液体点滴速度监控装置.docx
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液体点滴速度监控装置
液It点漓速度监控装置
1要
本设廿为液体点滴速度监控装置，实现了对液体点漓速度的检测与控制和嵋液珈中液面高度的检测报書，并且动态显示点漓速度，可以通过按鍵设置液体点滴速度并使用步进电机进行速度控制；为了达到较好的调整稳定度，通过软件实现控制电路的自适应调节；科用软件屏蔽检测中的异常信号；另外实现了多机通信，即一f主机站控制多个从机站和主、从机之间的数齬传输。
报警信号通过串行口实现从机到主机的传输，利用发光二极管和蜂鸣器实现主机的声光报書,同时从机使用数码管显示异常信息。
系统以单片机89C51为核心，使用两块系统檢（主机和从机）组成有线监控系统，主机实现对从机的控制；从机通过外围电路检测储液册中液面高度和液体点滴速度；通过从机实现对步进电机控制以此来控制液体点漓速度。
软件使用均值法处理采样信号以毓小误差。
在整体方案设廿中，在保证设廿系统能达到的题目要求的精度和稳定度的前提下，考虑到系统的轻便性、实用性、可靠性，对电路系统进行了优化。
关键词：
PID光电传感器步进电机自适应多机通信
§1方案比较、设廿与论证
本系统采用模挟化设it,可分为测量模块、控制模块和单片机主从通信模块。
1.1测量模块方案比较与论证
1.1.1储叛瓶液面高度測量
方案一：
使用拉力传感器间接測量。
将竝力传感器接在滑轮和储液瓶之间,利用裁面高度变化和拉力变化之间的线性关系进行间接谢量。
但是拉力传感器价榕贵，从实用性角度考虑,在设廿系统中不合适。
方案二：
利用超声波渭量祓面高度。
超声波测柜准确，是一种常用的SHE方法。
但是在本系统存在液体产生的表面波动，使用超声波传感器检测浪面会产生较大的误差，同时超声波传感器安装方位的确定也是一大难题。
方案三：
使用光电传感器定点对液面进行监测。
利用光在不同媒质界面的折射或反射原理，通过光电传感器接收光信号实现浪面检测功能。
此外，光电传感器安装方便，只需爲传感器固定在皤液JIHMI壁上即可，不需要甘细廿算储液瓶叛面高度值,简化了外围电路结构。
综合比较上面三种方案，卩、实用，简便同时保证测量准确度上，使用光电传感器测量储液無液面高度是最理想的选择。
1.1.2®体点滴速度测量
方案一：
利用光透射原理。
使用光敏二极管和单向光温实现光检測。
通过光敏二极管接收透射过来的单向光滌的光信号，产生脉冲信号。
实现框图如图1-1o
光源
□发送
图利用透射检测点漓速度
方案二：
利用光的反射原理。
使用红外发光二极管和光敏三极管实现光漓检测。
红外发光二极管垂直于漏斗壁发送红外光，红外接收三极管依据接收到的红外光信号的强弱产生脉冲信号，通过定时采样廿算出液体点滴速度。
实现原理框图如图1-2。
@1-2利用反射检测点漓速H
综合比较上面两种方案，利用透射原理来检测点漓速度时，由于储液班是透明玻JOL从光漓发射出来的光大部分反对，遹射光比较微弱，这样检测信号产生误差较大，同时电路需要对撤弱信号进行处理，这样就塔加了电路设廿上的难度;利用光的反射原理实现时，由于反射信号比较强,这样可以减小信号检测时的误差，同时电路形式要透射时情况简单。
1.2控制模块方案比较与论证
对液体点滴速度的控制,可以使用下面两种方案:
方案一：
采用输浪软管夹头控制点滴速度，由于夹头的控制中存在很第因
素,例如標胶粘度与裁体粘度,弹簧的弹力等等，都为非线性控制量,所以如
果采用夹头控制难以实现类做的线性控制
方案二：
采用步动电机调整高度力2,这种方法通过步动电机的移步控制可以较精确的控別他高度，从而实规接近线性的控制点滴的速度。
综合比较上面两种方案，使用步进电机来实规控制效果较好。
1.3主从单片机通信方案设计与论证
并行通信是数据各位同时进行传輪的方式，优点在于传输速度快，但是其传输数据宽度导致通信线路复杂，由于本系统数抵传輸量不大，可使通信线路尺量简单才用串行通信方式。
串行通信能通过同步传送和异步传送两种方武来实现。
方it-：
同步传送方式。
同步传送字符格武简单，其有效数掘位传送速率快，但是硕件实现上比较复杂，同时对同步时钟脉冲信号的相位一致性要求很严榕。
方JtZ：
异步传送方式。
异步传送方武以字符为单位一个个发送和接收的,毎个字符要用起始位和结東位作为字符开始和结東的标志位。
在异步传送中，字符间隔不固定，需要加空闲位等待传送，这样其完成数据传送的时间较长，异步传送优点就在干实现上简单。
综合比较上面两种方案，本系统中实规单片机与单片机之间的通信采用异步传送方式。
§2设廿系统组成框图
通过以上方案设廿比较，确定系统实现框图如下图2-1：
§3理论分析及控制算法确定
3.1点滴速度和高度他之间的关系
液体点滴速度和滴斗高、漓速夹的松紧以及针头有很大关系。
当漓速夹和针头固定不变吋，点漓速度和漏斗高他存在固定的数学关系。
示意图如图3-1o
设漓速夹对速度舸影响为尺，针头对速度
的影响为尺2，受液册高度为力0，（尺、尺2和力0图3-1速度和高度关系
为定值），由图3-1可以得到液休垂直髙度力2和液休产生的压强P之间的关系
p=pgg—力o）（3-D
（其中Q是液体密度，g是重力M速度）
当&、尺2固定时，其对速度的影响不变。
可以将漏斗、滴速夹和受液般
等效成如图3-2中舸物理电路。
R1
11
电
1———J1
电阻电
压
阻
图3-2等效电路图
压强等效成电压，漓速夹对点漓速度的控制转化成电路中电阻尺对电路电流的控制，针管对点滴速度的控制转化成电阻鸟对电路电流的控制。
这样就可以得到压强P、常数K（K=axR、+bxR2为常数）和点滴速度卩之间的关系为：
P=Kv（3-2）
由式（3-2）和（3-3）得到:
P~pg（力2-力0）=Kv
K
即有力2=——v+A0=Kxv+h^（3-3）
Pg
（其中K、=%&为常数）
点滴速度主要是受髙度、漓速夹汝针管的影响，其他因素的影响相对来说很小，当滴速夹和针管位置固定时,其影响一定,这样就可近做地得到武（3-3）中髙度和自滴的关系。
由于实际情况下，常数K］不易确定，所以髙度他和速度卩之间的关系需通过实际测量得到。
本设计系貌通过軟件自学习測量得到他和V的关系列表。
3.2PID控制算法
该系统为液体点漓速度监控系统，由于确定点滴速度和髙度之间的关系比较复杂，所以对点滴速度的监控使用PID控制来实现。
PID控制的实质是根据输人的偏差值，按一定的函数关系进行运算，其运算结果用以控制输出。
在廿算机为核心的离散控別系统中，PID控制器采用差分方程表示，即
“仗）=订e伙）++Td°⑹—严一（3-4）
式中：
凤伙）一k采样周期时的输出，
幺伙）一k采样周期时的偏差，
T一采样周期。
在式（3—4）中，令KVA；/”
Kd=KpTd
△幺伙）=w伙）—e（k—1）
i有u（k）=Kpe（k）+KJ工e（J）+—&伙）（3-5）
；=0T
式（3-5）被称为数字PID控制器的位置型算式。
其输出控制量况仗）对应于系统的输出y（位置），是全量输出。
系统框图如图3-3。
图3-3位置型PID算武
由于式（3-5）的第二项廿算复杂,—般采用增量型PID算式。
即Au伙）=伙）+K幺伙）+Kd^e{k）（3-6
増量式算法只输出控制量的増量Au（k）o采用增量式算法，系统中需增加
—个枳分装置，如步进电机。
系统框图如图3-4o
图3-4憎量式PID算式
在液体点滴速度监控系统中，通过对式（3-6）中参数K”，心,Kd进行调整，经过实师观察其控制效果，找到合适的控制参数。
3.3多机通信
对于集散测控单元（例如多机通信）使用串行通信来实现,因为串行通信的硬件实现上比较简单。
串行通信是指通信的发送方和接收方之间的数据信息的传输是在单根数据线上，以每次一个二进制的01为最小单位进行传輪。
串行通信的传输速度要比并行通信慢的多，但是串行通信可以简化通信线路。
串行通信有同步通信和异步通信两种方式。
（1）异步通信控制规程
为实现串行通信并保证飒据的正确传輪，要求通信双方遵循某种约定的规程。
异步通信控制规程，或称异步通信怵议，其特点是通信双方以一帧作为数据传输单位。
每一帧从起始位开始、后跟数据位（位长度可选）、奇10（奇偶检验可选），停止位（如图3-5）。
1帧的数据格式如下：
奇偶检
起始位
DODID2D3D4D5D6D7验位结束位
图3-5异步通信时序图
—顺的传输经过大致有以下几个步骤：
（1）无传输通信线路上处于逆辑⑴状态，或粮传号，表明线路无数摇传输。
（2）起始传输发送方在任何时刻将通信线路上的逻辑T狀态拉至遨辑O状态，发出一个空号，表明发送方要开始传输数据。
接收方在接收到空号后，开始与发送方同步，并希望收到师后的数据。
（3）数据传输起始位眼着要发送或接收的一串位序列，即表示一个字符代码。
数据位传输规定最低位在前,最高位在后。
数据位的确定是根据实际需求以获得最佳传输速度。
（4）奇偶传输数据位之后是可选择的奇偶位发送或接收。
奇假位的逻辑狀态取决于奇偶校验的类型。
必须保证在同一次传输过程中，每帧选择的奇偶校验类型是一致的。
（5）停止传输奇偶位之后是发送或接收的停止位，其逻辑狀态恒为1,位时间可在1、1.5或2位选择,且必须保证在每赖传输其同均为相同。
发送方在发送完1帧后，可连续发送下1帧，也可师机发送下1帧。
在这两种情况下，当接收方收到传号后，双方取得同步。
通信双方除遵循相同的数据传输领格式外,为确保传輸数据的正确性,双方还要具有相同的数据传輸率:
每秒传输的二进制位数，其倒数即为波特率（BaudRate）o
（2）«特率是衡量数据传输速率的指标。
设数据传输的速率是1200字符/杪，每个字符为8位，则其传输的波特率是：
8位/字符x1200字符/秒=9600波特
3.4点滴速度和点滴周期的分析。
周期
图3-6点滴速度测量
通过采集几个相邻间隔脉冲信号周期人，平均得到相邻间隔脉冲信号的周期T,这样就可以得到点滴速度v畔。
§4单元电路投廿与廿算
通过对题目的分林，可以将要实现的系统分成几个小模块分别实现。
电胳上可以划分为：
电机駆动模块、储浪般液体髙度检测模块、浪体点滴速度检测模挟。
4.1电机呃动方武
步进电机是纯粹的数字控制电动机，由电脉冲信号即可转变成角位移，比其他类型的电动机更适合于本系统，故选用步进电动机。
本系统中使用步进电机来控制他的髙度，以控制点滴速度。
由于单片机带负载能力有限，不能直接驱动步进电机转动，所以有必要在单片机和步进电机之间加上步进电机呃动电路,憎加单片机带负教能力。
电路原理图如图4-2。
图4-1NUL2803驱动
接人负裁吋，通过图腾柱结构输出没有NUL2803稳定。
NUL2803的驱动能力要比图Kt柱结构驱动能力强。
故本系统中使用NUL2803集成苏片作为步进电机的呃动。
同时，选用了带负载能力大的感应子式永磁型步进电机，型号为57BYGo本系统中使用的步进电机所需要的脉冲电压幅度是12V,电流幅度是0.6A,绕组阻抗是20Q,力矩为9Kgxc加，力臂57mm,能昵满足要求。
ilil集成茜片NUL2803可以直接呃动步进电机。
单片机输出四路脉冲信号控制电动机转动相位角。
单片机产生四相四抽脉冲信号的波形如下图4-2o
要使步进电机控制更精确，在步进电机所接负教较大时，可以采用四相八拍脉冲信号，波形图如下图4-3o
脉冲信号；1
脉冲信号2
脉冲信号3
1
脉冲信•号4_
图4-3四相八拍侏冲信号液形
本系统需要使用电机控制高度“2,妙需要控制储板册的上升和下降。
要是电路尽量控別准确，使用EI相八拍脉冲信号驱动电机工作。
4.2储液瓶液体高度检测
通过检测储液规中液体高度超过書戒值给单片机发送报書信号。
对于储浪瓶液体高度测量，有以下两种方案可供选择:
方案一：
便用拉力传感器。
通过液依重力和液体高度之同的关系，可以间接测量液体重力来判断液休高度是否超过警戒值。
实规原理如下廿算：
设廿液体质量是m,则重力F和裁体高度之同h的关系是:
F=mg+mog（4-1）
m—pV,V=Sh（4-2）
由式（4-1）和（4—2）可以得到AF=xAA（4-3）
（武中加表示板体质量，加°表示的质量，g为重力Jill速度，Q为液体密度,S储液珈庭面枳）。
由上面式（4-3）可以得到:
拉力变化和液体高度变化成正比,通过设定的基准点〃。
同△〃之间的差值关系来判断液面髙度是否达到書戒位。
〃。
和△〃之间的关系如下:
当%-从>3（czn）时，液面高度正常;
当Ao-A/?
<3（cm）Bt,达到警戒位,发送报書信号。
使用拉力传感器的缺点就在于测量不是很准确
方案二：
使用红外线定点检渭o电路可以分成三部分：
红外检测电路、电流电压变换电路、放大整形电路。
电路原理图如图4-4。
图4-4红外定点检测电路
光电传感器检测出信号为直流电平，当液面高度下降到警戒值时，光电传感器检测到反琳光信号，从而产生高Of电平的变化，检测信号通过电压比较器
LM339输人到单片机中，通过单片机检测采样到的电平，能判断储液瓶中的液
面是否达到警戒值。
光电传感器检测出信号为直流电平，当液面高度下降到書戒值时，光电传感器检测到反射光信号，从而产生髙低电平的变化，当液面到
达醫戒值时，单片机产生控制信号，使LED灯闪烁和聲鸣器响，产生两种报書措施，
图4-4蜂鸣器报警电路
电路中使用555作为聲鸣器舸报書呃动电路。
单片机通过几发送中断信号,通it555驱动蜂鸣器报警。
4.3裁体点滴速度检測
本系统用光电传感器ST178来检测单位时间内点漓下落的个数,ST178为单电源反射式光电传感器，内含有一个红外发光二极管，一个光敏三极管（用来接收反射回来的红外光）。
当发光二様管发出的红外光大部分被光般三极管接收时,接收端光敏三极管导通；光敏三极管接收到的反射红外信号撤弱时，接收端光敏三极管截止。
具体电路形式如下图4-5。
图4-5反射检测自漓速度电路
当滴斗处无液滴落下时,红外光在滴斗表面发生全反射,光敏三极管导通,比较器输出低电平；当漓斗处有液滴落下时，红外光在穿过点漓时有散射现象发生，光物三极管只能接收到微弱的光信号，光敏三极管截止，比较器输出髙电平。
电路输岀原冲信号输入到单片机TO口，单片机对脉冲信号廿魏，从而确定点滴下落速度。
电路中比较电平由精密稳压管LM336经过电位器分压输出，脉冲信号为低颐，故选用假顺电压比较器LM339,可械少髙颛噪声。
设光电传感器接收到可见光时输出电压幅度是V,,RP输出信号中的直流分量，当检测到点漓时，光电传感器产生脉冲信号输出，通11电解电容C2滤掉脉冲信号中的交流分量，电压比较器对脉冲信号整形。
实际示波器输出波形如下图4-6所示。
1/AX=1.7301Hz
AYC2）=-2.00V■
图4-6脉冲波形的产生
上图中第一波形为光电传感器检測产生的脉冲信号，第二波形即为电压比较器输出信号。
4.4检測电路中的肪干扰
电路中使用光电传感器检測点滴速度和警戒值。
这样系貌检测信号受到可见光以汝测量调节中点漓抖动的影响，要使检渭到的信号尺量准确，需要对系统电路进行抗干扰处理。
（1）肪止可见光干扰电路中使用了光电传感器，在接受到发送的红外线的同时，將会接收可见光。
当可见光的强度足筋大时，將会影响到接收的红外光信号的精度。
抗可见光干扰可以使用在光电传感器探测头J1U逆光罩，或使用脉冲频率调斟的方法。
由于系统电路中使用直流电湎给光电传感器提供工作电压，所以本系统使用在光电传感器探测头上加逆光罩。
（2）肪抖动干扰电路中需嬰检渭皤浪瓶中浪面髙度以实现报警，同时需要检测点漓速度汝通过改变妇高度实规对点漓速度的控制，所以测量时被测装置將会移动，当光电传感器和被测装置之间不能紧密连接时，检测到的信号误差，所以要碱小被测装置移动吋产生的抖动干扰。
本系统中將光电传感器固定在被测装置上，以碱小被测装置移动时产生的抖动干扰。
当储液瓶中裁面晃动时,会使光敏传感器产生误报警,利用单片机检需信号时，适当un上一段时间的延迟，待系貌稳定时再测，可以碱小液面晃动时产生的干扰。
（3）干扰的软件处理。
如下图4-7是单片机輸入信号的正常波形和异常波形O
止常波形
异常波形
图4-7单片机输人信号
检测到正常波形时脉冲宽度是tmS,若软件采集脉冲波形上升沿,则检測
到异常波形时，软件在tmS时间内只獸Ik采集了一个上升油，fill将另一个上升
--总结资料
沿屏蔽掉,这样軟件就能將异常波形转换成正常波形进行处理。
§5系统软件实现
本系貌的核心在于软件部分。
软件实現了系统各个模块的核心部分。
软件上主要实现了一下几个方面功能。
5.1点滴速度測量
方式一：
以点滴间隔为单位，记录—次点漓的时间，用60除以点滴单位时间就可得到每分鉀的点滴数。
这种方法用到除法操作，而且当点滴速度较快吋,测量误差较大，因为测量单位点滴时间的误差回被60杪这样大的时同单位放大。
但此法在修正点滴速度时，可以实时的測得当前的点滴的速度变化量,适合在调整滴速度使用。
方式二：
以单位时间记录点滴数。
通过简单的乘法就可廿算出点漓速度，但此法也存在单位时间内不是完整的点漓数目，"、而存在一定的测量误差。
但是，此法在点滴速度恒定的情况下，可以采用多个单位时间取均值，从而求得单位时间的平均点滴数,这样可以达到比较好的精度。
在本设廿系统中，采用将两者结合的方法进行测量。
以点漓为单位，同时记录单位时间内的点滴数。
通过对多个点滴測量廿算出点滴速度。
实规原理如下：
屮断计数
4n口
AB
\中断计数
图5-1脉冲信号检测
使用定时器珀）定时200“S,当检测到第一f到来的脉冲信号时，程序进行中［T处理，將廿数器存储内容读出，再將计数器清零作为记录牀冲信号的初始值廿为COUNT=0,当定时器定时到达200"S时，程序中断检测输人信号是否有脉冲信号到来,同时廿数器加1即为COUNTS,另外设定廿数器COUNT1记录检肃到的脉冲信号个数，设定廿数器COUNT1的存储单元是10,泌样可以
通11循环存储脉冲个数。
在定时器C0UNT1中取出5个相临脉冲信号点（设起始脉冲点是X,此时对应的廿数器COUNT值是®,第五个脉冲点是x+5,此吋对应的廿数器COUNT值是n2）g样就能廿算出5个脉冲点所需要的时间为：
t=（n2_®）x2OO“S（5_1）
由式（4-1）得到相临脉冲信号吋间间隔的平均值T=g,这样就可以得到
点滴速度：
==
二竺2（5_2）
sum
其中sum=n2-n,根据上面的理论分析和廿算，得到点滴速度測量的程
序框图如图4-2。
图5-2点湎速度测量程序流程
5.2自学习的实现
实现原理：
检測板体点滴速度,同150酒/秒进行比较，当点滴速度/hf150酒/秒时,电机控制点滴装置上升直到点滴速度到达150滴/杪。
慢慢降低高度,检测点滴速度，和相应高度建立一一对应列表。
可以通过两种方武生成列表。
方it-：
等间隔方式生成列表。
步进电机运行在非匀速状态，以保证等间隔下降。
由于髙度和点漓速度的近做线性关系，可以通过等间隔方式比较准确的列表，但是实现电机的非匀速转动,相应的増加了軟件的难度。
方itz：
步进电机匀速生成列表。
当步进电机转动时，绕线直径变小，装置下降位移间隔碱小，这样当点滴速度较小时调节X围便小,调节效果比等间隔产生的效果好。
综合比较，自学习il程使用步进电机匀速方式生成列表。
5.3点漓速度控制
通过改变高度力2来实现对点漓速度的控制，而高度力2是由步进电机的转动来改变的，这样就可以避免测量力2的值，直接通过改变步进电机的转角即能实现对点滴速度的控制。
在对点滴速度进行控制之前，单片机通过自学习产生高度他和点漓速度之间的对应关系列表，为了在保证控制fflStfl前提下，尽量碱少控制调节的时间，可以先通过大X围内调节到设定点漓速度附近，再通过微调将点滴速度调节到土10%±1滴的精度内。
软件实现浦程如下图5-4o
（开始）
设置点
滴速度V
检测点淌速度
-17J»是
—■-
V
vi>v+io%+T'
>—
（纳束）
»
屯机反转，
电机右转，
减小hN
増加h2
图5-4点滴速度控制程序流程
主要实现功能：
点漓速度检测与显示，设定点滴速度冃可以自动调节点滴速度。
5.4多机串行通信
本系统设廿多机通信系统主要是实现多f从机同一f主机之间的数据传输。
通过串行通信方武实现主机对从机站点的定点和旋环检测汝对从机的控制等功能。
串行通信时在主机和从机之间建立通信协议实现主机和从机之间的数据传输。
图5-5主机实现功能
定点检渭功能的实规：
定点检测主嬰是实现单片机之间一对一通信。
实现
程序流程图如图5-6：
主机从机
图5-6主机和uni之间的定点通信
巡回检渭功能的实现：
迪回检测的核心是一对一通信，通过违回査询从机状态，读取各个从机的数据并存储，即实现了迪回检测。
主单片机和从单片机之间的通信,主要是单片机之同的通信协议的建立,即软件上实现单片机之间握手。
单片机握手的实现过程是，主单片机向从单片机（编号00）发送通信建立信号00,从单片机接收到请求信号00,同时发送应答信号00,主机响应应答信号，朋可以实规主从之间的通信。
§6测试数据与分林
6.1测试仪器
60MHz数字武存储示波器、杪表，卷尺。
6.2测试方法
主要渭试功能包括：
晞板败中警戒线的监视，当浪面趙过警戒线时报書；液体点漓速度的检测与控制；单片机之间的通信，即一个主机对多个从机之间的通信。
中警戒线的监视：
使用示波器规察储液册上传感器的波形变化，当在警戒面上产生高低电平变化说明传感器检测警戒液面正常；
液体点滴速度的检测与控制：
使用示波器观察漏斗上传感器波形变化，在检测到一漓浪体时波形出现一次跳变，务采几个点，示波器上相应显示几个脉冲信号，通过示波器上时间轴廿下采集的几个脉冲信号所用到的时间，计算出相临两脉冲的间隔吋间，即为相临点滴之间的间隔时间t秒,通过式子v=6%得到点滴速Sv,同数码管显示值比较，同时可以通过示波器观察点滴速度控制规律是否正确。
多机通信：
通过主机向"、机发送控別命令，观察从机显示，完成主机对从机的控制；再通il主机读取从机发送的数据，观察主机响应（显示与报警），完成从机向主机的数据传输。
6.3测试数据与结果分析
（1）设定的警戒值是2.5cm,当液面下降到2.8cm时报警,能够满足題目要求。
（2）®察浪晶显示，当髙度改变时，显示作相应改变，动态显示自漓速度的功能完成。
系统启动时，单片机通过自学习將储板般上升到最大髙度（单片机检谢到的点滴速度为150滴/分时的高度）,通flea设置点滴速度,电机对高度“2进行调节，检测调整稳定后的点漓速度。
消试数据
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