168 液體點滴速度監(jiān)控裝置 摘 要 本設計為液體點滴速度監(jiān)控裝置，實現了對液體點滴速度的檢測與控制和儲液瓶中液面高度的檢測報警，并且動態(tài)顯示點滴速度，可以通過按鍵設置液體點滴速度并使用步進電機進行速度控制；為了達到較好的調整穩(wěn)定度，通過軟件實現控制電路的自適應調節(jié)；利用軟件屏蔽檢測中的異常信號；另外實現了多機通信，即一個主機站控制多個從機站和主、從機之間的數據傳輸。報警信號通過串行口實現從機到主機的傳輸，利用發(fā)光二極管和蜂鳴器實現主機的聲光報警，同時從機使用數碼管顯示異常信息。 系統以單片機 89核 心，使用兩塊系統板（主機和從機）組成有線監(jiān)控系統，主機實現對從機的控制；從機通過外圍電路檢測儲液瓶中液面高度和液體點滴速度；通過從機實現對步進電機控制以此來控制液體點滴速度。軟件使用均值法處理采樣信號以減小誤差。 在整體方案設計中，在保證設計系統能達到的題目要求的精度和穩(wěn)定度的前提下，考慮到系統的輕便性、實用性、可靠性，對電路系統進行了優(yōu)化。 關鍵詞： 電傳感器 步進電機 自適應 多機通信 169 1方案比較、設計與論證 本系統采用模塊化設計，可分為測量模塊、控制模塊和單片機主從通信模塊。 量模塊方案比較與論證 液瓶液面高度測量 方案一：使用拉力傳感器間接測量。將拉力傳感器接在滑輪和儲液瓶之間，利用液面高度變化和拉力變化之間的線性關系進行間接測量。但是拉力傳感器價格貴，從實用性角度考慮，在設計系統中不合適。 方案二：利用超聲波測量液面高度。超聲波測距準確，是一種常用的測距方法。但是在本系統存在液體產生的表面波動，使用超聲波傳感器檢測液面會產生較大的誤差，同時超聲波傳感器安裝方位的確定也是一大難題。 方案三：使用光電傳感器定點對液面進行監(jiān)測。利用光在不同媒質界面的折射或反射原理， 通過光電傳感器接收光信號實現液面檢測功能。此外，光電傳感器安裝方便，只需將傳感器固定在儲液瓶外瓶壁上即可，不需要詳細計算儲液瓶液面高度值，簡化了外圍電路結構。 綜合比較上面三種方案，從實用，簡便同時保證測量準確度上，使用光電傳感器測量儲液瓶液面高度是最理想的選擇。 體點滴速度測量 方案一：利用光透射原理。使用光敏二極管和單向光源實現光檢測。通過光敏二極管接收透射過來的單向光源的光信號，產生脈沖信號。實現框圖如圖1 1。 圖 1 1 利用透射檢測點滴速度 方 案二：利用光的反射原理。使用紅外發(fā)光二極管和光敏三極管實現光源檢測。紅外發(fā)光二極管垂直于漏斗壁發(fā)送紅外光，紅外接收三極管依據接收到的紅外光信號的強弱產生脈沖信號，通過定時采樣計算出液體點滴速度。實現原理框圖如圖 1 2。 170 圖 1 2 利用反射檢測點滴速度 綜合比較上面兩種方案，利用透射原理來檢測點滴速度時，由于儲液瓶是透明玻璃瓶，從光源發(fā)射出來的光大部分反射，透射光比較微弱，這樣檢測信號產生誤差較大，同時電路需要對微弱信號進行處理，這樣就增加了電 路設計上的難度；利用光的反射原理實現時，由于反射信號比較強，這樣可以減小信號檢測時的誤差，同時電路形式要透射時情況簡單。 制模塊方案比較與論證 對液體點滴速度的控制，可以使用下面兩種方案： 方案一：采用輸液軟管夾頭控制點滴速度，由于夾頭的控制中存在很多因素，例如橡膠粘度與液體粘度，彈簧的彈力等等，都為非線性控制量，所以如果采用夾頭控制難以實現類似的線性控制 方案二：采用步動電機調整高度 2h ，這種方法通過步動電機的移步控制可以較精確的控制 2h 高度，從而實現接近線性的控制點滴的速度。 綜合比較上面兩種方案，使用步進電機來實現控制效果較好。 從單片機通信方案設計與論證 并行通信是數據各位同時進行傳輸的方式，優(yōu)點在于傳輸速度快，但是其傳輸數據寬度導致通信線路復雜，由于本系統數據傳輸量不大，可使通信線路盡量簡單才用串行通信方式。串行通信能通過同步傳送和異步傳送兩種方式來實現。 方式一：同步傳送方式。同步傳送字符格式簡單，其有效數據位傳送速率快，但是硬件實現上比較復雜，同時對同步時鐘脈沖信號的相位一致性要求很嚴格。 171 方式二 ：異步傳送方式。異步傳送方式以字符為單位一個個發(fā)送和接收的，每個字符要用起始位和結束位作為字符開始和結束的標志位。在異步傳送中，字符間隔不固定，需要加空閑位等待傳送，這樣其完成數據傳送的時間較長，異步傳送優(yōu)點就在于實現上簡單。 綜合比較上面兩種方案，本系統中實現單片機與單片機之間的通信采用異步傳送方式。 2設計系統組成框圖 通過以上方案設計比較，確定系統實現框圖如下圖 2 1： 圖 2 1 系統組成框圖 3理論分析及控制算法確定 點滴速度和高度 2h 之間的關系 液體點滴速度和滴斗高、滴速夾的松緊以及針頭有很大關系。當滴速夾和針頭固定不變時，點滴速度和漏斗高 2h 存在固定的數學關系。示意圖如圖 3 1。 設滴速夾對速度的影響為 1R ，針頭對速度 172 的影響為 2R ，受液瓶高度為 0h ,( 1R 、 2R 和 0h 圖 3 1 速度和高度關系 為定值 )，由圖 3 1 可以得到液體垂直高度 2h 和液體產生的壓強 P 之間的關系是： )( 02 (3 1) （其中 是液體密度， g 是重力加速度） 當 1R 、 2R 固定時，其對速度的影響不變?？梢詫?漏斗、滴速夾和受液瓶等效成如圖 3 2 中的物理電路。 圖 3 2 等效電路圖 壓強等效成電壓，滴速夾對點滴速度的控制轉化成電路中電阻 1R 對電路電流的控制，針管對點滴速度的控制轉化成電阻 2R 對電路電流的控制。這樣就可以得到 壓強 P、常數 K ( 21 為常數 )和點滴速度 v 之間的關系為： (3 2) 由式 (3 2)和 (3 3)得到： )( 02 即有0102 (3 3) (其中1為常數 ) 點滴速度主要是受高度、滴速夾及針管的影響，其他因素的影響相對來說很小，當滴速夾和針管位置固定時，其影響一定，這樣就可近似地得到式 (33)中高度和點滴的關系。由于實際情況下，常數 1K 不易確定，所以高度 2h 和速度 v 之間的關系需通過實際測量得到。本設計系統通過軟件自學習測量得到2h 和 v 的關系列表。 制算法 該系統為液體點滴速度監(jiān)控系統，由于確定點滴速度和高度之間的關系比 173 較復雜，所以對點滴速度的監(jiān)控使用 制來實現。 制 的實質是根據輸入的偏差值，按一定的函數關系進行運算，其運算結果用以 控制輸出。 在計算機為核心的離散控制系統中， )1()()(1)()( (3 4) 式中： )( k 采樣周期時的輸出， )( k 采樣周期時的偏差， T 采樣周期。 在式 (3 4)中，令)1()()( 則有 )()()()(0 (3 5) 式 (3 5)被稱為數字 輸出控制量 )(應于系統的輸出 y(位置 )，是全量輸出。系統框圖如圖 3 3。 )31()( 式象u 3 位置型 由于式 (3 5)的第二項計算復雜，一般采用增量型 )()()()( 2 (3 6) 增量式算法只輸出控制量的增量 )(。采用增量式算法，系統中需增加一個積分裝置，如步進電機。系統框圖如圖 3 4。 )41()( 式 象 電 機 圖 3 4 增量式 在液體點滴速度監(jiān)控系統中，通過對式 (3 6)中參數 行調整，經過實際觀察其控制效果，找到合適的控制參數。 174 機通信 對于集散測控單元（例如多機通信）使用串行通信來實現，因為串行通信的硬件實現上比較簡單。串行通信是指通信的發(fā)送方和接收方之間的數據信息的傳輸 是在單根數據線上，以每次一個二進制的 01 為最小單位進行傳輸。串行通信的傳輸速度要比并行通信慢的多，但是串行通信可以簡化通信線路。串行通信有同步通信和異步通信兩種方式。 (1)異步通信控制規(guī)程 為實現串行通信并保證數據的正確傳輸，要求通信雙方遵循某種約定的規(guī)程。異步通信控制規(guī)程，或稱異步通信協議，其特點是通信雙方以一幀作為數據傳輸單位。每一幀從起始位開始、后跟數據位（位長度可選）、奇偶位（奇偶檢驗可選），停止位 （如圖 3 5）。 1 幀的數據格式如下： 圖 3 5 異步通信時序 圖 一幀的傳輸經過大致有 以 下幾個步驟： (1)無傳輸 通信線路上處于邏輯 1狀態(tài)，或稱傳號，表明線路無數據傳輸。 (2)起始傳輸 發(fā)送方在任何時刻將通信線路上的邏輯 1狀態(tài)拉至邏輯0狀態(tài)，發(fā)出一個空號，表明發(fā)送方要開始傳輸數據。接收方在接收到空號后，開始與發(fā)送方同步，并希望收到隨后的數據。 (3)數據傳輸 起始位跟著要發(fā)送或接收的一串位序列，即表示一個字符代碼。數據位傳輸規(guī)定最低位在前，最高位在后。數據位的確定是根據實際需求以獲得最佳傳輸速度。 (4)奇偶傳輸 數據位之后是可選擇的奇 偶位發(fā)送或接收。奇偶位的邏輯狀態(tài)取決于奇偶校驗的類型。必須保證在同一次傳輸過程中，每幀選擇的奇偶校驗類型是一致的。 (5)停止傳輸 奇偶位之后是發(fā)送或接收的停止位，其邏輯狀態(tài)恒為 1，位時間可在 1、 2 位選擇，且必須保證在每幀傳輸其間均為相同。 175 發(fā)送方在發(fā)送完 1 幀后，可連續(xù)發(fā)送下 1 幀，也可隨機發(fā)送下 1 幀。在這兩種情況下，當接收方收到傳號后，雙方取得同步。通信雙方除遵循相同的數據傳輸幀格式外，為確保傳輸數據的正確性，雙方還要具有相同的數據傳輸率：每秒傳輸的二進制位數 ,其倒數 即為 波特率 ( （ 2）波特率是衡量數據傳輸速率的指標。設數據傳輸的速率是 1200 字符 /秒，每個字符為 8 位，則其傳輸的波特率是： 8 位 /字符 1200 字符 /秒 9600 波特 滴速度和點滴周期的分析。 圖 3 6 點滴速度測量 通過采集幾個相鄰間隔脈沖信號周期 平均得到相鄰間隔脈沖信號的周期 T，這樣就可以得到點滴速度。 4單元電路設計與計算 通過對題目的分析，可以將要實現的系統分成幾個小模塊分別實現。電路上可以劃分為：電機驅動模塊、儲液瓶液體高度檢測模塊、液體點滴速度檢測模塊。 機驅動方式 步進電機是純粹的數字控制電動機，由電脈沖信號即可轉變成角位移，比其他類型的電動機更適合于本系統，故選用步進電動機。本系統中使用步進電機來控制 2h 的高度，以控制點滴速度。由于單片機帶負載能力有限，不能直接驅動步進電機轉動，所以有必要在單片機和步進電機之間加上步進電機驅動電路，增加單片機帶負載能力 。 電路原理圖如圖 4 2。 176 圖 4 1 動 接入負載時，通過圖騰柱結構輸出沒有 定。 驅動能力要比圖騰柱結構驅動能力強。故本系統中使用 成芯片作為步進電機的驅動。同時，選用了帶負載能力大的感應子式永磁型步進電機，型號為57本系統中使用的步進電機所需要的脈沖電壓幅度是 12V，組阻抗是 20 ，力矩為 9 ，力臂 57夠滿足要求。通過集成芯片 以直接驅動步進電機。單片機輸出四路脈沖信號控制電動機轉動相位角。單片機產生四相四拍脈沖信號的波形如下圖 4 2。 圖 4 2 四相四拍脈沖信號波形 要使步進電機控制更精確，在步進電機所接負載較大時，可以采用四相八拍脈沖信號，波形圖如下圖 4 3。 圖 4 3 四相八拍脈沖信號波形 177 本系統需要使用電機控制高度 2h ，即需要控制儲液瓶的 上升和下降。要是電路盡量控制準確，使用四相八拍脈沖信號驅動電機工作。 液瓶液體高度檢測 通過檢測儲液瓶中液體高度超過警戒值給單片機發(fā)送報警信號。對于儲液瓶液體高度測量，有以下兩種方案可供選擇： 方案一：使用拉力傳感器。通過液體重力和液體高度之間的關系，可以間接測量液體重力來判斷液體高度是否超過警戒值。實現原理如下計算： 設計液體質量是 m，則重力 F 和液體高度之間 h 的關系是： + (4 1) ， (4 2) 由式 (4 1)和 (4 2)可以得到 (4 3) (式中 m 表示液體質量， 0m 表示儲液瓶的質量， g 為重力加速度， 為液體密度， S 儲液瓶底面積 )。 由上面式 (4 3)可以得到：拉力變化和液體高度變化成正比，通過設定的基準點 0h 同 h 之間的差值關系來判斷液面高度是否達到警戒位。 0h 和 h 之間的關系如下： 當 )(30 時，液面高度正常； 當 )(30 時，達到警戒位，發(fā)送報警信號。 使用拉力傳感器的缺點就在于測量不是很準確 方案二：使用紅外線定點檢測 。電路可以分成三部分：紅外檢測電路、電流電壓變換電路、放大整形電路。電路原理圖如圖 4 4。 圖 4 4 紅外定點檢測電路 178 光電傳感器檢測出信號為直流電平，當液面高度下降到警戒值時，光電傳感器檢測到反射光信號，從而產生高低電平的變化，檢測信號通過電壓比較器入到單片機中，通過單片機檢測采樣到的電平，能判斷儲液瓶中的液面是否達到警戒值。光 電傳感器檢測出信號為直流電平，當液面高度下降到警戒值時，光電傳感器檢測到反射光信號，從而產生高低電平的變化，當液面到達警戒值時，單片機產生控制信號，使 閃爍和蜂鳴器響，產生兩種報警措施，蜂鳴器報警實現電路如下圖 4 4。 圖 4 4 蜂鳴器報警電路 電路中使用 555 作為蜂鳴器的報警驅動電路。單片機通過 0T 發(fā)送中斷信號，通過 555 驅動蜂鳴器報警。 體點滴速度檢測 本系統用光電傳感器 檢測單位時間內點滴下落的個 數， 單電源反射式光電傳感器，內含有一個紅外發(fā)光二極管，一個光敏三極管（用來接收反射回來的紅外光）。當發(fā)光二極管發(fā)出的紅外光大部分被光敏三極管接收時，接收端光敏三極管導通；光敏三極管接收到的反射紅外信號微弱時，接收端光敏三極管截止。具體電路形式如下圖 4 5。 圖 4 5 反射檢測點滴速度電路 179 當滴斗處無液滴落下時，紅外光在滴斗表面發(fā)生全反射，光敏三極管導通，比較器輸出低電平；當滴斗處有液滴落下時，紅外光在穿過點滴時有散射現象發(fā)生，光敏三極管只能接收到微弱的光信號，光 敏三極管截止，比較器輸出高電平。電路輸出脈沖信號輸入到單片機 ，單片機對脈沖信號計數，從而確定點滴下落速度。 電路中比較電平由精密穩(wěn)壓管 過電位器分壓輸出，脈沖信號為低頻，故選用低頻電壓比較器 減少高頻噪聲。 設光電傳感器接收到可見光時輸出電壓幅度是 1V ，即輸出信號中的直流分量，當檢測到點滴時，光電傳感器產生脈沖信號輸出，通過電解電容 掉脈沖信號中的交流分量，電壓比較器對脈沖信號整形。實際示波器輸出波形如下圖 4 6 所示。 圖 4 6 脈沖波形的產生 上圖中第一波形為光電傳感器檢測產生的脈沖信號，第二波形即為電壓比較器輸出信號。 測電路中的防干擾 電路中使用光電傳感器檢測點滴速度和警戒值。這樣系統檢測信號受到可見光以及測量調節(jié)中點滴抖動的影響，要使檢測到的信號盡量準確，需要對系統電路進行抗干擾處理。 （ 1）防止可見光干擾 電路中使用了光電傳感器，在接受到發(fā)送的紅外線的同時，將會接收可見光。當可見光的強度足夠大時，將會影響到接收的紅外光信號的精度。抗可見光干擾可以使用在光電傳感器探測頭加遮光罩 ，或使用脈沖頻率調制的方法。由于系統電路中使用直流電源給光電傳感器提供工作電壓，所以本系統使用在光電傳感器探測頭上加遮光罩。 （ 2）防抖動干擾 電路中需要檢測儲液瓶中液面高度以實現報警，同時需要檢測點滴速度及通過改變 2h 高度實現對點滴速度的控制，所以測量時被測 180 裝置將會移動，當光電傳感器和被測裝置之間不能緊密連接時，檢測到的信號誤差，所以要減小被測裝置移動時產生的抖動干擾。本系統中將光電傳感器固定在被測裝置上，以減小被測裝置移動時產生的抖動干擾。 當儲液瓶中液面晃 動時，會使光敏傳感器產生誤報警，利用單片機檢測信號時，適當加上一段時間的延遲，待系統穩(wěn)定時再測，可以減小液面晃動時產生的干擾。 （ 3）干擾的軟件處理。如下圖 4 7 是單片機輸入信號的正常波形和異常波形 。 圖 4 7 單片機輸入信號 檢測到正常波形時脈沖寬度是 t 軟件采集脈沖波形上升沿，則檢測到異常波形時，軟件在 t 間內只默認采集了一個上升沿，即將另一個上升沿屏蔽掉，這樣軟件就能將異常波形轉換成正常波形進行處理。 5系統軟件實現 本系統的核心在 于軟件部分。軟件實現了系統各個模塊的核心部分。軟件上主要實現了一下幾個方面功能。 滴速度測量 方式一：以點滴間隔為單位，記錄一次點滴的時間，用 60 除以點滴單位時間就可得到每分鐘的點滴數。這種方法用到除法操作，而且當點滴速度較快時，測量誤差較大，因為測量單位點滴時間的誤差回被 60 秒這樣大的時間單位放大。但此法在修正點滴速度時，可以實時的測得當前的點滴的速度變化量，適合在調整滴速度使用。 方式二：以單位時間記錄點滴數。通過簡單的乘法就可計算出點滴速度，但此法也存在單位時間內不是完整的點滴數目，從而存在一 定的測量誤差。但是，此法在點滴速度恒定的情況下，可以采用多個單位時間取均值，從而求得單位時間的平均點滴數，這樣可以達到比較好的精度 。 在本設計系統中，采用將兩者結合的方法進行測量。以點滴為單位，同時 181 記錄單位時間內的點滴數。通過對多個點滴測量計算出點滴速度。實現原理如下： 圖 5 1 脈沖信號檢測 使用定時器 0T 定時 S200 ，當檢測到第一個到來的脈沖信號時，程序進行中斷處理，將計數器存儲內容讀出，再將計數器清零作為記錄脈沖信號的初始值計為 0，當定時器定時到 達 S200 時，程序中斷檢測輸入信號是否有脈沖信號到來，同時計數器加 1 即為 ，另外設定計數器錄檢測到的脈沖信號個數，設定計數器 存儲單元是 10，這樣可以通過循環(huán)存儲脈沖個數。在定時器 取出 5 個相臨脈沖信號點（設起始脈沖點是 x，此時對應的計數器 是 1n ，第五個脈沖點是x+5，此時對應的計數器 是 2n ）這樣就能計算出 5 個脈沖 點所需要的時間為： 200)( 12 (5 1) 由式 (4 1)得到相臨脈沖信號時間間隔的平均值5 ，這樣就可以得到點滴速度：su 50060 (5 2) 其中 12 根據上面的理論分析和計算，得到點滴速度測量的程序框圖如圖 4 2。 182 圖 5 2 點滴速度測量程序流程 學習的實現 實現原理：檢測液體點滴速度，同 150 滴 /秒進行比較，當點滴速度小于 150滴 /秒時，電機控制點滴裝置上升直到點滴速度到達 150 滴 /秒。慢慢降低高度，檢測點滴速度，和相應高度建立一一對應列表?？梢酝ㄟ^兩種方式生成列表。 方式一：等間隔方式生成列表。步進電機運行在非勻速狀態(tài)，以保證等間隔下降。由于高度和點滴速度的近似線性關系，可以通過等間隔方式比較準確的列表，但是實現電機的非勻速轉動，相應的增加了軟件的難度。 方式二：步進電機勻速生成列表 。當步進電機轉動時，繞線直徑變小，裝置下降位移間隔減小，這樣當點滴速度較小時調節(jié)范圍便小，調節(jié)效果比等間隔產生的效果好。 綜合比較，自學習過程使用步進電機勻速方式生成列表。 滴速度控制 通過改變高度 2h 來實現對點滴速度的控制，而高度 2h 是由步進電機的轉動來改變的，這樣就可以避免測量 2h 的值，直接通過改變步進電機的轉角即能實現對點滴速度的控制。在對點滴速度進行控制之前，單片機通過自學習產生高度 2h 和點滴速度之間的對應關系列表，為了在保證控制精度的前提下，盡量 183 減少控制調節(jié)的時間，可以先通過大范圍內調節(jié)到設定點滴速度附近，再通過微調將點滴速度調節(jié)到 1%10 滴的精度內。軟件實現流程如下圖 5 4。 圖 5 4 點滴速度控制程序流程 主要實現功能：點滴速度檢測與顯示，設定點滴速度且可以自動調節(jié)點滴速度。 機串行通信 本系統設計多機通信系統主要是實現多個從機同一個主機之間的數據傳輸。通過串行通信方式實現主機對 從機站點的定點和旋環(huán)檢測及對從機的控制等功能。串行通信時在主機和從機之間建立通信協議實現主機和從機之間的數據傳輸。 圖 5 5 主機實現功能 定點檢測功能的實現：定點檢測主要是實現單片機之間一對一通信。實現 184 程序流程圖如圖 5 6： 圖 5 6 主機和從機之間的定點通信 巡回檢測功能的實現：巡回檢測的核心是一對一通信，通過巡回查詢從機狀態(tài)，讀取各個從機的數據并存儲，即實現了巡回檢測。 主單片機和從單片機之間的通信，主要是單片機之間的通信協議的建 立，即軟件上實現單片機之間握手。 單片機握手的實現過程是，主單片機向從單片機（編號 00）發(fā)送通信建立信號 00，從單片機接收到請求信號 00，同時發(fā)送應答信號 00，主機響應應答信號，既可以實現主從之間的通信。 6測試數據與分析 試儀器 60字式存儲示波器、秒表，卷尺。 試方法 主要測試功能包括：儲液瓶中警戒線的監(jiān)視，當液面超過警戒線時報警；液體點滴速度的檢測與控制；單片機之間的通信，即一個主機對多個從機之間的通信。 儲液瓶中警戒線的監(jiān)視：使用示波器觀察儲液瓶上傳感器的波形變化，當在警戒 面上產生高低電平變化說明傳感器檢測警戒液面正常； 185 液體點滴速度的檢測與控制：使用示波器觀察漏斗上傳感器波形變化，在檢測到一滴液體時波形出現一次跳變，多采幾個點，示波器上相應顯示幾個脈沖信號，通過示波器上時間軸計下采集的幾個脈沖信號所用到的時間，計算出相臨兩脈沖的間隔時間，即為相臨點滴之間的間隔時間 t 秒，通過式子0 得到點滴速度 v ，同數碼管顯示值比較，同時可以通過示波器觀察點滴速度控制規(guī)律是否正確。 多機通信：通過主機向從機 發(fā)送控制命令，觀察從機顯示，完成主機對從機的控制；再通過主機讀取從機發(fā)送的數據，觀察主機響應 (顯示與報警 )，完成從機向主機的數據傳輸。 試數據與結果分析 （ 1）設定的警戒值是 2.5 當液面下降到 2.8 報