则的脉冲信号，故用电压比较器和施密特触发器整形后再送CPU计频。报警蜂鸣器的驱动电流较大，故用OC门驱动。传感器信号为两路，一路测点滴速度，一路监测液位高度。由于采用了步进电机驱动器，电机控制接口只输出脉冲信号即可。电路如下：

图2、实控从机电路
模拟从机和实测从机基本相同，只是用频率发生电路取代了传感器测量系统，用一个纽子开关取代了液位测量报警。电路如下：

图3、模拟从机电路
3、 电源设计
由于+5v.+12v和-12v为单片机系统常用的电源,所以我们提前设计制作了一套可同时提供这三种电压的稳压电源,精确度较好.
其+5v的电源原理图如下：（12v的电路原理跟+5v相同）

图4 电源电路图
四、软件设计
1、主程序流程
主程序流程如图5所示：开机初始化并设置显示状态，然后是键散转。
2、频率测量子程序
（1）、频率测量子程序如图6所示。
（2）、频率测量方法的选择
频率测量的常规方法有两种：
方法1：计数一定时间内的脉冲数。该方法的时间值没有误差，但所计频率脉冲信号数值存在1个的误差。
方法2：计数一定数量的脉冲所经历的时间。该方法的脉冲信号数值没有误差，但所计时间数值存在4～8的误差。
由于脉冲信号的频率很低，甚至小于2Hz，所以方法1的误差很大。而单片机时钟晶振为6MHz，一个机器周期仅为2us。所以方法2的精度远远大于方法1的测量精度。故我们选用方法2测量。
频率测定子程序如图7所示。其中：F0为计数溢出标志；X正式计数结束标志。利用了T0，T1中断。
F0=0
（3）、键盘操作

五、实验结果与分析
实验测量结果如下图：

距离cm
高度（cm）
人工
显示

0
170
155
155

10
160
144
142

20
150
128
127

30
140
119
116

40
130
105
105

50
120
92
90

60

110
81
80

70
100
69
68

80
90
57
56

90
80
46
46

100
70
35
35

110
60
26
25

从图中可见，达到了题目要求的精度。