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1、液体点滴速度监控装置摘要本设计以单片机为控制核心，采用数字调节器的算法，结合现场总线技术组成了一个小型集散过程控制系统。液滴速度检测传感器与单片机形成闭环回路，通过控制步进电机来改变滴斗高度，从而达到改变和监视液滴速度目的。该系统主从结构由一个主站和多个从站组成。主站功能包含键盘输入、数据通讯、液晶显示、报警查询、实时数据打印及时钟日历等；从站功能包含键盘输入、传感器检测、单片机数据采集、数据处理、数据输出（控制、通信、液晶显示与报警）、执行机构及时钟日历等。主站与从站之间采用RS-485现场总线进行通讯，可靠性高。由于系统中采用了液晶中文显示，极大的改善了人机界面，提高了显示质量，便于用户操
2、作。【关键字】单片机 数字调节器 现场总线 中文液晶显示 AbstractIn this design, because single-chip is used as the control core, algorithm of the digital regulator is employed and the field bus technology is integrated, a small DCS process control system has been made up of. The detecting sensor of dripping speed forms the cl
3、osed-loop system together with the single-chip which controls the step motor to adjust the height of the dropping funnel, so the aim to change and monitor the dripping speed can be achieved. The principal and subordinate structure of the system consists of a master station and multi passive stations
4、. The functions of the master station include keyboard input, data communication, LCD display, alarm enquiry, realtime data printing and clock and calendar, etc. The functions of the passive station include keyboard input, sensor detecting, single-chip data acquisition, data processing, data output
5、(control, communication, LCD display, giving an alarm) actuators, clock and calendar, etc. The RS-485 field bus which has strong reliability has been used to communicate between the master station and passive stations. Because Chinese LCD displaying is utilized in the system, the human-computer inte
6、rface and display effect have been improved greatly, being convenient to operate for users. Keywords：single-chip digital controller the field bus Chinese LCD display一、方案比较与论证本设计为由主站控制16个从站的监控系统，从站为按基本要求制作的点滴速度监控装置，根据题目要求将系统划分为主站与从站两大模块，两大模块之间由现场总线连接，构成有16个从站的主从监控系统。以下对系统重要部分做方案论证。1. 从站单元（1）系统控制方式方案一
7、：根据管径与液体流速的关系，采用改变管径的粗细来控制液体流速以达到控制液滴速度，即通过控制输液软管夹头的松紧来控制点滴速度。从理论上讲，这种控制方式下的系统结构相对简单。但是输液管夹子动作行程较短，广义受控对象的放大倍数太大，动作灵敏度高，控制困难，系统的稳定性不好，执行机构制作比较困难。方案二：根据液位高度与液体流速的关系，采用改变液体液位高度来控制液滴速度，即改变漏斗高度h2来控制点滴速度。制作比较容易，系统稳定性比较好，成功实现的可能性较大。液体点滴速度与液位高度成正比，液体点滴速度检测与控制装置形闭环控制系统，本系统中采用方案二实现对液滴速度的控制。 （2）检测传感器方案一：采用微波传
8、感器TX982对水滴进行检测该传感器利用微波多普勒技术，在有效空间内建立电场。当移动物体进入电场后，该传感器能够检测出该移动物体，输出检测信号。但是该传感器检测速度较慢，易受温度、气压、取样位置、人为因素等影响。检测高速液滴时(120滴/分)，存在漏检情况。根据本课题的精度要求，不宜采用此传感器。方案二：采用神视光电传感器CX-24检测液滴该传感器是近距离扩散反射型红外光电传感器，响应时间可达1ms，可以有效检测液滴。采用神视光电传感器CX-29检测储液瓶液位，该传感器是回归反射型光电传感器，经过光的折射可以检测透明物体。经过实验本设计采用了方案二。（3）执行部件方案一：采用直流电动机直流电动
9、机具有良好的起、制动性能，易于在广泛范围内平滑调速，容易得到满意的动、静态性能，但其不能进行定位，即使采用变速齿轮箱锁定，定位也不准确。直流电动机碳刷产生火花，对单片机系统产生电气噪声干扰，甚至使系统无法工作。 方案二：采用步进电动机步进电动机可以用数字信号直接进行开环控制，易于起动、停止、正反转及调速，响应快速。它的速度可在相当宽的范围内平滑调节，停止时具有定位转矩。其位移与输入脉冲信号数相对应，步距误差不积累，可以组成结构较为简单而又具有一定精度的开环控制系统，也可在要求更高精度时组成闭环控制系统。并且整个系统简单廉价，如图1所示。可以达到题目要求，故选此方案。图 1 步进电机驱动原理图（
10、4）显示界面模块方案一：采用LED数字显示。只能显示有限的符号和数字，硬件连线较多，不便于制作和调试，同时不适应大信息量的显示。方案二：点阵式LCD OCMT显示。该方案与单片机接口较为简单，显示功能强大。采用自带Flash Rom汉字库的点阵式LCD，可以实现汉字与ASCII码显示。它实现了数据实时显示和全中文界面，使界面友好，增强了人机交互性。根据显示信息量我们选用方案二。 2. 主站单元方案一：采用微型计算机为核心设备，配以外围硬件和系统软件完成主站的基本功能。由于是PC机与单片机之间进行数据通信，就要涉及到电平转换的接口问题。如只采用RS-232C标准接口进行通信，主从站之间的通信距离
11、及速率将限制在15m（24Kb/s）范围内。要进行远程通信就必须进行接口转换（RS-232C转RS-485）。同时还需配以系统软件来进行外部数的据采集与显示，软件需另行设计编写。方案二：采用嵌入式微机为核心控制单元，利用组态软件设计工作界面。嵌入式微机在现代工控领域中应用广泛，系统运行稳定可靠。在其内部嵌入由组态软件制作的工作运行界面，配以外部硬件接口技术，以能满足系统设计要求。方案三：采用单片机对主站各功能模块进行核心控制，通过液晶屏幕进行信息显示。直接采用单片机为核心控制部件进行数据采集与站间通信。通过RS-485总线与各从站进行数据通讯，除可显示和控制各从站的状态外，还可对异常情况进行声
12、光报警并扩展了打印功能以对信息进行文字输出。综上所述，以上方案均满足设计指标要求，方案一、方案二脱离了电子竞赛的主旨，在设计制作方面应尽量以电子元件进行架构，因此选用方案三，其原理结构如图2所示。3. 系统总体方案从站控制系统采用单片机89C52为控制核心，从站系统框图如图3所示。考虑到在串行通信中的波特率设置的精确度和单片机的抗干扰性能，选用12MHz晶振。从站通过键盘设置点滴速度，给定输入单片机，通过数字调节器闭环控制输出脉冲，控制步进电机旋转带动钢丝线拉动储液瓶改变了h2的高度（见题目），从而控制滴液速度。由于单片机、步进电机、滴液传感器形成了闭环系统，反馈环节不断的进行补偿，系统可以达
13、到很高的精度。当液位下降到距瓶口23cm时，液位检测传感器产生报警信号，同时把报警信号传给主站，进行声光报警。主站与所有从站进行数据通讯，负责显示所有从站的当前数据并修改从站的参数，总体系统框图如图4所示。 图 2 主站原理框图图 3 从站原理框图图 4 系统总体框图二、系统理论分析与参数计算1. 液体检测图 5 液位监测原理图 图 6 滴速检测原理图检测是系统精度的关键部位，其检测不准将影响系统的控制精度。因此在选用检测部件时应尽量减小检测误差，经过理论分析与实验，选用了回归反射型与扩散反射型光电传感器能达到检测精度。（1）检测原理光电液体检测其主要利用光在通过介质时产生的反射和折射现象来改
14、变光的方向和光量的大小来实现的。回归反射型光电传感器是将投光器同受光器按一定角度关系封装在同一传感器壳内。投光器发出的光束需经反射板反射至受光器，受光器通过检测射入光量的多少来判断物体的有无。由于红外光在通过液体时伴有反射与折射现象同时对红外线有一定的吸收作用，故从投光器发出的光束经过被测介质后再反射回来的光通量大大削弱，从而可判断出液体的有无，如图5所示。 扩散反射型光电传感器的投光器与受光器同样封装在一起，只是没有反射板配合其工作。液滴检测的原理图如图6所示。当投光器发出的光线遇到液滴时，将通过液滴表面的反射作用把光线反射给受光器，从而来判断物体的有无。通过这两种传感器的不同工作原理可对不
15、同物理量进行有效的检测，从而满足题目的基本要求。 （2）液滴速度的检测为了保证检测精度，同时考虑低速时响应的时间，根据液滴速度的检测采用两种方式：（1）当设定值大于40（滴/分）时采用前五次与当前值取平均，如图7所示。这能够保证检测精度也能保证控制的响应时间；（Tn单位为秒n=1、2）图 7 液滴检测示意图当设定值小于40（滴/分）时采用前一次与当前值取平均，如图8所示。这样才能够保证控制的响应时间；（Tn单位为秒n=1、2）图 8 液滴检测示意图2. 数字调节器设计（1）液滴速度控制系统的数学模型液滴速度控制系统主要由单片机、步进电机、储液瓶、输液管、滴斗和液滴速度检测部件组成。图9是控制系
16、统的方框图。图 9 控制系统的方框图试验可知，滴斗高度液滴速度N成正比例关系，近似比例系数；液滴检测部件可被近为时滞环节；该系统中的步进电机相当于一个积分环节，脉冲数n与滴斗高度的比例系数为。由于这个积分环节的存在，且系统存在检测延时，使微分作用不明显，所以我们用比例控制器来实现调节控制功能，其比例系数为。原理框图如图10所示。图 10 液滴速度反馈系统原理框图（2）系统整定与参数计算 液滴检测周期的选取综合考虑系统液滴速度的快慢（20150滴/分）及检测的可靠，所以液滴检测周期定为1秒。 参数的计算是步进电机轴径所转直线位移（即滴斗高度）与调节器输出脉冲的比值。这里电机轴直径D=22mm，故
17、其周长:。，步距角取值为，所以。由此可计算出:（米/脉冲数）。 参数的选取经实际测定，如表1所示，滴斗高度与液滴速度N之间为非线性关系，为了简化数学模型，可在大概的工作点附近采用切线法进行线性化得出比例系数。滴/分.米 表 1 滴数与位置变化关系 参数的整定的理论计算值可能与实际值存在偏差，只供初值使用，终值以实际调整值为准。方法一：工程整定法，取值如下方法二：积分整定法，图10可等效为图 11 积分整定法等效框图对于图11所示系统，的整定公式为：通过实验证明，比例系数选100时系统的控制精度最佳。与理论值有一定的差距，主要由步进电机转换误差及高度与滴液速度的非线性关系造成的。三、系统硬件电路
18、设计1. 按键编码输入数据的设定是通过键盘和拨码器输入的。为节省单片机资源，采用编码器4532对按键输入值进行编码,其原理如图12所示，逻辑关系如表2所示。分析逻辑功能表可知，当输入使能端Ei为高电平时按键输入有效，同时输出使能端Eo输出一低电平供单片机在每个机器周期的S5P2（第五状态第二节拍）进行采样。单片机根据采样结果来响应键盘中断程序。并用软件进行去抖动，以提高键盘的抗干扰能力，按键抖动示意图如图13所示。 图 12 4532工作原理图 表 2 4532逻辑关系表图 13 按键抖动示意图2. 液晶点阵显示液晶显示模块与单片机的接口电路如图14所示。图 14 液晶模块与单片机接口原理图接
19、口协议为请求/应答（REQ/BUSY） 握手方式。应答BUSY 高电平（BUSY =1） 表示 OCMJ 忙于内部处理，不能接受用户命令；BUSY 低电平（BUSY =0）表示 OCMJ 空闲，等待接收用户命令。发送命令到 OCMJ可在BUSY =0 后的任意时刻开始，先把用户命令的当前字节放到数据线上，接着发高电平REQ 信号（REQ =1）通知OCMJ请求处理当前数据线上的命令或数据。OCMJ模块在收到外部的REQ高电平信号后立即读取数据线上的命令或数据，具体的时序图如图15。 图15 握手信号时序图3. 信号处理电路由于是通过红外光电传感器（CX-29/24）型号来透明液体进行检测，检测
20、到的物理量经传感器所反馈的电信号十分微弱该信号存在干扰。所以应对反馈的电信号进行放大、滤波、整形，以产生标准的数字脉冲。其信号处理过程如图16所示。图 16 信号处理原理图红外光电传感器在没有检测到物体时，其信号输出端2呈现高电平。导致二极管4148截止，故输出信号为高电平单片机不响应。当传感器检测到物体时其2脚输出低电平，此时4148承受正向电压导通，阳极电位被钳位在0.7V左右，即低电平。再经过电容滤除干扰信号和尖峰电压后，送至施密特反相器74LS74整形抑制干扰后作为响应信号。4. 安全保护当液位监测传感器CX-29检测到储液瓶内液位过低时，本站声光报警并上传给主站进行信息显示与声光报警
21、。当滴速检测传感器CX-24检测到滴斗内液滴速度过快时，迅速地把输液软管夹紧，是液体减小到最低的流速。5. 数据通讯部分由于要构成主站与从站的通信监控网络，通信接口与通信协议的选择尤为重要。物理层选用MAX3082（如图17所示）作为RS-485通讯总线的接口芯片。RS 485总线基于单对平衡线的多点、双向通信链路。采用双绞线连接是一种极为经济、并且具有相当高噪声抑制，由于信号线对地不构成回路具有很高的共模抑制比，从而提高了抗干扰性能。为提高数据传输的可靠性，在协议层使用MODBUS-DEVICENET通信协议进行数据传输。RS-485总线硬件原理图如图18所示。图 17 MAX3082芯片原
22、理图图 18 RS-485通信原理接口由于MAX3082是半双工收/发芯片，2、3脚为收发控制的使能端。若由单片机的I/O口单独控制，既占用资源又使控制复杂，故直接利用串行总线的结构和通信时序构成自控式的使能控制。通信协议格式及命令码文本代码意义：四、软件设计与分析1. 主机软件设计主机负责与从机进行通信来采集各从机的工作状态，主站可实现对从站的定点和巡回检测，数据设定与监控。其系统软件流程如图19所示。图 19 主站程序流程图2. 从机软件设计从机负责对被测物理量的检测与显示、数字调节器算法处理、动力执行机构的调节驱动以及与主站间的通讯等，其系统程序流程如图20所示。图 20 从站程序流程图
23、串行通信中断软件流程如图21所示。图 21 串行通信中断流程五、电路图及有关设计文件1. 主站原理图（1）设计目的：本部分主要完成数据的通讯、处理、中文显示、中文打印、键盘输入及声光报警功能等。（2）设计要点：处理器采用89C52单片机；键盘输入采用4532编码电路，节省了I/O口；显示器采用液晶显示器，完成了大量人机界面显示；通讯采用MAX3082芯片，保证RS-485总线可靠工作；打印机采用微型汉字打印机，满足了汉字与即时数据的打印。（3）主站原理图（见附图1）。（4）主要元器件清单：序号名称型号数量（个）01单片机AT89C52102编码器4532103RS-485收/发器MAX3082
24、104液晶显示屏OCMJ 128*64105打印机微型106按键SB607电容/电阻（见原理图）（见原理图）2. 从站原理图（1）设计目的：本部分主要完成滴速检测、位置控制、液位过低报警、数字调节器算法、液晶显示及键盘输入功能等。（2）设计要点：处理器采用89C52单片机；检测部件采用红外光电传感器CX-29/24，满足了液位及点滴的检测；执行部件采用步进电机，完成了滴斗高度的控制；键盘输入采用4532编码电路，节省了I/O口；显示器采用液晶显示器，完成了大量人机界面显示；通讯采用MAX3082芯片，保证RS-485总线可靠工作。 （3）主站原理图（见附图2）。（4）主要元器件清单：序号名称型
25、号数量（个）01单片机AT89C52102步进电机驱动器SH-2H057103步进电机57BYGH101104红外光电传感器CX-29105红外光电传感器CX-24106编码器4532107RS-485收/发器MAX3082108液晶显示屏OCMJ 128*64109按键SB610电容/电阻（见原理图）（见原理图）六、测试方法与数据1. 测试仪器MAS-345型数字万用表 3040A型数字存储示波器(40MHz) DF1731SL3A直流稳压电源秒表2. 操作与测试（1）从站操作与测试从站共有四个按键，分别为功能设置键SET、十位、个位键和确认键，按SET键进行功能切换，有站号设定、点滴速度设
26、定和时钟设定，显示界面如图22。当切换到相应功能时，相应功能的标志字会进行闪烁，此时表示该功能可以设定。假设要设定点滴速度，按SET键当点滴速度的标志字SV出现闪烁时，此时按百位、十位、个位可以设定点 图 22 从站显示界面滴速度设定值，当设定完后按确认键此时设定值有效。测试显示与人工实际读数值如表3：站号ID设定值SS（滴/分）显示值PS（滴/分）实际值（滴/分）调节时间（秒）稳态误差（滴）0120202022001404040230016060602000180808022001100100992310112012011923101150150148342表 3 测试数据注：调节时间为前一
27、设定值至该设定值时的调节时间。如：40滴/分的调节时间为20滴至40滴/分这段的调节时间。（2）主站操作与测试 图 23主站开机画面 图 24 自动巡回检测界面主站开机画面如图23所示，主站设有功能设定键SET、右移键、数据打印键、翻页键、呼叫响应键、十位、个位键等，功能设定键完成主站对下位从站的自动扫描检测界面如图24、从站功能（如点滴速度）设定界面如图25，以及巡检、定点界面如图26的切换。右移键完成当处于一个功能界面时各个子功能的切换设定，翻页键当主机处于多个从机的巡回检测时，按翻页键可查寻各个监测从站的时实数据与信息（包括所监测的站号、点滴速度设定值、测量值以及报警信息等），此时按打印
28、键可以打印上述的信息。十位、个位键完成如点滴速度、站号等数字量的输入。主站在监测到从站有异常情况时，将在主界面上显示如图27等信息。 图 25 从站功能设定界面 图 26 定点信息显示界面图 27 异常情况信息显示操作示例如下：设现要将02从站的点滴速度设置在60滴/分并进行监控且将监控数据打印，先按功能键进入功能设置界面，在该界面按右移键将黑块移至到站号标志处，再按十位、个位键将站号设定为02。用同样的方法将点滴速度的设定值设定为60滴/分，再按功能键进入监控界面，此时在该界面下将显示站号为02，点滴速度的预置值为60滴/分和02站从机的测量显示值，以及报警信息等，再按打印键可将该显示的数据
29、打印，打印信息还包括年月日时分等。如下为通信测试数据。主站显示的监控信息，如表4所示。站号设定值SS（滴/分）显示值PS（滴/分）报警信息日期时：分：秒018080N10：30：56024040N10：30：5601150150N10：33：2102150153过快10：33：21表4 主站显示的监控信息从站01的设定与测量显示值，如表5所示。站号设定值SS（滴/分）显示值PS（滴/分）报警信息日期时：分：秒018080N10：30：5501150150N10：33：20表 5 从站01的设定与测量显示值从站02的设定与测量显示值，如表6所示。站号设定值SS（滴/分）显示值PS（滴/分）报警信
30、息日期时：分：秒024040N10：30：5502150153过快10：33：20表 6 从站02的设定与测量显示值3. 结果分析由以上操作方法测量出液滴实际值与设定值的对应关系，如表3所示。在设定值为100滴/分、120滴/分、150滴/分时存在误差。产生误差的原因很多，主要原因如下：1）在单片机对外部数据进行浮点运算处理后，要对浮点数进行取整处理以供信息显示，在取舍浮点数的算法上易产生误差；2）在人为计数测量时，由于人自身的原因也易导致读数误差；3）传感器检测误差；4）数字电路的误差；5）控制精度误差，数字调节器参数整定不是最优值产生的误差。七、特色自评本装置以数字调节器为核心，结合现场总
31、线技术组成一个小型集散过程控制系统。这个系统的关键点在于液滴速度的检测和数字调节器的设计。在液滴速度的检测上本文针对题目要求设计了检测算法，即当设定值大于40（滴/分）时采用前五次与当前值取平均，当设定值小于40（滴/分）时采用前一次与当前值取平均的算法。实践证明这种算法的检测精度较高足以满足系统要求。在数字调节器设计上，以自控理论为指导思想，针对本系统建立了数学模型（前文以叙述）。通过数学模型对系统的各环节做了充分的理论计算，以保证系统的稳定可靠。由于显示的信息量较大，传统的数码管难以显示，故采用了液晶显示模块。使信息显示直观。同时，系统还扩展了信息打印功能，以增强人机的实时交互性。在主从站数据通讯上采用RS-485串行总线，在通讯速率、传输距离、抗干扰能力上远强于单总线，并且用线较少，在一定程度上减低了设备的成本。总之，本装置结构设计合理，理论计算充分，可达到较高的控制精度，有效的降低了制作成本。附图1主站原理图附图2从站原理图
