基于89C52的液体点滴速度监控设计课程设计.docx
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基于89C52的液体点滴速度监控设计课程设计
计算机控制技术
课程设计
成绩评定表
设计课题基于89C52的液体点滴速度监控设计
学院名称：
电气工程学院
计算机控制技术
课程设计
课程设计名称：
基于89C52的液体点滴速度监控设计
专业班级：
学生姓名：
学号：
指导教师：
课程设计地点：
课程设计时间：
2012-06-11～2012-06-15
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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日 期：
指导教师签名：
日 期：
使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：
日 期：
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本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。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
日期：
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名：
日期：
年月日
导师签名：
日期：
年月日
计算机控制技术课程设计任务书
学生姓名
专业班级
学号
题目
基于89C52液体点滴速度监控设计
课题性质
工程设计
课题来源
自拟
指导教师
主要内容
（参数）
利用89C51设计监测控制系统，实现以下功能：
1．实时监测液滴速度和存储液位高低；
2．能显示屏显示实时液滴速度值；
3．能通过键盘设定液滴速度；
4．根据设计的液滴速度比较快速的把实际液滴速度调整到给定值；
任务要求
（进度）
第1天：
熟悉课程设计任务及要求，查阅技术资料，确定设计方案。
第2天：
按照确定的方案设计单元电路。
要求画出单元电路图，元件及元件参数选择要有依据，各单元电路的设计要有详细论述。
第3天：
软件设计，编写程序。
第4-5天：
撰写课程设计报告。
要求内容完整、图表清晰、语言流畅、格式规范、方案合理、设计正确。
主要参考
资料
1.[1].单片机应用开发实用子程序.边春元等编著.人民邮电出版社.2005
[2].全国大学生电子设计大赛培训系列教程.高吉祥主编.电子工业出版社.2007
[3].单片微型计算机原理及应用.张毅坤等编著.西安电子科技大学出版社.1998
[4].微型计算机接口技术.王兆月等编著.机械工业出版社.2006
[5].全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编2003北京理工大学出版社2005
审查意见
系（教研室）主任签字：
年月日
1引言：
随着社会的发展，随着科技的进步。
运来越多的地方需要用到一些高科技设备来为人们服务。
目前医院普遍使用的是人工监控点滴输液装置器，将液体容器挂在一定高度，利用势差将液体输入病人体内，用软管夹对软管夹紧和放松控制滴速，药物的有无将威胁病人的生命安全，为此医护人员要不定时的观察药物的情况，本设计根据需要设定液位控制高度，同时具备报警、高度显示等功能，使用了红外对射传感器，使其具有与液面不接触的特点，可用于有毒、腐蚀性液体液位的控制，简单、方便、安全、具有较高的使用价值。
根据实际需要，本设计应该满足以下要求：
（1）在漏斗处检测点滴速度，并制作一个数显装置，能动态显示点滴速度（滴/分）。
（2）通过改变吊瓶高度，控制点滴速度，也可以通过控制输液软管夹头的松紧等其他方式来控制点滴速度。
点滴速度可用键盘设定并显示，设定范围为20～150（滴/分），控制误差范围为设定值±10%±1滴。
（3）调整时间≤3min（从改变设定值起到点滴速度基本稳定，能人工读出数据为止）。
（4）当H1降到警戒值（2～3cm）时，能发出报警信号。
所以，本设计通过光学元件测定点滴速度，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。
本系统就是为了减少人力浪费，获得良好医疗效果而设计的液体点滴速度监控装置，利用这种装置可以通过电机控制储液瓶的高度来达到控速的目的;通过传感系统来确定点滴速度和对液位警戒线的检测;通过键盘设置液体点滴速度。
所以对液体点滴速度监控的研究十分有意义。
2总体方案设计
本次设计思想主要是想借助单片机，对医疗点滴输液加以半自动化的控制。
首先通过液位传感器检测信号，然后将检测到的信号送给单片机进行处理，通过数码管，将床位信息显示在监控室，然后由护理人员对具体情况进行处理。
2.1系统基本方案
根据题目要求系统可以分为以下几个模块：
点滴速度测量模块，储液液面检测模块，键盘显示模块，电机系统控制（点滴速度控制）模块。
系统的基本框图如图2.1所示。
图2.1系统基本框图
2.2方案论证与比较
由于题目所要求的系统比较复杂，涉及速度检测、速度控制、电机控制、数码显示、自动报警等各个方面。
所以我们考虑利用89C52单片机作为核心控制部分来构成题目所要求的系统。
2.3系统各个模块的选择与论证
（1）点滴速度测量
方案一：
采用电感式传感器测量点滴速度。
在输液器的漏斗外围绕线圈作为敏感元件。
当液滴滴下是电感量发生变化，通过LC振荡电路后输出变化的频率值，经过F/V变换电路及电压比较后输出TTL电平信号来检测点滴速度。
此方案测量精度比较高，但是外围电路比较复杂。
方案二：
采用红外对管发射接收。
采用断续式的工作方式，在点滴落下时阻挡了接收管接收红外线，产生高电平的脉冲信号。
为了提高抗干扰能力，可以采用两对红外传感器一发一收，而不是只用一只传感器以反射式状态工作。
红外传感器有以下优点：
尺寸小，质量轻，安装在滴斗上较简单；对辅助电路要求少，在近距可以用直流发射，电路简单，性能稳定。
此方案简单，较容易实现。
（2）储液检测电路
题目要求是在储液瓶中的液位低于2～3cm时发出报警信号。
在此是关键如何检测到液位的高度，报警较易实现。
检测液位有多种方法。
方案一：
同点滴速度测量模块，仍然采用红外对管发射接收。
根据该接收管收到的光强的大小来判断液位是否达到警戒水位。
方案二：
采用称重传感器检测。
利用称重传感器检测总质量，并与实际测量中当液体液面达到设定位置时的总质量相比较，根据液体体积与质量的关系，当测量总质量与设定值相等时发出报警。
方案三：
用测定电容的方法来检测。
在瓶壁上用两块薄金属箔包裹构造出一个电容。
根据电容中的介质不同，可以确定是否达到警戒水位。
此数据可以由实验中得出。
（3）电机控制系统（点滴速度控制）模块
利用电机来控制调节点滴的速度有两种方案：
方案一：
通过改变滴斗到受液瓶的高度H2来调节点滴的速度。
由电动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H2，从而调节点滴速度。
此种调节方法简单，容易实现。
方案二：
通过控制滴速夹的松紧来控制点滴的速度。
不过滴速夹用于大范围的调节滴速，难以控制，适用于粗调。
电机驱动控制电路:
方案一:
采用直流电机。
由于直流电机上电即转动，掉电后惯性较大，停机时还会转动一定角度后才可停下来。
转矩小、无抱死功能，如果要求准确停在一个位置，其闭环算法较复杂。
方案二:
采用步进电机。
步进电机是一种用电脉冲进行控制，将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机。
步进电机每输入一个脉冲信号，转子就转动一个角度或前进一步，其输出的角位移或线位移与输人的脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比。
用单片机控制步进电机，控制信号为数字信号，不再需要数/模转换，具有快速启/停能力，可在一刹那间实现启动或停止，且步距角降低小，延时短，定位准确，精度高，可操作性强。
（4）键盘显示单元
根据题目条件，滴速的大小要由人工设定的。
滴速的设定值与调整值都可以在键盘上显示。
对于其显示有以下的两种方案：
方案一：
采用液晶显示屏和通用矩阵键盘。
液晶显示屏（LCD）具有功耗小、轻薄短小无辐射危险，平面直角显示以及影象稳定不闪烁，可视面积大，画面效果好，抗干扰能力强等特点。
方案二：
采用五位LED七段数码管显示点滴数目。
按键采用单列五按键。
数码管具有：
低能耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化，对外界环境要求较低。
同时数码管采用BCD编码显示数字，程序编译容易，资源占用较少。
2.4系统最终方案确定
根据以上方案的论证分析，结合器件与设备等因素，系统各模块方案确定如下：
（1）点滴速度测量采用红外对管发射接收方式。
（2）储液检测电路仍然采纳红外对管发射接收装置。
（3）点滴速度控制是利用步进电动机正反转来调节储液瓶的高度来实现的。
（4）键盘控制及显示用的是矩阵式键盘和五位七段数码管。
3系统硬件的基本组成部分
本题目中运用了检测技术、自动控制技术和电子技术。
系统可以分为传感器检测部分和控制部分。
传感器检测部分：
系统利用红外对管发射接收即光点传感器将检测到的信号转化为控制器可以辨别的电信号。
传感器检测电路包括2个单元电路：
点滴速度测量电路、储液检测电路。
智能控制部分：
系统中控制器件根据有传感器变换输出的电信号进行逻辑判断，控制点滴的速度及数码管的显示，完成了点滴装置的自动检测、自动调速、数码显示及报警功能等各项任务。
开控制部分主要包括3个电路：
单片机控制电路、电动机的驱动电路、数码管的动态显示电路。
3.1点滴速度测量电路
采用红外对管发射接收测量点滴速度，其电路原理图如图3.1所示。
图3.1点滴速度测量电路
根据光学折射原理,光线在穿透密度不同的介质时,在交界面将产生反射与折射。
将滴管放置在检测用槽形光耦的中间,在检测过程中,液滴呈近椭圆状向下作加速运动并通过槽型光耦,由于液滴的表面是曲面,所以上半部与下半部将光线两次折射,使接收端接收不到光而产生两次高电平,仅在液滴中部光线可以直射穿过,使接收端输出低电平,从而实现计数功能。
3.2储液检测电路
储液检测电路图仍然是和点滴速度测量电路一样，只是所接单片机的接口不同。
其电路图如3.2.图所示。
该电路图的原理和点滴速度检测电路的原理是一样的。
由于红外光在水中和空气中的吸收系数不同，从而通过空气和水后的光强也是不同的。
其报警信号也是由储液信号来决定的。
当储液的液面的高度为2～3cm后，
会由红外对管发射接收产生检测信号，即为报警信号。
图3.2.储液检测电路
3.3键盘控制电路
由于本系统中采用动态显示方式驱动5个七段数码管，来显示点滴的速度。
数码管采用共阴极，由于AT89C52单片机每个I/O的拉电流只有1—2mA。
所以在位码和段码都加上了反向驱动器。
图3.3键盘控制电路
3.4显示电路
由于本系统中采用动态显示方式驱动5个七段数码管，来显示点滴的速度。
数码管采用共阴极，由于AT89C52单片机每个I/O的拉电流只有1—2mA。
所以在位码和段码都加上了三级管来进行驱动，如图3.4所示。
图3.4显示电路图
3.5点滴速度控制电路设计
系统将点滴速度采集信号和储液信号进行处理后，在相应的单片机的I/O控制口输出对应的控制信号来驱动电动机的正反转，从而进行精确的控制。
点滴的控制其实是靠单片机检测滴速，得到一个反馈量，输出一定信号驱动电动机，控制电动机的正转或反转，进而带动储液瓶的上升或下降来调节滴斗的高度即控制点滴的速度。
电动机驱动电路就如图3.5示。
采用的是H型的开关驱动电路。
整个的电路可以分为两级：
第一级接单片机的I/O口，用射级跟随电路加大电流的驱动能力；第三级才是驱动电路。
当P3.0为高电平时，Q5导通，Q3，Q7导通，电动机两端的电压为+5V，电动机正转；当P3.1为高电平时，Q6导通，Q4，Q8导通，电动机两端的电压为-5V，电动机反转。
本电路采用的是H型的开关驱动电路。
整个的电路可以分为两级：
第一级接单片机的I/O口，用射级跟随电路加大电流的驱动能力；第三级才是驱动电路。
当P3.0为高电平时，Q5导通，Q3，Q7导通，电动机两端的电压为+5V，电动机正转；当P3.1为高电平时，Q6导通，Q4，Q8导通，电动机两端的电压为-5V，电动机反转。
点滴控制靠单片机检测滴速，得到一个反馈量，输出一定信号控制电机上升或下降调节滴斗的高度。
图3.5电机驱动电路
在电动机上安装一个连杆，连杆的另一头接S1开关，每当电动机旋转一周，四S1开关闭合一次，则通过单片机的P3.2口就可以送入一个计数信号。
在单位时间内观察计数值即可的到电动机的转速。
图3.6所示的电路为电动机的速度采集电路。
图3.6电机转速采集电路
3.6单片机模块
3.6.1时钟电路
STC89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚RXD和TXD分别是此放大器的输入端和输出端。
时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。
内部方式的时钟电路如图3.7（a）所示。
在RXD和TXD引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。
定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。
晶体振荡频率可以在1.2～12MHz之间选择，电容值在5～30pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。
外部方式的时钟电路如图3.7（b）所示，RXD接地，TXD接外部振荡器。
对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。
片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。
本次设计选用内部方式的时钟电路。
（a）内部方式时钟电路（b）外部方式时钟电路
图3.7（a）（b）时钟电路
3.6.2复位电路
复位是单片机的初始化操作。
其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。
除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新动。
RST引脚是复位信号的输入端。
复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期（即二个机器周期）以上。
若使用颇率为6MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过4us才能完成复位操作。
整个复位电路包括芯片内、外两部分。
外部电路产生的复位信号（RST）送至施密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对施密特触发器的输出进行采样，然后才得到内部复位操作所需要的信号。
复位操作有上电自动复位相按键手动复位两种方式。
上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，其电路如
图3.8（a）所示。
这佯，只要电源Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就成了系统的复位初始化。
按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。
其中，按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的，其电路如图3.8（b）所示。
而按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的。
其电路如图3.8（c）所示。
（a）上电复位（b）按键电平复位（c）按键脉冲复位
图3.8（a）（b）（c）复位电路
上述电路图中的电阻、电容参数适用于6MHz晶振，能保证复位信号高电平持续时间大于2个机器周期。
本系统的复位电路采用图3.6.5（b）上电复位方式。
4软件设计
4.1系统的主程序设计
主程序构成无限循环，主要完成单片机初始化，关中断，菜单显示内容初始化，按键扫描，电机运行，计时等功能。
图4.1主程序设计
4.2检测点滴速度子程序
检测点滴速度子程序主要是用与系统信号的采集。
经过光电传感器采集，后由施密特触发器整形，输出到单片机的端口送入单片机内部。
检测点滴速度子程序如图4.2所示。
图4.2检测点滴速度子程序
4.3储液检测子程序
本程序主要是用于测量储液瓶内部的液位高度的，当液位低于2～3cm时，发出报警信号。
如果液位的高度不在此区间内，则点滴的速度照常采集，并送入单片机内部。
其储液子程序流程图如图4.3所示。
图4.3储液子程序流程图
4.4点滴速度控制子程序
根据题目的设计要求，首先读出6秒内的点滴的数目（将一分种平均划分成十分），进而得到当前的点滴的速度。
根据其设定的速度值与当前的点滴的速度的误差来确定电动机的正转与反转，即控制储液瓶的位置的高低，进一步影响下一个6秒内的点滴的速度，如此的循环往复。
其点滴速度的电动机控制程序流程图如4.3所示。
图4.4点滴速度的电动机控制程序流程图
4.5键盘显示子程序
键盘及显示字程序主要是用于判断速度有没有调整的动向和点滴速度的显示（包括当前值和设定值）。
其程序流程图如4.5所示。
图4.5系统键盘显示子程序
5结论
本系统完成了在滴斗处检测点滴速度，并制作了一个数码管显示装置，能动态显示点滴速度（滴/分）。
通过改变高度控制点滴速度，点滴速度可用键盘设定并显示，设定范围为20~150（滴/分），误差在要求范围内。
点滴速度的测量比较精确，在全量程内其误差小于3（滴/分）。
设置点滴速度功能中，控制精度在全量程范围内优于4（滴/分），但是还是有一定的误差，经分析主要是由以下原因造成的：
1由于瓶中的水不断减少，造成水滴的下落速度不均匀。
2 在测量水滴的实际滴速时，是通过控制秒表计时来获得时间数据，从数码管的后三位读出点滴的滴数，由于人在控制秒表时有误差，这也是引入测量误差的一个原因。
2中断处理的进入和中断处理程序都会有一定时间的延时，这也是造成测量误差的一个因素。
3在动态控制时，由于瓶处于运动状态，其上升、下降运动不可避免的会产生加速度，导致水滴下落时速度不稳定。
4算法本身不可能是完全精确的，必然存在舍入误差等，这些误差会影响测量结果。
6总结和体会
本次设计综合运用了各类传感器。
同时查阅了大量相关资料，包括查阅相关书籍和网上的资料，获得了一些相关信息。
在方案设计方面，讨论筛选出最优的设计方案，比如在设计显示电路时我们放弃LCD液晶来显示,而直接运用了数码管显示电路。
通过这次的设计与制作，让我了解设计电路的程序与设计理念。
通过这次学习，让我们对各种电路都有了大概的了解，对于我们以后的学习有很大的帮助。
这次课设中，我充分利从用了计算机控制技术的原理，也逐步了解了机控知识，在课程设计中，学会了简单应用。
这个阶段也许就是学习的初级阶段，最重要的是在枯燥中发现新奇，逐渐获得兴趣。
学习的动力大部分来自信心，刚开始的时候不知道该怎么做，查了大量的芯片资料和相关课本知识，在设计过程中也加深了知识的理解，并且在摸索之中设计出原理图。
从中，我体会到抱以极大的信心，耐得住寂寞，并且持之以恒，对学习、工作有着巨大的意义的。
通过讨论与实践，我们加强对电子器件的了解。
也增加了对电子设计的兴趣，对电子应用感到好奇。
总之，我们做到理论联系实际，学过了计算机控制技术这门课程，而此次课程设计恰恰提供了一个好机会，让我们从实践中加深了对所学知识的理解。
因此这次课程设计收益匪浅。
7参考文献
[1].单片机应用开发实用子程序.边春元等编著.人民邮电出版社.2005
[2].全国大学生电子设计大赛培训系列教程.高吉祥主编.电子工业出版社.2007
[3]. 单片微型计算机原理及应用.张毅坤等编著.西安电子科技大学出版社.1998
[4]. 微型计算机接口技术.王兆月等编著.机械工业出版社.2006
[5]..全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编2003北京理工大学出版社2005
8附录
附录1主要元器件清单
元件数量
AT89S511个
5553个
红外对射光电二极管3个
74042片
D12072个
A928A2个
按键4个
排阻1×1K1个
晶振电路1K
数码管3个
附录2程序清单
系统的设计的如件程序清单如下：
SDDDDATA30H
MC1DATA31H
MC2DATA32H
MC3DATA33H
MC4DATA34H
MC5DATA35H
MC6DATA36H
MC7DATA37H
MC8DATA38H
MC9DATA39H
MC10DATA3AH
CJDDDATA40H
XS1DATA41H
XS2DATA42H
XS3DATA43H
K_ENTERBITP1.0
K_JIABITP1.1
K_JIANBITP1.2
ORG0000H
LJMPMAIN
ORG0013H
LCALLINT1
ORG001BH
LCALLT1
ORG0100H
MAIN:
MOVSP,#60H;给堆栈指针赋初值
MOVTMOD,#14H;定时器1在模式1下工作、计数器0工作在模式0
MOVTL1,#0B0H;定时器每50ms产生一次溢出
MOVTH1,#3CH
SETBET1;使能定时器1中断
SETBIT1;边沿触发
SETBEX1;开外部中断1
SETBEA;使能总中断
SETBTR1;开始计时
MOVTL0,#00H
MOVTH0,#00H
SETBTR0;开始计数
MOVR5,#0AH
MOVR6,#0FFH
MOVR7,#78H
MOVR0,#MC1
CLRP1.7
MOVSDDD,#64H
MOVCJDD,#78H
MOVMC1,#78H
MOVMC2,#00H
MOVMC3,#00H
MOVMC4,#00H
MOVMC5,#00H
MOVMC6,#00H
MOVMC7,#00H
MOVMC8,#00H
MOVMC9,#00H
MOVMC10,#00H
LOOP:
MOVA,MC1
ADDA,MC2
ADDA,MC3
ADDA,MC4
ADDA,MC5
ADDA,MC6
ADDA,MC7
ADDA,MC8
ADDA,MC9
ADDA,MC10
MOVCJDD,A
LCALLJPCL
MOVR2,CJDD
LCALLSJCL;数据处理程序
LCALLDISPLAY;调用数码管显示子程序
LCALLDIANJI
AJMPLOOP
T1:
PUS
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