《毕业设计论文基于单片机的智能化液体点滴速度监测与控制装置设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计论文基于单片机的智能化液体点滴速度监测与控制装置设计.doc（31页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、摘要目前大小医院中所使用的静脉输液器都是悬挂一定高度才能输液，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。目前的输液监控报警器笨重、体积大、价格太高，增加医院和病人的费用。所以如果有液体点滴速度监控装置，必将深受医务人员和病人的欢迎。因为它有许多的优点，如：可以用按键准确控制速度，可以报警，设备结构简单，费用低等。所以对液体点滴速度监控的研究十分有意义。利用单片机设计并制作一个智能化的液体点滴速度监测与控制装置。该装置由水滴速度测试系统、水速控制系统、显示装置、单片机系统、键盘和报警等系统组成。应用水的压强随着高度差的变化而变化的原理，利用控制步进电动机的升降来控制
2、点滴速度。点滴速度可用键盘来设定，设定范围为20150(滴/分)，控制误差范围在10%1滴左右。从改变设定值起到点滴速度基本稳定整个过程的调整时间小于3分钟。同时在水到达警戒线以下时能发出报警信号。该系统是以单片机89C52为核心，采用了步进电机控制装置、红外光电传感滴速检测装置和通过单片机扫描测量、采用PID控制算法控制直流电机传动装置来实现一个点滴速度自动控制系统。还扩充了掉点数据存储，实施远距离两线制多机通信、语音报警、系统开机自检、回血报警等功能，增强了系统的实用性。而且由于采用红外光电传感和电容传感配合单片机及可编程逻辑器件，速递测量和控制精度高。整体结构设计合理，运行稳定。主机从机
3、间采用自动检测多路访问协议，很好的解决了多机共用一根通讯线的比特流碰撞问题。关键字：点滴速度，红外传感，步进电动机，52单片机23目录1 单片机89C52概述11.1 AT89C52单片机11.1.1 89C52输入/输出引脚简介11.1.2 89C52的存储器配置31.1.3 电可擦除可编程只读存储器（E2PROM）32 方案42.1 方案比较，设计与论证42.1.1控制方案比较42.1.2 液滴检测方案比较42.1.3 点滴速度控制方案52.1.4 储液液面检测方案72.1.5 通信方案比较72.1.6 主从机网络通讯构建方案83 理论分析93.1 PID控制算法94 系统设计104.1
4、主站部分104.1.1 主站键盘和显示部分104.1.2 电源设计124.1.3 主站软件流程124.2 从站部分134.2.1 点滴检测134.2.2 点滴速度控制模块144.2.3 步进电机的驱动154.2.4 警戒检测154.2.5 传感及测量电路164.2.6 数字滤波184.2.7 掉电数据存储184.2.8 从站软件流程184.3 通信部分194.3.1 主从机网络通讯方案204.3.2 通信方案的选择和硬件结构204.3.3 通信报文协议215 调试225.1 硬件调试225.2 软件调试225.3 软硬综合调试226 总结23感谢24附录一：参考文献25附录二：程序清单261
5、单片机89C52概述本设计主要针对AT89C52单片机芯片来设计的。AT89C52单片机芯利用设计并制作一个智能化的液体点滴速度监测与控制装置。该装置由水滴速度测试系统、水速控制系统、显示装置、单片机系统、键盘和报警等系统组成。应用水的压强随着高度差的变化而变化的原理，利用控制步进电动机的升降来控制点滴速度。点滴速度可用键盘来设定，设定范围为20150(滴/分)，控制误差范围在10% 1滴左右。从改变设定值起到点滴速度基本稳定整个过程的调整时间小于3分钟。同时在水到达警戒线以下时能发出报警信号。1.1 AT89C52单片机AT89单片机系列是世界上著名的半导体公司之一的美国ATMEL公司生产的
6、。ATMEL89C系列单片机可分为低档型、标准型和高档型三类。89C52单片机是由微处理器（含运算器和控制器）、存储器、I/O接口以及特殊功能寄存器等构成，作为89C52单片机核心部分的微处理器是一个8位的高性能中央处理器（CPU）。它的作用是读入并分析每条指令，根据各指令的功能控制单片机的各功能部件执行指定的运算或操作，它主要由运算器和控制器两部分构成。89C52单片机主要由以下几部分组成：（1）CPU系统： 8位CPU，含布尔处理器；时钟电路；总线控制逻辑；（2）存储器系统：4K字节的程序存储器（ROM/EPTOM/FLASH，可外扩64K）；256字节的数据存储器（RAM，可再外扩64K
7、）；特殊功能寄存器SFR；（3）I/O口和其他功能单元：4个并行I/O口；2个16位定时/计数器；1个全双工异步串行口；中断系统（5个中断源、2个优先级）。89C52单片机有微处理器（含运算器控制器）、存储器、I/O接口以及特殊功能寄存器SFR等构成。51系列单片机的应用模式有总线型单片机应用模式和非总线型单片机应用模式。通常的微处理器芯片都设有单独的地址总线、数据总线和控制总线。但单片机由于芯片引脚数量的限制，数据总线与地址总线经常采用复用方式，且许多引脚还要与并行I/O口引脚兼用。1.1.1 89C52输入/输出引脚简介（1） P0口（3932脚）：P0.0P0.7统称为P0口。在不接片外
8、存储器与不扩展I/O口时，可作为准双向输入/输出口。在接有片外存储器或扩展I/O口时，P0口分时复用为低8位地址总线和双向数据总线。 （2） P1口（18脚）：P1.0P1.7统称为P1口，可作为准双向I/O口使用。对于52子系列，P1.0与P1.1还有第二功能：P1.0可用作定时器/计数器2的计数脉冲输入端T2，P1.1可用作定时器/计数器2的外部控制端T2EX。（3） P2口（2128脚）：P2.0P2.7统称为P2口，一般可作为准双向I/O口使用；在接有片外存储器或扩展I/O口且寻址范围超过256字节时，P2口用作高8位地址总线。（4） P3口（1017脚）：P3.0P3.7统称为P3口
9、。除作为准双向I/O口使用外，还可以将每一位用于第二功能，而且P3口的每一条引脚均可以独立定义为第一功能的输入输出或第三功能。（5）RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。（6）ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执
10、行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。（7）/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。（8）/EA/Vpp：内外存储器选择引脚/片内EPROM编程电压输入引脚。当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。（9）XTAL1：晶体振荡器接入的一个引脚。（10）X
11、TAL2：晶体振荡器接入的另一个引脚，来自反向振荡器的输出。（11）Vcc：电源接入引脚。（12）Vss：接地引脚。图为AT89C52的芯片1.1.2 89C52的存储器配置89C52的片内集成有一定容量的程序存储器和数据存储器（256B）。当然，还可以根据需要对存储器进行外部扩展。1.从物理上分，89C52的存储器有4个存储空间：片内程序存储器、片外程序存储器、片内数据存储器和片外数据存储器。2.从逻辑上分，89C52有3个存储器地址空间：片内外统一的64KB的程序存储器地址空间、256B的内部数据存储器地址空间（其中128B的专用寄存器地址空间，仅有部分字节有实际意义）和64KB的外部数据
12、存储器地址空间。3.为了区分不同的存储器空间，在用指令访问这三个不同的逻辑空间时采用了不同形式的指令1.1.3 电可擦除可编程只读存储器（E2PROM）E2PROM是一种可用电气方法在线擦除和再编程的只读存储器。它既有RAM在联机操作中可读可改写的特性，只是写操作需要较长的时间；又具有非易失性存储器ROM在掉电后仍然能保存原存储数据的优点。目前，E2PROM已在片内集成了需要的所有外围电路、数据锁存缓冲器和地址锁存器、擦除和写操作脉冲定时、编程，使用方便。后研制的快擦写（Flash）存储器，其存储容量大，变成速度快，获得广泛应用。对于Flash Mmemory有不同的脚法，有的半导体器件手册称
13、之为“闪光”存储器、“闪烁”存储器、“快闪”存储器或者“闪速”存储器。这种存储器既不会闪光，也不会“闪烁”，也不是说此类存储器是“极高速的”，从其命名的本意说，这类存储器相对于E2PROM芯片，可以用电气的方法快速的进行擦写，因此，称之为快擦写存储器比较贴切，简称Flash存储器。由于Flash Mmemory不需要存储用的电容，相对DRAM来说，集成度高，制造成本低。它使用方便，既具有SRAM读写灵活和较快的访问速度，又具有ROM断电后不丢失信息的特点，所以Flash Mmemory的技术发展很快。2 方案2.1 方案比较，设计与论证2.1.1控制方案比较方案一：此方案是传统的二位模拟控制方
14、案，其优点是电路简单，易于实现。但模拟控制方式难以把精度做得很高，难以实现题中键盘设定和动态显示滴速及远程通信的功能。如图1：图1方案二：此方案采用89C52单片机系统来实现，可用软件实现复杂的算法和控制。此方案方便的实现了题中键盘设定和动态显示滴速等的功能，并且可以实现主从站通信的扩展功能。本设计采用了方案二。如图2：图22.1.2 液滴检测方案比较方案一:采用电容传感器实现。电容是由两个电极中间加绝缘介质构成的。在滴斗的两侧固定两个半圆型的金属片做极板，成为一个变介质的电容传感器。在没有水滴时，电容值较小。当水滴从两个极板中穿过时，两极板间介质发生变化，电容值将发生变化。可采用电桥电路来测
15、试，也可采用LC振荡器，通过电容变化改变振荡频率。但此种方法电路复杂，灵敏度低。方案二：不调制的红外对射传感器。由于直接采用直流电压对发光管进行供电，考虑到平均功率的限制，工作电流不能高于元件的额定值，对透壁照射有一定的困难且容易受到外部光源等干扰。方案三：脉冲调制的红外对射传感器。红外发射管的最大工作电流是由平均电流决定的，采用占空间比小的调制信号，在平均电流不变的情况下，瞬间电流会达到很大，大大提高了信噪比，提高了系统的抗干扰能力。在光电器件的选择方面，有可见光（如激光、发光二极管等），其优点是可见，容易调试。但由于与外界干扰光源光谱接近，易于受到干扰。红外光源为不可见光源，由于红外线在空
16、气中的折射率小于在水中的折射率，水对红外光吸收较大。将液滴漏斗固定在一个黑色塑料盒里, 在滴斗左右端安装一个红外发射头和一个接收头， 红外发光二极管与接收管处于同轴线上，一方面避免了灯光等信号的干扰，另一方面提高了红外光的强度，当液滴下落通过漏斗时，由于液滴可近似考虑成小圆滴，它对红外线的吸收较大，其外表面对红外光又有反射作用,使透过水滴的红外光强度受到衰减，因此通过光电检测及信号处理可有效地检测点滴的信号。根据以上分析，我们采用方案三。此方案的水滴检测示意图如图3：图3：水滴经过光束前后的光强变化情况2.1.3 点滴速度控制方案方案一：对滴速夹进行松紧控制对滴速夹进行松紧控制就是通过对滴速夹
17、的松紧调节，改变塑料点滴管的形状以控制液体的流速。这样的方法虽然直观，但存在很多的缺点。首先由于对管壁施压改变其形状，其所施加的压力与流量改变的关系呈非线性，这给流量控制带来了难度。此外要在限定的时间内完成滴速夹的制作有一定困难。总结上述原因，不采用此控制方法。方案二：高度调节控制方案题目要求在3min之内，控制系统本身能够根据设定值调节点滴速度并稳定。而速度设定范围为20150滴/分。杆高1.8m。如果使用方案图4，即采用电动机拉动点滴瓶高度来调节点滴的速度，由于要在3min之内有可能从最小调整到最大值，点滴瓶的运行距离就要通过计算来设定。根据流速正比于根号下液面高度，如果假设150滴/分速
18、度点滴瓶的位置在1.6m处。出去人体血液压力等效产生0.7m的液位压头。实际可调节距离为0.9m，则20滴/分的点滴速度，点滴瓶就应该在0.7+（20/150）20.90.27m。也就是说电机的最大单向位移要接近0.9m。加上超调量、裕量等，考虑在最坏情况下（设定值从20滴/分到150滴/分变化），电机总共需要移动的距离为1.2m(加上20的超调，10的裕量)。方案三：电动机速度牵引改变点滴瓶高度控制滴液速度。使用一台小型电动机，通过一个定滑轮由步进电机带动储液瓶使储液瓶上升或下降改变滴斗到受液瓶的高度h，来调节点滴的速度，由于滴液的速度近似正比于高度到根高幂，即dh1/2,进而控制点滴速度。
19、方案原理框图如图4：图4方案三：改变点滴管道管阻使用多级齿轮降速来驱动轮轴，轮轴通过螺杆前后运动压迫点滴塑料管道截面改变点滴管道的管阻阻力，从而使点滴速度得到控制。方案原理框如图5：图5由于采用了减速机构，因此大大提高了驱动能力。比较方案二、三，方案图4要求电机的速度较快，每分钟至少可以移动0.4 m，但是太快的电机拖动速度根据P=FV意味着很低的拖动力。由于廉价的小型电机功率有限，很难做到拖动力和拖动速度兼顾，而方案5采用了降速，提高了驱动能力，加上方案图5的位移范围很小，在位移精确定位的条件下同时可以得到相对较高的移动速度。因此，本设计采用方案三2.1.4 储液液面检测方案方案一：采用超声
20、波脉冲回波方法测液位。测出超声波脉冲从发射声波到接收所需的时间，根据超声波的声速及其发射传感器与夜面之间的距离计算出液位高度。由于短距离内超声波在盲区影响精度，且超声波检测装置安装复杂，不太适合点滴速度监控装置。方案二：采用电容传感测液位。在储液瓶的瓶身正对着贴两块金属薄片作为传感电容。因为水的介电常数是空气的七十多倍，水位的变化引起介电常数的变化，从而引起电容值变化，储液液面下降，电容两极间的介电常数减小，电容值随之减小，经过电容/电压变换器后输出电压上升。当储液液面降到警戒线时，转换电压高于回差比较器阀值电压，比较器翻转输出开关信号。不同种类的滴液由于介电常数不同，因而对测量精度有一定影响
21、。方案三：利用液面对光的反射原理来检测储液瓶的液位变化，当光线成一定角度由光密媒质（滴液）射入光疏媒质（空气）满足全反射条件。在储液瓶外面固定一个与水平面成一定角度的半导体激光器（斜向上），当达到警戒水位时，激光通过液面反射,反射光投射到硅光电池上（见图3）。激光器驱动可采用直流或20kHz频率脉冲。直流驱动简单，但易受干扰，采用恒频脉冲激励，在接收端采用选频放大，可有效地消除背景光的干扰。此方案简单、易行、可靠性高。因此，本设计采用方案三。如图6： 图62.1.5 通信方案比较方案一：并行方式。采用并行方式通信速率最快，但不适合于远距离通信。方案二：使用CAN总线方式。CAN-bus总线在通
22、信能力、可靠性、实时性、灵活性、易用性、传输距离远。但与I2C总线一样，一般单片机还没配备，外接功能芯片会占用较多I/O口，用于此性价比不高。方案三：使用RS485总线方式。RS485作为一种多点差分数据传输的电气规范被应用在许多不同的领域作为数据传输链路。目前在我国应用的工业控制现场中，大多使用RS485半双工或全双工异步通信总线，它也是被各个研发机构广泛使用的数据通信总线。但是，基于在RS485总线上只能有一个主机的特点，它往往应用在集中控制枢纽与分散控制单元之间。由于RS485总线本身存在点许多局限性，随着科技的发展，RS485的总线效率低、系统的实时性差、通信的可靠性低、后期维护成本高
23、、网络工程调试复杂、传输距离不理想、单总线可挂接的节点少、应用不灵活等缺点慢慢的暴露出来。方案四：采用一般芯片都有异步串行总线。两根信号传输线加一条公共地线即可实现主站于256个从站间的双向数据通讯，且软件编程容易实现，通信协议可根据需要灵活定义。当需要远距离传输时刻采用电流环来增强抗干扰性能，从而大大延长通信距离。因此，采用方案四。2.1.6 主从机网络通讯构建方案方案一：辐射型网络为了使分散在各处的的从机的信息能够简单、及时、可靠的传送到主机处，最简单的办法是每一个从机都向主机链接一组数据线，这样可以使各个从机同主机之间的通讯使用不同的数据线而互不干扰。可靠性、实时性较好。方案二：总线型网
24、络使用同一根数据总线，各个从机“挂”在总线上。需要向主机传递信息的从机处于发送/接收状态，不需要信息传递的从机则保持侦听状态，等待主机的消息。这种总线的网络拓扑结构最大的优点是连接线少，整个网络构成只需要很少的几根总线。而它最大的缺点则是如果多个从机一起发送请求时会造成数据丢失。3 理论分析3.1 PID控制算法PID是一种在单片机控制中常用的算法，PID控制由于其具有控制方法简单、稳定性好、可靠性高和易于现场调试等优点，被广泛应用于工业过程控制。其输入e(t)与输出u(t)的关系为数字PID控制算法是以模拟PID调节器为基础的，由于单片机是一种采样控制，它只能根据采样时的偏差计算控制量。如果
25、采样周期T取得足够小，采样数值计算的方法逼近可相当准确，被控过程连续控制十分接近。离散化后的PID算式为式中，K比例系数Uo偏差为零时的控制作用Ti积分系数Td为分系数T采样周期时间以上公式称为位置式算法。由它可推出增量式算法在本设计中采用了增量式算法，这是由于增量式算法只需要保持以前三个时刻的偏差即可，既节省了资源又不会产生较大的累积误差。式中各系数由反复时间后确定，实验证明，这种控制方式可以加快系统响应，并且具较高的精度。4 系统设计4.1 主站部分主站采用89C52作为微处理器，以62256作为片外存储单元。74HC373作为地址锁存器，以实现单片机地址和数据的分时传颂。串行E2PROM
26、24LC16用于掉电存储数据。MAX813L用作“看门狗”定时器和复位控制器使用。系统中还使用了一片GAL16V8D对高位地址和读写控制信号进行编码，一边简化系统总线。友好的操作界面和灵活的监控方式是主站设计的两大特色。液晶显示的中文菜单提示及操作信息使一个并不熟悉本系统的用户可以正确的对本系统进行操作，各种声光报警信息和中文提示对话框可以帮助监控者快速的了解并处理异常事件。对特定从站的远程监控时监控为用户远程操作提供了极大方便。4.1.1 主站键盘和显示部分12K64液晶显示模块可工作在字符和图形两种模式下，我们通过编写功能函数实现了图形和字符的混合显示，进而开发了菜单处理函数和消息框弹出函
27、数。是本系统实现了全中文菜单操作，系统操作功能的选择、数据的输入都十分清晰明了，使人机交互变得简单友好，符合以人为本的设计理念。图示主站的操作菜单流程图如图7：图7主机键盘显示系统和通讯系统电路如图8：图8GAL16V8内部逻辑：AA8=A8 AA9=A9 AA10=A10 AA11=A11ASELE=A15 & A12 & A13 & A14RDE=RD WRE=WRCDOS=A8 & A9 & A10 & A11 & A12 &A13 & A14 & A15 & WR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
28、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。4.1.2 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的电源原理图如图9：（12v的电路原理跟+5v相同）图94.1.3 主站软件流程主站软件流程如图10:图104.2 从站部分从站采用89C52作为微处理器。24LC16用于掉电存储数据。MAX813L用作“看门狗”芯片。系统中使用了
29、一个蜂鸣器和一个发光二极管实现声光报警。GAL16V8D对单片机输出的三条电机控制线进行译码，并将译码后的控制信号传递给步进电机控制芯片L293B，以使步进电机按照单片机的指令正常工作。从站核心部分电路图11。图11各从站除具备主站的控制功能外，还添加了手动控制功能，给现场的操作者更大的自主权。传感器电路的合理设计与数字滤波的应用使得计频精度及稳定性大大提高。4.2.1 点滴检测当输液器滴液管中无水滴滴下时，红外发光二极管发出的光线透过空气直接射到接收头上，见图。光电检测电路输出端电压呈低电平。当有水滴经过时，水滴相当于一个凸透镜。由于水滴很小，也即表面曲率半径很小，导致凸透镜焦距很短，当光线
30、透过水滴到达光电检测器时，呈发散状态，见图（12）,光电检测电路接收到的有效光量大大减弱，光电检测电路输出端形成一个正脉冲。通过对脉冲周期的测定来实现对滴液速度的检测。图124.2.2 点滴速度控制模块机械原理：由小电机通过变速箱带动偏心轮挤压输液导管，从而达到调节点滴速度的目的。如图13：图13偏心轮是一个圆周上各点半径不同的实心轮，通过转动挤压输液导管，由于圆周上各点半径不同，与挤压输液导管的挡板半径距离不同，致使输液导管的挤压程度不同，只要控制外齿和内齿的比值或齿轮数，就能精确控制点滴速度。因为外齿和内齿的比值越大或齿轮数的比值越大或齿轮数越多，控制偏心轮转动的角度越精确，如外齿轮和内齿
31、轮的比值为120：1，齿轮数为3，即前级电机带动齿轮转动一圈（360度），后级带动偏心轮的齿轮只转动1度，所以只要控制小电机所转圈数，就可以控制偏心轮的所转角度，从而达到步进电机精确控制的效果，而且力矩比同功率的步进电机大几百倍，同时齿轮上加安装了红外计数传感器，用以检测前级齿轮所转圈数，从而可计算出后级齿轮所转角度，再配以简单的驱动电路和软件控制，就可以实现点滴速度的精确控制。为了节省单片机定时器的资源，以便处理其他控制过程，本系统还采用可编程逻辑器件EPM7064控制点滴速度，其原理图见图（14）。CPLD模块由三个部分组成：接口部分，预置分频部分，输出控制部分。接口部分负责和单片机接口，
32、将单片机传来的串行脉冲转化并行预置书，以便送到由race00模块（内部原理图见图14）组成大预置分频部分来产生脉宽可调的方波，最后由输出控制部分来决定脉宽可调的方波由out1还是out2输出来控制电机大政反转和速度。race00模块通过改变8位可预置分频器的预置数来达到脉宽可调的目的。其中8位可预置分频器产生的脉冲上升沿不但使T触发器反转，而且还有使8位可预置分频自锁不计数的作用。这个自锁过程将一直持续，直到经标准256分频产生的脉冲上升沿来到才可解除，同时这个上升沿还使T触发器反转进入下一个周期，如此循环便产生一连串脉宽可调的方波。其中两个上升沿的时间间隔即为脉冲的宽度。电机控制部分利用TI
33、P41，TIP42等中功率管实现了对电机的轻松控制，有效防止电机启动时电流过大而烧坏三极管点情况。两个控制端输入信号可控制电机的转速和方向。4.2.3 步进电机的驱动通常驱动步进电机可以用一个L297，一个L298组成驱动电路。但经过仔细分析步进电机的控制原理，设计了一种更为简单的驱动电路如图14：图144.2.4 警戒检测当光电二极管的光源与接收器在同一介质时，光电二极管导通，两端电压呈低电平。当液面降至光源与接收器中间时，产生全反射现象，此时接收器无法收到光源发射出的光线，见图，使光电二极管无法导通，两端电压呈高电平，触发器报警系统发出报警信号。见图15：图15由于水与玻璃表面会产生“浸润
34、”现象，如果将光源置于液面下方，则光线仍会透过液面浸润部分传播，从而被液面上方的接收器接收到，导致无法触发报警系统。但由于光线传播具有可逆性，可以任意设置光源与接收器的孰高孰低。现将接收器置于夜间的下方，利用全反射现象，接受器只能就收到某一角度射来的光线L的特点，可以避免错误接收“浸润”现象的杂散光线，避免警戒报警“失灵”现象。4.2.5 传感及测量电路传感及测量部分电路原理图。传感及测量部分电路原理图如图16：图16红外对射传感器。红外对射传感器是红外发射管和受光管组成的，它的主要功能是实现电红外线电的转换。由于红外光波长比可见光长，受可见光的影响较小，且红外系统具有尺寸小、重量轻、易于安装
35、等优点。因此是检测水滴滴速首选传感器。工作原理。为了减少环境光源的干扰、增强信噪比，我采用脉冲调制方式。发射、接收的具体电路如下，发射部分采用74HC14（具有施密特功能的六反相器）与电阻电容组成的电路来产生100Hz、占空比为1：5的方波脉冲，如图17：图17公式推倒。施密特触发器具有上限厥值电压V2，下限厥值电压V1的特性，且受芯片电源VDD限制。多谐振荡器电路产生的信号周期的频率满足公式（F14）f= （F14）令LnV2(VDD-V1)/V1(VDD-V2)为k则公式（F14）化简为 f=1/(KRC) （F15）整理有 T=kRC对于74HC14而言，当VDD=5V时，下限厥值电压V
36、1=1.4V,上限厥值电压V2=3.6V。 所以有 k=1.89考虑到脉宽可调的状况（见图16）进而有 1.89(/+)C=T （F16）（T表示方形脉冲的一个周期大小） (/): (/+)=1:5 （F17）74HC14是具有施密特功能的六反相器，由74HC14构成的多谐振荡电路，如图18：图1874HC14输入输出点的波形如图19：图19解调电路原理与各点波形如图20：图20通过上边的原理图和时序图，可以对解调有简单的了解。延时测算公式为T=0.7R1C（T表示延时时间大小）。4.2.6 数字滤波传感器采集的信息常会受到干扰。为了提高采样的可靠性，减小虚假信息的影响，采用数字滤波。它与模拟
37、滤波相比具有以下优点：数字滤波是用程序实现的，不需要增加任何硬件设备，也不存在阻抗匹配问题，可以多个通道共用，提高稳定性和可靠性。可以对频率很低的信号实现滤波，而模拟滤波器由于受电容容量的影响，频率不能太低。数字滤波的灵活性好，可以有很多方法实现如中值滤波、平均值滤波等。本设计采用的程序是根据经验确定两次采样允许的最大偏差X。若先后两次采样的信号相减数值大于X，表明输入的是干扰信号，应该去掉，用上次采样值作为本次采样值。如小于X，表明信号没有受到干扰，本次采样之有效。4.2.7 掉电数据存储每对从站进行一次新的设置，从站单片机都将设置的数据存入串行E2PROM 24LC16中，每次上电后从站单
38、片机都从24LC16中读取最近一次设置值。4.2.8 从站软件流程从站软件流程如图21：图214.3 通信部分本系统采用CAN总线收发器PC82C250作为通信接口芯片，从而具备CAN总线通信的诸多优点，例如：通信距离长（至少1000m），通信传输线少（仅有2根，且各系统不必共地）等。图22是PCA82C250的接口电路原理图：图22(1) PCA82C250简介PCA82C250收发器是协议控制器物理舆线路之间的接口，在ISO11898标准中描述的，它们可以高达1Mbit/s的速率在两条有差动电压的总线电缆上传输数据：（ISO11898标准是一个使用CAN总线协议的汽车内高速通信国际标准）(
39、2) PCA82C250的特性位速度/总线长度的关系如下表位速度/（kbit.s-1）总线长度/m100062.550012525025012550062.51000本系统使用的波特率为9600，即9.6kbit/s,远远低于62.5kbit/s 由上表可见，本系统的通信距离将明显长于1000米，完全适合各种医院配置使用，具有很强实用价值4.3.1 主从机网络通讯方案扩展部分的要求主要是主从机间通讯，题目要求使用最少的通讯线路，根据前面分析，总线型的网络拓扑使用线最少。但是由于多台机器共同使用一条总线，信道分配、握手协议、命令分配等软件编制工作量较大，但结合成本因素，决定选择总线型结构。4.3
40、.2 通信方案的选择和硬件结构单片机本身具有完整的串行口通信功能，可通过TXD、RXD传输线及地线三线来实现多机通信，能实现全双工通信。见图23：图23根据尽量减少信号传输线的要求，考虑本系统通信量很小，且对实时性的要求也不是很高，只需要半双工通信就能较好的满足要求，因此我采用两线制总线串行传输方式：利用三态门实现传输线的RXD/TXD切换，分时占用同一对信号线，使传输线数量达到最少，见图24：图244.3.3 通信报文协议此通信系统为主机与从机的多级半双工通信系统，完成主机对从机的监测与控制功能。开机时，从机设定从站号，主机对各从机进行查询，如果在规定时间内无响应，则认为从机为关闭状态，显示
41、8条“”线。检测到从机时，显示从机的当前状态。主机控制报文格式：从站号主机查询模式0FH0FH0FH1字节1字节1字节1字节1字节从站号：首次报文的从站号地址。当从站收到此报文时，如站号与此号相同，则查看后面的字节，否则转发。主站查询模式：用0BBH表示。主机应答报文格式：从站号应答模式0FH0FH0FH1字节1字节1字节1字节1字节从站号：同上应答模式：分为正确和错误：0DDH表示正确；0CCH表示错误。当收到从机返回的正确应答信号后，进行校验，如正确为正确模式，否则为错误模式。从机返回的正确应答报文格式：主机号当前从机号实际速度告警校验1字节1字节1字节1字节1字节主机号：主机的地址：用0
42、0H表示；当前从机号：从机显示的站号实际速度：检测出的点滴实际速度告警：当从机发生异常情况时，置为“1”，否则为“0”；校验：同上从机返回的通信出错报文格式：主机号当前从机号接受出错0FH0FH1字节1字节1字节1字节1字节主站号：同上；当前从机号：同上；接受错误：用0EEH表示5 调试5.1 硬件调试硬件的调试主要体现在传感器调制信号的确定，只有选择占空比合适的调制信号才能保证红外管发出的信号透过滴过滴斗检测到水滴，经过反复调试，确定占空比在1：5左右效果最佳。为了排除噪声干扰，我们采取一些抗干扰措施，如引线尽量短，减小交叉，对纹波的地方加滤波电容，调试表明，这些措施对消除某些引脚上的“毛刺
43、”及噪声起到很好的效果5.2 软件调试本系统的软件部分，全部采用C诺言编写，除去语法错误和逻辑错误后，通过直接下载到单片机来具体调试，采用了自下到上的调试方法，即先单独调试好每一项功能，然后再连接成一个完整的系统调试，这样保证了软件编写的正确性和可行性5.3 软硬综合调试调试整个系统时，我们把软件编出的每一项功能结合相应的硬件进行调试，这样保证在综合治理调试的时候，顺利查找错误，具体分析解决6 总结本设计在硬件上，充分使用了红外传感器技术，加上合理的背景光消除措施，使系统的抗干扰性能大大提高。另外，主站采用点阵式液晶显示是本设计的一大特色，从而得到了设计所需的显示画面。在软件方面，我们实现了A
44、VR单片机和89C52单片机的有机结合，充分利用了AT90S8515型AVR单片机的强大功能，实现了主从站的通讯；而在电机的控制方面则用AVR单片机就得到了体现。其设计特点如下：1、采用水滴的外表面对红外光的散射和水滴对红外光吸收的特性，使红外接收管的检取信号幅值发生变化，并对信号的幅值波动及毛刺等进行有效的处理，产生稳定的滴数信号。2、液面检测采用小功率半导体激光器（3mw、波长为0.63m）,其光斑小、光束可见，便于调节与定位，并采用20K脉冲驱动激光器，并对检取信号进行解调，有效消除背景光的干扰。3、采用有机械减速的直流电机控制滴瓶的上下，采用模糊控制可使滴瓶快速准确的到达预定位置。停电
45、时，滴瓶无下滑，并有按键在检测前可控制电机运行到任意设定位置，为操作者提供方便。4、电机控制采用模糊控制与线性控制相结合的方法，实现滴瓶位置的粗调与细调，可快速准确的控制滴瓶达到设定的位置。5、由于电机控制中的晃动，使滴液速度有变化，在软件方面采用了采样次数可变的算术平均滤波方法，为控制电机提供了准确的控制依据。6、主站采用液晶汉字显示，并有语音提示报警。从站采用蜂鸣器、发光二极管报警。7、从站采用AVR单片机控制，其内部的EEPROM可保存设置滴数，掉电后信息不丢失,从而避免了每次上电需设置数据的繁琐工作。此外利用片内的看门狗定时器可防止软件受干扰而实现自动复位。从最终的测试结果来看，本设计
46、具有贴近生活及具有较强的适应能力，完成了题目的各项要求。本系统占用系统资源少，对工作环境要求不高，奔腾以上CPU，32M内存即可运行。操作系统支持Win98/Win2000/WinNT。感谢之所以能过取得满意的结果，和设计前期所作的大量资料收集和研究试验的工作密不可分。正是通过正确的平台选择、工具选择，模块化、对象化了各个功能模块，使得整个系统能够有合理的功能结构、稳定的性能和较高的工作效率。从问题的提出开始，经历了搜集资料、做通讯实验、总体设计、详细设计、编码调试各个阶段。在每一个阶段都要求得到阶段性成果，同时也深深的感觉到书本知识和实践的差距，如果没有这种实践的经历，书本知识永远只是书本知识，会因为没有实践的验证和巩固而逐渐淡忘。只有将学到的知识用于实践，知识才能真正意义上被掌握，被发挥作用。经过几个月的毕业设计实践，我接触到和学到了非常多的知识，有了非常大的收获。同时我感谢老师一直以来的悉心教导，在几百个风雨无阻的日子里，辛勤付出，使我有机会了解电子信息科学与技术这门专业。当然我们的能力有限，希望能够在将来的实践生活中得到历练。在几个月的毕业设计过程中，我得到刘云芳老师的认真指导，他耐心的指
