滴液速度控制系统设计(硬件部分)
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本 科 生 毕 业 设 计(论 文)论文题目 : 滴液速度控制系统设计(硬件部分)姓名 :学号 : 09043113班级 : 090431 班年级 : 2009 级专业 : 自动化学院 : 机械与电子工程学院指导教师 :完成时间 : 2013 年 6 月 3 日作 者 声 明本人以信誉郑重声明:所呈交的学位毕业设计(论文),是本人在指导教师指导下由本人独立撰写完成的,没有剽窃、抄袭、造假等违反道德、学术规范和其他侵权行为。文中引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出,不包含他人成果及为获得东华理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本设计(论文)的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本毕业设计(论文)引起的法律结果完全由本人承担。本毕业设计(论文)成果归东华理工大学所有。特此声明。毕业设计(论文)作者(签字):签字日期: 年 月 日本人声明:该学位论文是本人指导学生完成的研究成果,已经审阅过论文的全部内容,并能够保证题目、关键词、摘要部分中英文内容的一致性和准确性。学位论文指导教师签名: 年 月 日滴液速度控制系统设计(硬件部分)Drip speed control system design(Hardware part)2013 年 6 月 1 日东华理工大学毕业设计(论文) 摘要 I摘 要本文主要阐述如何利用单片机设计并制作一个智能化的液体点滴速度检测与控制装置,该装置主要由点滴速度检测模块、单片机处理模块、键盘模块、显示模块、液面检测模块、电机及滴液速度控制模块等几个模块构成。在这里,我主要从硬件这一方面进行详细的说明,并详述东西制作过程、中间遇到的问题以及如何去解决问题的,设计的目标是通过改变塑料点滴管的形状以控制液体的流速,点滴的速度可用键盘来直接设定并显示,设定范围为 20-150 滴每分,控制误差范围为设定值 10%正负 1 滴范围之内,从改变设定值起到点滴速度基本稳定,调整时间3min,并且当液面降到一定程度的时候可以发出报警信号。关键词:滴液检测; 单片机; 液晶显示东华理工大学毕业设计(论文) ABSTRACT IIABSTRACTThis article mainly explains what using the single chip microcomputer to the design and construction of an intelligent liquid drop speed detection and control device, This equipment mainly consists of the dropping speed detection module, SCM processing module, keyboard module, display module, liquid level detection module, motor and drip speed control module and so on several blocks. Here, I mainly from the hardware which on the one hand for detailed instructions, and details the production process, intermediate and how to solve the problem, the problem of the design goal is by changing the shape of the plastic drip tube to control the velocity of the liquid, the speed of a bit can be used to directly set by keyboard and display, set the range of 150 to drops per minute, the control error range for setting value plus or minus 10% 1 drop, change the set point from a drop rate basically stable, adjust the time or less 3 min, and when the liquid level to a certain degree of time can be issued a warning signal.Key words: drip testing ; single chip microcomputer ; liquid crystal display东华理工大学毕业设计(论文) 目录 III目 录绪论 11.1 引言 .11.2 单片机应用系统概述 21.2.1 单片机的发展 21.2.2 单片机的结构 21.2.3 单片机的研究意义及发展方向 22 系统方案选择与论证 .32.1 题目要求 32.1.1 基本要求 32.1.2 发挥部分 32.2 控制方案比较 32.2.1 滴速检测方案比较 32.2.2 液面检测 52.2.3 键盘 52.2.4 显示 52.2.5 电机的选择 62.2.6 滴速控制方式的选择 62.2.7 主从机通信方式选择 62.2.8 时钟芯片的选择方案和论证 63 硬件部分 .83.1 系统硬件的基本框图 .83.2 各模块的电路设计 83.2.1 电源部分 83.2.2 滴速检测电路 .103.2.3 键盘控制电路 .123.2.4 显示部分设计 .133.2.5 复位电路 .143.2.6 晶振电路 .143.2.7 时钟电路 .153.2.8 电机驱动及报警电路 .153.2.9 输液管的机械控制 .163.3 硬件制作 .19东华理工大学毕业设计(论文) 目录 IV3.3.1 元件安装及焊接 .193.3.2 PCB 板的制作 204 软件部分 214.1 系统的主程序设计 .214.2 检测点滴速度子程序 .214.3 点滴速度控制子程序 .234.4 键盘显示子程序 .245 系统调试 .255.1 软件调试 .255.2 硬件调试 .255.3 软硬综合调试 .256 总结 .26致 谢 .28参考文献 .29附录 130东华理工大学毕业设计(论文) 1绪论1.1 引言我学的是自动化专业,我们专业主要培养的是能在各行各业例如发电与供配电技术、国防军工行业、核电站控制领域、石油石化行业、工业过程控制、工业运动控制、机器人技术、检测与自动化仪表等领域从事各项科学技术研究,学术交流及产品开发等方面工作的高级工程技术人才。在随着电子技术的发展不断发展到今天,医疗设备也在发生着一些变化,很明显的那些传统的医疗设备上的技术越累越会遭到淘汰,满足不了人们的需求,追求新的技术的脚步催促着人们不断去探索,在滴液速度监控方面,我们也倾向了自动化,智能化。在某些特殊场合,比如刚做过手术或者人体器官比较敏感的部位,这时需要严格控制输液速度和输液量的药物,如果靠人眼观察来控制滴速,不但会加重病情,而且有可能危及生命。因此,我们这个课题的做出的东西不但要廉价而且要实用,只有这样才更能满足社会的现状。我们本次的课题就是滴液速度的监测与控制装置,因为滴液速度跟液体的浓度有关,在滚轮滚到同一开度的时候,浓度不同,滴速也不同,考虑到这个原因,在此我们规定液体主要指的是医院的那些盐水瓶等这种浓度的液体,这样在医院的滴液瓶中不同的液体他的滴速误差非常小,所以这个问题就可忽略不计。这个装置运用到很多与专业相关的知识,与以往不同的是,我们是在以理论的基础上来做出实物,把知识更好的运用到实际当中,理论与实际相结合,更能体现其实用性,也更能宏观的看出在哪些方面需要做进一步的改善。以确保他的价值。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。还有有的病人在打点滴的时候因为时间过长,中途很容易就睡着,以至于在点滴打完时空气有可能流入体内,身体上产生不必要的疼痛,输液速度过慢的话,不但浪费医生护士的时间还会浪费病人的时间。如果输液速度太快,人体的各个器官承受不了这样的重荷,时间一久很有可能导致心力衰竭。本系统通过电机来控制凸轮进行运转,改变对滴液管的挤压状态,从而改变滴速。点滴的速度可以通过键盘输入值来设定,设定范围为 20150 滴每分钟,误差范围尽量控制在 10%滴左右。从设定好初值到滴速显示基本稳定的这一整个过程的调整时间需小于 3 分钟。并且在点滴快完时能报警,在这里我们采用软件报警。所以,有了这样的装置,不仅能减轻医护人员的负担,方便医院对病人打点滴的管理,而且对病人的具体情况有了实施的监测,病人有什么问题可以及时通过报警信号与医生取得联系,达到机电一体化的管理效果。东华理工大学毕业设计(论文) 21.2 单片机应用系统概述1.2.1 单片机的发展单片机经历了三个阶段的发展: 第一代单片机开始出现的时间是 1976 年,他采用专门的结构设计,最具有代表性的是 Intel 公司的 MCS-48 系列产品,这个系列的弹片单片机在片内集成了 8 位并行 I/O口,8 位定时计数器,RAM,ROM 等.无串行 I/O 口,中断处理相比而言较简单,内存容量较小,且寻址范围小于 4KB.多用于高级玩具,计算器和家用电器. 第二代单片机能起代表作用的是 Intel 公司的 MCS-51 系列,在这一阶段的技术特点是,单片机的控制功能被确立,外部总线被完善了.第三代单片机主要在控制功能方面进行全速的发展,在这一阶段主要发展 8 位及 16位单片机的性能,另外这一阶段的重要标志是电气商的广泛介入以及技术学科的边缘性。1.2.2 单片机的结构单片机将各种功能集的芯片集成在一块芯片上,构成了通常所说的 CPU;在同一芯片上集成了 ROM/EPROM、RAM、SFR 和存储器扩展控制器,构成了存储器在单片机内;还把可编程串行口控制器、并行 I/O 控制器以及各种输入输出设备等功能集成,构成了单片机的输入/输出通道。虽然类似于键盘这样的输入设备在单片机中是没有的,也没有类似于 CRT 这样的输出设备,但单片机可以通过 I/O 口与各种输入/输出设备相连。1.2.3 单片机的研究意义及发展方向单片机的发展前景及其广阔,在各个领域中都用到了单片机,用单片机控制设备运转,如:工业控制,信息方面等,在今后的科学发展中,不管是在工业生产,交通信息方面还是医疗各种设备中我们几乎都用智能化的自动控制来代替人工操作,医疗设备的发展也会跟随社会的脚步,医疗设备的安全和一个国家的医疗水平要提高,依赖的是科学技术的不断发展,所以提高科学技术才是发展的最根本的因素。东华理工大学毕业设计(论文) 系统方案选择与论证 32 系统方案选择与论证2.1 题目要求2.1.1 基本要求(1)检测滴速并能将其显示出来,单位是滴每分,方案自选。(2)控制的方式有两种:一种是可以改变滴液瓶与受液屏之间的高度差来控制滴速,另一种是通过控制输液管的大小来控制滴速。并且滴速值也可用键盘来设定并将其显示出来,将滴速的范围设定在 20150 滴每分钟,控制误差范围为设定值 10%滴之内相差正负 1 滴左右。(3)从值设定好到滴速稳定调整时间小于 3min。(4)当液面将至瓶口降到差不多 23cm 时,能产生自动报警。2.1.2 发挥部分设计一个系统他由主站控制监控从站工作的,题意是要求设计 16 个从站,在这里,我们只制作一个从站。(1)主站功能:检测分两种方式,用定点检测或者巡回检测,二选一。同时点滴速度和从站号能够显示出来。a 用巡回检测方式检测时,从站的从站数量、从站号和点滴速度可以被主站任意设定。b 在从站发出来的报警信号被收到后,能显示相应的从站号,而且可以手动解除报警。(2)从站功能:a 在实物上能显示出点滴速度,能显示出报警信号,而且滴速和从站号可以设定。b 将主站设定的点滴速度信息能够完全接收到并正确显示出来。c 对异常情况进行报警。(3)从站和主站通讯时不限通信方式,自定通信协议,但应该尽量减少信号传输线的数量。(4)其他。2.2 控制方案比较2.2.1 滴速检测方案比较方案一:选用超声波的方案来测量点滴速度。实物图上将超声波的发射和接收管固定在漏斗两侧,要对着放,这样有利于接收到信号。在没有液滴滴下时,在接收端产生的是一个高电平信号,当有点滴落下时,液体会挡住接收管接收信号,这样就会将产生一个低电平的脉冲信号,然后再接收端调制解调,信号经施密特触发器检测送东华理工大学毕业设计(论文) 系统方案选择与论证 4到单片机进行一次计数。这样既可将液滴与电信号的对应关系建立起来,实现点滴计数。但是超声波调试起来非常麻烦,有时候当液滴滴下时,可能由于外界各种原因,会使其接收到的信号极其微弱,受外界干扰太大;另外它的穿透能力不行,当然电压越高穿透力就越强,但是电压越高对不管是医护人员还是病人都会造成一定的危险度。所以不建议使用这个方案。方案二:选用电感式传感器来检测滴速。实物做法可以将线圈绕在漏斗壁周围,这些线圈就是传感器。当有液滴滴下时电感量会发生变化,然后变化的频率值在经过经过 LC 振荡后被输出,然后再经过频率电压变换电路之后,再进行电压比较后输出TTL 电平信号来检测点滴速度。大体的思路框图如下:方案三:采用红外发送接收管作为传感器来检测滴速。实物电路中将其做成对射式 的,这样在接收端可以根据光强来判断是否有液滴滴下,可见光一般没红外光波长,因此几乎可以说它不受可见光的影响,而利用反射式的红外传感器的时候很难对水进行判断,所以,相对来说,对射式的水对红外的遮挡比较强,经实验验证,比较能灵敏的东华理工大学毕业设计(论文) 系统方案选择与论证 5检测出水滴,当没有液滴滴下时输出端会产生一个低电平,当有点滴经过红外检测电路的时候就会产生一个比较高的电压,如此就可以产生脉冲信号。这个方案简单方便,又容易采纳,所以我们选用此方案。方案四:采用电容式接近开关,电容式接近开关是一种检测体与被检测体不用直接接触就能进行动作的一种传感器。他的开关特性是指当被检测物体靠近接近开关工作面时,回路里边的电容量会发生多与少的变化,由此而产生所谓的开关的效果,通过开与关我们就可判断物体的有与无。所以,经过以上论证,我选方案三,采用红外发射接收管作为传感器来检测点滴滴速。2.2.2 液面检测方案一:采用金属电极检测吊瓶内液面信号。原理是利用水的导电特性实现液滴速度及吊瓶内液面的检测,且电极采用不锈钢制成,但这种方法要在吊瓶内加入电极,操作困难,而且可能会对人身体不利。方案二:采用软件设置来检测点滴速度并产生报警信号,这种方案的控制点比较难掌握,因为在打点滴的过程中滴速变化的因素太多,如果靠滴速来判断,很有可能产生误判产生不必要的干扰。方案三:采用对射式红外发送接收管检测液面,根据接收到的光强来判断是否到达警戒值,这种方案跟之前说的滴速检测方案比较类似,我们也直接用他来检测液面,这种方案直观简单、易于操作,且控制起来更加方便。综合可虑:方案一原理简单,可靠性强,但难于实现而且对患者身体不利,方案二不可靠,因此,选择方案三。2.2.3 键盘键盘可选两种方案:方案一:选用用矩阵式键盘方案,矩阵式键盘一般均采用行列扫描方式,当按键较多时可节省 I/O 口数量,但其画板时电路复杂,编程难度大。方案二:选用独立的单个按键,这种按键在运用时比较浪费资源,因为每一个按键都需要一个 I/O 口,若系统需要用较多按键,单片机中的 I/O 资源往往比较宝贵,当用到较多的按键的时候,不建议采用这种方案。在此设计中,主要由于 I/O 口数量有限,功能按键多,所以我选用方案一。2.2.4 显示方案一:用液晶来显示滴速。不管哪种背光的液晶,他显示的内容比起数码管不但多而且内容,又省电,抗干扰能力强,功耗小,画面效果好,但是缺点是液晶是以点阵的模式来显示各种符号,所以编程量多,成本高。东华理工大学毕业设计(论文) 系统方案选择与论证 6方案二:用数码管来显示滴速,数码管只能显示数字,最多也就显示前几个字母,内容很单一,对于本次的课题,我们不但要能显示数字,还要能显示日期,内容不能满足需求,所以选择方案一。2.2.5 电机的选择方案一:采用伺服电机。伺服电机与步进电机主要的区别一个是在控制精度方面和过载能力方面,伺服电机要比步进电机高点,过载能力强,这种电机一般用在高起动转矩、低惯量的系统中。而步进电机一般过载能力非常小甚至没有,所以不适合。方案二:采用步进电机。在稍微精确定位方面比较优越。工业过程控制及仪表中的主要控制元件之一就是步进电机。他主要是将电脉冲转化为角位移。通俗一点来讲:在使用的过程中电机一旦检测到有脉冲信号时,就会驱动电机按原先设定好的方向转动一个固定的角度,我们把这个角度叫做步进角。我们的角位移量可以通过脉冲个数来进行控制,这样就可以实现准确定位。2.2.6 滴速控制方式的选择方案一:控制滴液瓶的升降,通过电机来控制吊瓶升降,根据气压的不同,滴液速度会发生相应的变化,这种方法简单易实现,但是滴管长度有限,而且受制于受液瓶的高低,控制起来会有许多不定因素。所以我们不选用此方案。方案二:采用凸轮来控制滴管的松紧,这样滴速一定会发生相应的变化,这种方案在执行元件的选取上要花费脑筋,但优点是控制较精细,调整较迅速,稳定性也比较好,所以我们选用凸轮来控制。2.2.7 主从机通信方式选择方案一:采取并行方式。并行的传输方式需要的传输线很多而且成本高,尤其是在远距离通信时更不适于,因此不选用这个方案。方案二: 总线方式。采用 总线方式总要两条线就能够实现多机通信,但CI2CI2不适合用于较远的通信。对于没有其接口的单片机来说,软件模拟 较复杂些。CI2方案三:本系统可以选择通信方式之一是 RS-485 半双工串行方式。RS-485 只需两根传输线来传送信号,他很适合长距离传输,其中有用的传送几乎可达一千多米,他的抗干扰能力非常强,同时组网能力也很强,在连接网络时的只需 AB 两根线即可。方案四:无线网络通信方式。相比有线传输,无线传输在某些特定的条件下具有无法比拟的优势,而且有许多现成的无线通信模块可以选用,是一种较好的方案,但应根据成、距离等具体情况决定是否选用。我们对这个系统的通信要求不是很高,要传输的信号也不是很多,所以在这里我们选择方案三。2.2.8 时钟芯片的选择方案和论证方案一:直接采用单片机上的定时计数器来计算时间,使用程序实现时间的计数。东华理工大学毕业设计(论文) 系统方案选择与论证 7虽然这种方案可以节约成本,减小电路的规模,但是,单片机计算出的时间误差相对来说比较大,所以不选用这个方案。方案二:选取 DS1302 来实现时钟计数,DS1302 是一种专业的时钟芯片,他可以实现对年月日等时间的计数甚至可以精确到时分秒,他的数据暂存区是位的 RAM,2.5v时耗电小于 300nA,工作电压 2.5v5.5v 范围内。通过比较论证,我们选择方案二。东华理工大学毕业设计(论文) 硬件部分 83 硬件部分3.1 系统硬件的基本框图本系统主要采用的方案是以单片机为核心,来检测滴速并通过键盘来实现滴速的设置,下面展示了一些这个系统中的模块,如图 3-1-1,他能直观的的看出系统中硬件包含了液位检测并能报警模块、滴速检测、时间检测模块、键盘和液晶显示模块等。图 3-1-1 系统硬件的基本框图3.2 各模块的电路设计3.2.1 电源部分因为本系统所有供电都是 5v 电压,所以本系统的供电系统只要一个 5v 电源即可,图 3-2-1 为 5v 电源电路原理图。将 220V 的电压转换成 5V 输出的电源电压叫直流稳压电源,它需要经过变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成,下面就详细叙述各个环节的原理,功能以及在此处所发挥的作用。其中:电路中线圈 T1 表示变压器,我们此处所用的变压器是降压变压器,它将电网 220v交流电压变换成 9v 的交流电压,并送给整流电路,而这里的 9V 由一次线圈与二次线圈的匝数比决定的, ,一般连接交流电源的那一边线圈成为一次线圈,相对的那一变自然就是二次线圈,输出电压等于一次线圈与二次线圈的匝数比,通俗的讲,U1/U2=N1/N2;所以电源变压器有升压和降压变压器两种,当 N1N2 时,其感应电动势低于初级电压,这种变压器称为降变压器,反之则是升压变压器,很明显这里我们要做的是一个 5V 的电源,所以用的是降压变压器。(2)整流电路:电路中采用四个整流二极管,互相接成桥式结构,这样既可形成一个整流电路。通常每个二极管都包含一个 PN 结,有阴极和阳极两个端子。通电时单片机液位检测滴速检测时间模块电机控制主从机通信显示模块键盘报警模块东华理工大学毕业设计(论文) 硬件部分 9一般是由 P 区导向 N 区,P 区的载流子是空穴,N 区的是电子,在 P 区和 N 区间形成一定+ C1100uF + C210uF12J1CON2D5LEDR1470T1TRANS3Vin1GND2Vout 3U17805F1FUSE1D1DIODE D2DIODED3DIODE D4DIODE图 3-2-1 电源部分电路原理图的障碍物,这个障碍物即位垒。如果外加电压 P 端大于 N 端时,位垒降低,储存载流子在位垒两侧附近产生,这样大电流直接可以通过,一般会产生典型的压降值为 0.7V,称为正向导通状态。若电压 P 端小于 N 端时,位垒则增加,二极管截止当然得在一定的电压范围内。所以二极管具有单向导电性。利用二极管的单向导向作用,输入端我们用的是交流电,在输入端,正半周期内,二极管 D1、D4 导通,D2、D3 截止,在负载上的输出电压是上正下负;在负半周内,正好相反,D2、D3 导通,D1、D4 截止,流过负载的电流方向与正半周一致。这种简单的整流方法称为整流桥或全桥二极管。他主要把 9V 正弦交流电变换成的直流电。(3)在整流之后的那个电容元件主要作用就是滤波了,电路经过整流之后,其中还是有很大的脉动成分,为了得到比较理想的直流电压,我们需要用专业的滤波电路来去除这些杂波。我们此处先用一个大电容作为输入的滤波,然后再用小电容进一步的在输出滤波以使直流电更加纯粹,脉动成分更小,电路更稳定。(4)说说 7805 稳压芯片吧,这里主要用它来得到 5v 的电压,而且是稳定的值,该芯片系列很多,在性能上有微小的差别,用的最多的还是 lm7805, 78xx/79 系列简单易用、价格低廉,且根据需求的不同可以选择不同的三端稳压器件如lm7805,7806,7809,7812,7815,7824, (79) 。三端,顾名思义有三个引脚,IC 是指这种稳压用的集成电路,7805 有三个引脚,1 脚接电源,2 脚做输出端。3 脚接地,这是 lm78xx 系列的特点,而对于 lm79xx 负压系列,3 脚输入端为最低电位,1 脚为最高电位即地端,78xx/79xx 系列的稳压器件在降压电路使用时应注意以下几点:a 输出与输入的压差不能太大,太大会使转换效率降低,而且这种情况下稳压管易被击穿或烧毁; b 输出电流不能太大,1.5A 是它的极限值。如果实在需要输出大电流,那么首先要保证使用的散热片要足够大,否则会被热击穿; (5)指示电路:电源是否设计成功我们可通过发光二极管来做指示,它具有单向东华理工大学毕业设计(论文) 硬件部分 10导电性,一般最低电流要求在 5mA,他的亮度也使根据电流的大小决定的,亮度与电流成正比,但它有一个最大值,超过此值,会烧毁二极管,一般我们控制在 3 到 20mA 之间,在这里,二极管上有个电阻,我们称为“限流电阻” ,发光二极管的正极称为阳极,负极又称为阴极,电流只能从阳极流向阴极,原理与刚才的稳压二极管差不多,分辨直插式发光二极管阴阳两极的方法很简单,一般情况下,引脚长的那一只为阳极,短的为阴极,或者,仔细看他的帽子有一边不是圆形而是直线式的,那么这一边就是负极。关于电阻大小的选择,则采用欧姆定律,U=IR,当发光二极管发光时,测量它的两端电压约为 1.7V,这个电压又叫发光二极管的“导通压降” ,电压经过 7805 稳压之后,得到的是稳定的 5V 电压,则 5-1.7=3.3V,假设流过的电流为 10mA,则 R=U/I=330,而我们常用阻值里边没有这一阻值所以可找一个近似的 470 或者 510 欧姆的都可以。这样做的变化只是二极管亮度的改变,没有其他什么大的影响。后边的元件是两个排针,它的作用相当于连接器,是一种广泛应用于电路里的连接器,起到桥梁的功能,担负起电流或者信号传输的任务。同时也可使电路更好的形成模块,更方便来调试。缺点:应用过多会造成电路整体看起来比较混乱,而且排母如果没有接触好容易出现接触不良,会给调试带来不必要的麻烦。3.2.2 滴速检测电路 在滴速检测部分本系统采用了红外光电传感器,在没有液滴低下时,在接受端是低电平信号,没有信号传输给译码器,采用断续式工作方式,当有点滴落下时,液体虽有可能是透明的,但还是会产生一定的障碍度,阻挡接收管接收红外线,在接收端产生高电平信号,这样即可形成上升沿的脉冲信号,本电路最大的特点就是红外线发射部分不设专门的信号发生电路,而是直接从接收部分检测电路 LM567 的 3 脚引入信号,此信号Rd4Vdd8DISC7TH6 TR2Vco5 1GND555OUT 3U1555IN3 OUT FILT1LOOP FILT2GND7Vcc 4OUT 8TIMCAP 6TIMRES 5U2LM567R15KR21KC1104C2104VCCQ2NPN-PHOTOD1PHOTOR35KQ1NPNR420KC3104C41uF C50.1uFC64700pFR55KVCCP32图 3-2-2 滴速检测电路是 LM567 锁相音频译码器的锁相中心频率。这样可以使电路简化很多,而且又可以预防干扰,元件太多参数稍微有点什么影响会造成频率收发上有差异。东华理工大学毕业设计(论文) 硬件部分 11其电路原理图如图 3-2-2 所示。此电路主要的芯片有两个,一个是 LM567 通用译码器,另一个是 NE555 8 脚时基集成电路,这里的晶体管作用就是驱动负载。在此处 LM567 和其他电容电阻构成锁相环音频译码集成电路,通过 NE555 是提供给 LM567 的载波信号,调节 R1,使 LM567 的载波信号频率与 LM567 的捕捉中心频率一致,调节 R3 可以改变检测电路的灵敏度。我们此处采用与以往不同的设计方案或者思路,通常碰到这种采集来的小信号的时候,我们一般经过比较放大处理,而此处我们直接引用 LM567来进行处理,锁相环内部包含一个鉴相器、一个电流控制振荡器(CC0)和一个反馈滤波器,这是音调译码电路。而解码块包含晶体管开关和一个稳定的锁相环路,这里我们最关心的是他的工作脉冲的产生,当 3 脚输入脚的频率在中心频率的范围之内的时候,那么就会输出低电平。LM567 的工作状况基本相当于一个低压电源开关,通俗的讲,就是当他的是输入脚捕捉到得频率与中心频率一致的时候或者捕捉到得频率在中心频率的范围之内的时候,他的开关就接通,8 脚就输出低电平,一般来讲,中心频率的检测值可以设定的范围是0.1 至 500KHZ,带宽设定在中心频率为 14%的范围内。 下面详细说明一下 LM567 的管脚功能,如图 3-2-3 所示。LM567 的内部原理图如 3-2-4 所示。位 位 位 位位 位 位 位位 位V 位 位 位 位位 位 位 位位位 位位 位 位 位VCO位 位 位 位87654321IN 35620K1047 181U24VCC 8V位 位 位位 位 位 位90“ 位 位位 位 位 OUTAMP1U位 位 位位 位AMP图 3-2-3 LM567 的引脚图 图 3-2-4 LM567 的内部原理图555 震荡部分我们采用多谐振荡电路,原理如下:电源接通后,由于电容 C1 来不及充电,所以他两端的电压为低电平,此时则电源VDD 通过 R1 和 R2 对电容 C1 充电,当 Uc VDD 时,输出为高电平,放电管 VT 截止。31这时,电源经过 R1、R2 继续对电容 C1 进行充电,当 Uc 充电电压上升到 VDD 后,32输出变为低电平,放电管 VT 导通,此时电容 C1 通过 R2 对地放电,使 Uc 下降。当 Uc下降到 VDD 后,输出又变为高电平,且放电管 VT 截止,然后电源 VDD 通过 R1 和31R2 又对电容 C1 充电,又使 Uc 从 VDD 上升到 VDD,这样周而复始,在输出端便得到3132东华理工大学毕业设计(论文) 硬件部分 12一串连续的波形。放电时间常数 0.7R2C1,充电时间常数 =0.7(R1+R2)C1,所LTHT以 555 电路的脉冲时间常数 T + ,根据公式则得出震荡频率 F2=1/T。H在这里,我们用的 R1 为可调节电阻,目的就是为了调节它而使 F1=F2,这样可以让 LM567 的输出端输出低电平,当有液滴滴下时,就可以通过电平的变化来检测到脉冲变化从而计数。3.2.3 键盘控制电路键盘方案我们选用的是矩阵键盘,上文中已经论述过,单个按键使用时,每个都需要对应的 I/O 口来连接,如果系统太大,则需要用较多按键,这都是其次,最主要的是占用 I/O 口,而单片机的口很少,所以当用到较多的按键的时候,为了节省 I/O口线,在这我们用矩阵键盘,矩阵键盘实际上就是一组按键,在单片机的外围电路中,我们通常用到得按键是带有弹性的机械开关按键,当按键弹起来时时,线路连接不起来断开,开关按下时,线路导通,单片机系统中常用的按键有三种:弹性小按键、贴片式小按键和自锁式小按键。弹性小按键被按下时闭合,松手后自动断开,自锁式按键按下时闭合会自动锁住,只有再次按下时才弹起断开,而单片机的外围控制用小弹性按键比较好,所以我们此次键盘均采用弹性小按键。在检测是否有按键按下时,单片机会检测与该按键对应的接口是否为低电平,因为一开始赋给他的是高电平,当有按键按下时,该 I/O 口通过按键连接电平变为低电平,程序一旦检测到 I/O 口变为低电平则说明有按键被按下,然后执行键盘程序。具体来说,按键按照行列式键盘的结构,按键跨接在行、列先的交叉点上,均有上拉电阻,按照经验,上拉电阻我们一般均采用 10K 左右的值,当无按键被按下时行线处于高电平状态;当有按键被按下时,行线电平发生了改变,即与该键跨接的行、列线瞬间接在一起,如果此时列线送出低电平0,则该行线的电平就变为低电平,通过判断行线电平的状态就可得知是否有键按下。由于行列式键盘中的行、列线多键共用,为保证能正确识别按键,首先得需要对它进行编码,然后通过扫描判断按键按下的位置,位置确定之后再与编码进行对比,最后准确定位,识别按键。按键的连接方法如图 3-2-6,上端的I/O 口与单片机的任一 I/O 口相连,按键在被按下时他的触点电压变化过程如图 图 3-2-5 触点电压变化过程3-2-5,从图中可以看出来,理想波形与实际波形之间区别有点大,人在按下按键的那一过程中,是需要花费点时间的,这段时间一般为 5 到 10ms,这与抖动的时间长短和东华理工大学毕业设计(论文) 硬件部分 13按键的机械特性相关,通常我们手动按下键然后立即释放,这个动作中稳定闭合的时间超过 20ms,抖动的这个动作我们得延时来判断,以防产生误判,在这我们用软件延时的方法来实现键盘的去抖问题,这样做就省去了很多不必要的麻烦,有利于调试的顺利进行。如图 3-2-6 所示,用单片机的并行口 P1 接 4*4 矩阵键盘,将 16 个按键排成 4 行 4列,每一行都是将同行按键的一端连起来形成行线,另一端将同列的另一端连起来构成列线,这样便一共有 4 行 4 列工八根线,我们将这 8 根线连接到单片机的 8 个 I/O口上,通过程序扫描键盘就可检测 16 个按键,当然,用这种方法我们可实现 3 行 3 列9 个线,5 行 5 列 25 个键,6 行 6 列 36 个键,这些可以根据需要选择,我们根据功能采用 4 行 4 列的按键,连接到单片机的 P1 口,每个按键有它的行值和列值,按键的编码是将这两个值拼起来是识别的,识别出来之后做相应的处理。 S2SW-PBS3SW-PBS4SW-PBS1SW-PBS5SW-PBS6SW-PBS7SW-PBS8SW-PBS9SW-PBS13SW-PBS10SW-PBS14SW-PBS11SW-PBS15SW-PBS12SW-PBS16SW-PBR1RES2R2RES2R3RES2R4RES21 2 3 4 5 6 7 8 9J1CON9R5RES2R6RES2R7RES2R8RES2图 3-2-6 键盘控制电路3.2.4 显示部分设计1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16J10CON16GNDVCCP07P06P05P04P03P02P01P00ERWRSVCCGNDR9RESISTOR TAPPED123456789J11CON9VCC图 3-2-7 显示部分电路显示部分我们采用 LCD1602,那么先对液晶进行一些概述:液晶是一种高分子材料,因其特殊的物理、化学、光学特性,20 世纪中叶开始广泛应用在轻薄型显示器上。他的显示原理感觉跟电容的存储原理有点像,在两块平行板中间添加一些特殊材料,再东华理工大学毕业设计(论文) 硬件部分 14通过电压来改变里边材质的分布情况,这样就会形成各种深浅不一样、错落有致的图象,而且只要在两块平板间再加上三元色的滤光层,就可实现显示彩色图象。 通常把这些叫做液晶显示器,简称液晶。液晶的命名跟前面提到的三端稳压器类似,稳压芯片是按照输出的电压命名的,液晶则是根据能显示的字符的行数和列数来命名的,例如 1602 表示的意思就是一共有 2行可以显示,每行有 16 个字符可以显示,其余还有像 0802 等也是这种命名方式。这类液晶与上述的不同,通常叫做字符型液晶,我们课题的显示部分用的是市场上以并行操作方式居多的 1602 液晶,如图 3-2-7所示,数据口接 P0 口,J11 为排阻,是数据接口的上拉电阻,R9 可以调节液晶的显示亮度,J10 是液晶的接口。3.2.5 复位电路为了能保证微型机系统得到稳定可靠的工作,我们会在电路中加入复位电路。复位是指不管是手动的还是自动的操作方式,能让单片机所有的寄存器全部初始化。单片机的复位是有外部的复位电路来实现的,单片机内部的复位结构如图 3-2-8 所示。在复位电路和复位脚之间加了一个施密特触发器,在这里他的主要作用是抑制噪声,在芯片内部为了不丢失复位信号,复位电路基本上每个机器周期都会去采样一次值,这个值就是施密特的输出电平。当单片机的时钟电路正常工作后,在实际电路中,CPU要完全复位,必须在 RST/Vpd 引脚上连续采集到大于 1ms 的正脉冲时间。位位位位RST位位位位位 R5RES2C1CAPS1SW-PBVCCGNDRST图 3-2-8 单片机片内复位电路结构 图 3-2-9 手动复位电路复位电路电路的复位方式有三种,分别是手动复位、上电复位和看门狗复位。本电路是采用手动复位电路,原理图如图 3-2-9 所示,手动复位需要人为在复位输入端加一个高电平,一般采用一个按键接在 RST 端与电源 Vcc 之间。因此,电源刚一接到系统上去的时候,系统正常运行,一旦过程中出现任何状况,都可以人为按下复为按键,使 Vcc 的 5v 电平直接加到 RST 端,迫使单片机复位。在电路中,使用电阻给电容充电,使电容的电压一直缓慢上升到 VCC,在没到达 VCC之前,RST 脚近似低电平,因为电容是的隔直通交的特性,所以在没有按下按键之前,电路一直处于正常的工作状态,如果此时按下按键,RST 脚电压强制拉高,芯片复位。东华理工大学毕业设计(论文) 硬件部分 153.2.6 晶振电路单片机内部有一个由反向放大器构成的振荡电路,芯片上有两个外部时钟脚,这两个脚 XTAL1 和 XTAL2 分别为振荡电路的输入端和输出端。只要在这两个引脚上跨接一个石英晶体振荡器(简称晶振)和两个微调电容就构成了内部方式的振荡电路,由振荡器产生自激振荡,便构成一个完整的振荡信号发生器,如图 3-2-10所示。图中晶振和电容组成并联谐振回路,晶振可以再 1.2MHz 到 12MHz 之间选择。电容可以在 5pF 到 30pF之间的任意值选择,值越大,频率越大,除此之外,他还会影响振荡器的稳定性和起振的快速性。晶振的主要作用是提供时钟频率,值越大,时钟频率越高,则 CPU 的运行速度也就越快。考虑到实际物品的值,我们在电路中采用 12M 的晶振以及 22pF 的电容,焊接的时候为避免寄生 图 3-2-10 晶振电路电容的产生,要尽量将晶振和电容靠近单片机安装。这样产生的振荡会更稳定,更有效的提供时钟频率给 CPU 3.2.7 时钟电路图 3-2-11 中能直接看出 DS1302 的引脚排列,DS1302 是一种高性能、低功耗的实时时钟芯片,可提供秒、分、时、日、星期、月和年,并对于小于 31 天的月天数可以自动调整,采用双电源供电,其中 VCC1 为后备电源,VCC2 是主电源。在主电源关闭的情况下,也能保持时钟的连续运行。DS1302 芯片的供电电压用的是 VCC1 和 VCC2 中比较大的那一个。如果是 VCC1 大于 VCC2 那么就由 VCC1 供电,但如果是要 VCC2 供电,则电压至少要大 VCC1 在 0.2V 以上。X1 和 X2 外围电路接晶振,主要作用是为芯片提供计时脉冲。RST 是复位端,低电平复位,所以如果将其拉高,则开始进行数据传输。复位的功能主要有两个,一个是当复位脚接通控制使能端之后,允许在移位寄存器中写入地址或者命令,另外一个是 RST 提供终止数据的传送手段有单字节或多字节。当然如果在传送过程中 RST 突然置低,芯片复位,数据传送自然而然就会终止,这时 I/O 口变为高组态。上电运行时,在 VCC 大于等于 2.5v 之前,因为 ds1302 芯片的工作电压宽为2.55.5V,所以 RST 必须保持低电平, 。只有在 SCLK 为低电平时,才能将 RST 置为高电平,SCLK 作为串行时钟输入脚,它主要作用是控制数据的写入和输出。C1C2 CRYSTAL NOT位位位位位位位东华理工大学毕业设计(论文) 硬件部分 16Vcc21 X12X23 GND4 RST 5I/O 6Sclk7Vcc1 8J6DS1302Vcc 87 GND2J7位位Y2CRYSTALGNDVCCGNDVCC1VCC1R6RES2 R7RES2 R8RES2I/ORSTsclkVCC图 3-2-11 时钟电路原理图3.2.8 电机驱动及报警电路 我们这里选用的是步进电机,在工业生产或者控制中用的主要控制元件之一就是步进电机。他主要是将电脉冲转化为角位移。在使用的过程中如果有脉冲信号被电机检测到,他就会按原先设定好的方向转动一个固定的角度,我们把这个角度叫做步进角。我们的角位移量可以通过脉冲个数来进行控制,这样就可以实现准确定位,而且步进电机的步进脚不会累积,所以用增量式的 PID 算法会更好更方便的控制电机,则没有比其他类型的电动机更适合于本系统。由于单片机带负载能力有限,不能直接驱动步进电机转动,所以我们在电路中加入ULN2003A,增加单片机的带负载能,ULN2003 是大电流驱动阵列,多用于单片机、数字量输出卡、PLC、智能仪表等控制电路中,可直接驱动类似于像继电器一样的负载。ULN2003A 的引脚图如图 3-2-13,每一对达林顿的等效电路,ULN2003 的驱动芯片是由七个达林顿管组成,他的每一对达林顿都串联一个基极电阻,阻值是 2.7K 。ULN2003 工作电压高,工作电流大,但是在 5V 的工作电压下,它可以将 CMOS 和 TTL电路直接相连,来处理一些原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。灌电流可达500mA,相应的电压可达 50V。电路原理图如图 3-2-12 所示。图中,ABCD 是控制驱动电机的,SPEAKER 是驱动蜂鸣器的。SPEAKER 引脚连接到单片机的 P3.3 口,刚开始给他一个低电平,当液面到达警戒线位置时,将信号直接赋给单片机,然后直接将 P3.3 口的电平拉高,则引起 speak 报警,在按键的功能键中有清除报警,直接按下此键既可消除报警。1B1 2B23B3 4B45B5 6B67B7 E8 COM 97C 106C115C 124C 133C142C 151C 16J8ULN2003LS1SPEAKERVCCGNDABCDSPEAKER1 2 3 4J9CON4图 3-2-12 电机驱动及报警电路 图 3-2-13 ULN2003A 内部框图 东华理工大学毕业设计(论文) 硬件部分 173.2.9 输液管的机械控制 输液管的机械控制我们采用凸轮来控制,控制对象是滴液管,执行机构是步进电机,硬件部分设计模型正视图如图 3-2-16,将电机装在凸轮后边,圆心那个圈代表电机的中心轮,用电机直接带动凸轮转动,他的增量式框图如图 3-2-17,采用增量式 PID 的算法,如下:可以得到 k 时刻的采样输出值: )1()()()(0kiDIPTkeeTeKu同理也可以得到 k-1 时刻的采样输出值:)2()1()1()1(10ikDIp keeku将这两个值相减,就可以得到增量 PID 算式:)2()1()01 keqkeqkk其中 )(q0TKDIp211PTqD2图 3-2-16 用凸轮控制滴管正视图东华理工大学毕业设计(论文) 硬件部分 18图 3-2-17 控制框图在这里,因为凸轮的模型难以建立,所以在参数整定时,我们用试凑法来得出PID 的参数, 表示的是用键盘设定的滴速值, 表示的是当前已检测的滴速值,)(tr )(ty是设定值与当前滴速值之间的差值, 是 经增量式 PID 运算出来之后的输入)(te kue电机应运转的步值。这里需要比较检测到的滴速和设定的滴速之间的误差 e(k),设定值是给定的,由程序控制,另一个是需要检测的滴速,检测方法我们在前面已经讲过了,不再重复,总之经过整形和方法,得到输出脉冲,得到固定的脉冲之后计算所需要的时间,然后计算出相应的滴速,并和设定的滴速比较得到当前误差 e(k),经过 PID 运算,得到步进电机的运动增量,然后电机动作,使滴液管径减小,这是一个周期,这个周期可以控制在 5S,可以用 4.5S 时间检测液滴的数量,得到流速,用 0.5S 动作电机,这个 5S的得来是通过经验得来,一般说 T 应小于受控对象纯延迟时间的十分之一。关于 PID 的整定,这里整定 PID 采用临界比例度法,临界比例度法是通过眼睛看,所以需要设计组态界面,观察流量震荡曲线时对应参数,然后在此参数周围调试,这里采用 MATLAB 的 GUI 工具来检测流量曲线。设计好的界面如下图 3-2-14:东华理工大学毕业设计(论文) 硬件部分 19图 3-2-14 GUI 工具界面扩充比例度法整定数字 PID 控制器参数的步骤是: (1)预选择一个足够短的采样周期 T。一般说 T 应小于受控对象纯延迟时间的十分之一,这里因为采样时间的不固定,所以我们选用 5 滴内所用时间的中间值,取 T 为10 秒。 (2)用选定的 T 使系统工作。这时去掉积分作用和微分作用,将控制选择为纯比例控制器,构成闭环运行。逐渐减小比例度,即加大比例放大系数 Kp,直至系统对输入的阶跃信号的响应出现临界振荡(稳定边缘) ,将这时的比例放大系数记为 Kp,临界振荡周期记为 Tk。 (3)查表 3-2-15 确定参数。根据所选择的控制度,查如下经验表,得出数字 PID中相应的参数 KP,TI 和 TD。 表 3-2-15 参数计算表Kp TI(min) TD(min)P Kp/2PI Kp/2.2 Tk/1.2PID Kp/1.6 0.5Tk 0.25TI(4)运行与修正。将求得的各参数值加入 PID 控制器,闭环运行,观察控制效果,并作适当的调整以获得比较满意的效果。(5)然后用试凑法,口诀如下:“参数整定找最佳,从小到大顺序查”从较小的数来试,不要太大,不然系统不稳。“先是比例后积分,最后再把微分加”整定顺序,从比例-积分-微分。“曲线振荡很频繁,比例度盘要放大”系统响应曲线震荡频率很高,增大比例。“曲线漂浮绕大湾,比例度盘往小扳”系统响应曲线震荡频率低,- 配套讲稿:
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