圖2  總體硬件設計框圖

    2.1點(diǎn)滴速度控制

    該點(diǎn)滴裝置采用步進(jìn)電機來(lái)調節輸液瓶的高度，由于步進(jìn)電機精度高，無(wú)位置累積誤差，可靠性高等特點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足其控制滴斗中液滴滴下速度的精確性要求，因其可以通過(guò)電脈沖來(lái)改變步進(jìn)電機的步進(jìn)角精確實(shí)現輸液瓶的高度控制從而實(shí)現點(diǎn)滴速度控制。此系統采用L298對步進(jìn)電機進(jìn)行控制，電機控制模塊硬件圖如圖3所示。

        

                                   圖3   電機驅動(dòng)模塊原理圖

    2.2 液滴速度檢測控制

    選用光電開(kāi)關(guān)進(jìn)行液滴的速度檢測，其優(yōu)點(diǎn)是測量范圍遠，靈敏度高；將光電開(kāi)關(guān)安裝在滴斗壁上，當液滴滴下時(shí)，會(huì )給光電開(kāi)關(guān)產(chǎn)生一個(gè)信號，通過(guò)在一分鐘內采集數個(gè)信號所用的時(shí)間就可以計算出液滴滴下的速度。其工作原理如圖4所示。

         

                                  圖4（a） 光電開(kāi)關(guān)原理圖

              

                           圖4（b） 利用光電開(kāi)關(guān)檢測液滴速度

    2.3 單片機通信總線(xiàn)

    主站與從站之間通信總線(xiàn)采用485總線(xiàn)，通信接口芯片采用SN75LBC184，實(shí)現STC89C52的異步串行接口與RS232C標準串行通信電路之間的電平轉換，通信電路可以將16個(gè)輸液從站與主站的主機：連接起來(lái)構成輸液監控網(wǎng)絡(luò )，從而實(shí)現輸液的遙測，遙控。

    2.4 液晶顯示模塊

    利用1602液晶顯示如圖5所示，其優(yōu)點(diǎn)是顯示直觀(guān)，內容豐富；其用來(lái)顯示液滴滴速和顯示報警信息。

        

                                      圖5   液晶顯示原理圖

    2.5 鍵盤(pán)設計

    本設計采用的是4*4掃描鍵盤(pán)，其由四條I/O線(xiàn)作為行線(xiàn)，4條I/O線(xiàn)作為列線(xiàn)，在行線(xiàn)與列線(xiàn)的交叉點(diǎn)上設置交叉點(diǎn)，使其形成矩陣式排列，如圖6所示。

        

                                     圖6   矩陣鍵盤(pán)原理圖

    2.6 警戒線(xiàn)檢測

    利用光電開(kāi)關(guān)對輸液瓶中液體進(jìn)行檢測，當高度低于警戒值給單片機發(fā)送報警信號。將光電開(kāi)關(guān)安裝在輸液壁上，當液面高于警界線(xiàn)時(shí)，會(huì )給光電開(kāi)關(guān)產(chǎn)生一個(gè)信號，使其保持高電平，當沒(méi)有接收到信號時(shí)，產(chǎn)生低電平，從而予以報警。如圖7所示。

          

                                  圖7   光電傳感器檢測原理圖

    3 軟件的算法及軟件設計

    3.1 液滴速度的算法

    控制輸液瓶的高度來(lái)控制液滴地下的速度，假設滴斗到儲液瓶的高度為H1且滴速夾固定不變，如圖8所示。
由圖中所示可以得到液滴在高為H1處落下所產(chǎn)生的壓強的物理公示：

      

    考慮到滴速夾，輸液管的摩擦等原因，將影響到理想情況下的液體壓強，假設所有阻尼為f，假設在管子的某個(gè)截面上產(chǎn)生了重力引起的壓強和一個(gè)向上的阻尼，經(jīng)過(guò)多次的實(shí)驗測試，可以得到其重力引起的壓強和阻尼之間存在著(zhù)線(xiàn)性關(guān)系，從而對液滴速度產(chǎn)生影響。

                               

                                       圖8   系統框圖

    根據功率可得方程：

        

    由上式可以得到滴速v的表達式，其中f受管道摩擦和滴速夾影響，所以要保證f不變就必須保證滴速夾固定不變。

    3.2 采用PID算法調速

    要得到H1與液滴速度v之間的關(guān)系，需要用到PID算法，此算法能夠解決復雜的工程計算。其實(shí)質(zhì)是根據輸入的偏差值，按一定的函數關(guān)系進(jìn)行運算，其運算結果用以控制輸出。

    在此系統中，PID采用差分方程表示：

   

    通過(guò)上式可以求得其輸出控制量 u(k) 對應于系統的輸出y(位置)，是全量輸出，形成了一個(gè)閉環(huán)傳遞函數，系統框圖如圖8所示。

     

                                 圖9   位置型PID算式
    3.3 點(diǎn)滴周期算法

    通過(guò)采集幾個(gè)相鄰間隔脈沖信號周期T_i，平均得到相鄰間隔脈沖信號的周期T，這樣就可以得到點(diǎn)滴速度

          

                               圖10   點(diǎn)滴速度測量

    3.4 電機驅動(dòng)設計算法

    此系統采用L298對步進(jìn)電機進(jìn)行控制，可以通過(guò)電脈沖來(lái)改變步進(jìn)電機的步進(jìn)角，且能提供步進(jìn)電機所需負載。用過(guò)該步進(jìn)角來(lái)改變輸液瓶的高度從而實(shí)現液滴速度的改變。通過(guò)集成芯片L298可以直接驅動(dòng)步進(jìn)電機。本系統中使用的步進(jìn)電機所需要的脈沖電流幅度是0.6A，電壓幅度是12V，繞組阻抗是20Ω，力矩為8.5 Kg×cm，力臂40mm。通過(guò)集成芯片L298可以直接驅動(dòng)步進(jìn)電機。單片機輸出四路脈沖信號控制電動(dòng)機轉動(dòng)相位角。單片機產(chǎn)生四相四拍脈沖信號的波形如圖11所示。

    3.5 點(diǎn)滴速度檢測算法

    以每分鐘記錄點(diǎn)滴數。通過(guò)乘法計算出點(diǎn)滴速度，此方法在點(diǎn)滴速度恒定的情況下，可以采用多個(gè)單位時(shí)間取均值，從而求得單位時(shí)間的平均點(diǎn)滴數，這種方法可以實(shí)現較高的精度。設T=200ms，當檢測到第一個(gè)到來(lái)的脈沖信號時(shí)，程序進(jìn)行中斷處理，將計數器存儲內容讀出，再將計數器清零作為記錄脈沖信號的，當定時(shí)器定時(shí)到達200ms時(shí)，程序中斷檢測輸入信號是否有脈沖信號到來(lái)，同時(shí)計數器加1，另外設定計數器記錄檢測到的脈沖信號個(gè)數，設定計數器的存儲單元是10，這樣可以通過(guò)循環(huán)存儲脈沖個(gè)數。在定時(shí)器中取出5個(gè)相臨脈沖信號點(diǎn)這樣就能計算出5個(gè)脈沖點(diǎn)所需要的時(shí)間為：

        

    其中sum=n₂-n₁根據上面的理論分析和計算，得到點(diǎn)滴速度測量的程序框圖如圖12所示。

       

                                   圖11   四相四拍脈沖信號

                

                                   圖 12  點(diǎn)滴速度測量

    4 測速結果及結果分析

    表1

        

    由表格中數據可見(jiàn)，該電路可靠性高，誤差小，主要得益于步進(jìn)電機的精確控制和軟件算法的合理運用，所以只要選用的測試方法合理，控制方案及調節手段合適完全可以得到良好的控制效果。

    參考文獻：

    [1] 陶永華等．新型PID控制及其應用[M]．北京: 機械工業(yè)出版社．

    [2] 王治剛．單片機典型系統設計[M]．北京: 電子工業(yè)出版社．

    [3] 張愛(ài)萍．硬件電路設計原理[M]．哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社．

    [4] 張偉．Protel 99SE高級應用[M]．北京: 人民郵電出版社．　

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