【畢業(yè)學(xué)位論文】(Word原稿)液體點(diǎn)滴速度監(jiān)控裝置-控制理論與控制工程

168 液體點(diǎn)滴速度監(jiān)控裝置 摘 要 本設(shè)計(jì)為液體點(diǎn)滴速度監(jiān)控裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)液體點(diǎn)滴速度的檢測(cè)與控制和儲(chǔ)液瓶中液面高度的檢測(cè)報(bào)警，并且動(dòng)態(tài)顯示點(diǎn)滴速度，可以通過(guò)按鍵設(shè)置液體點(diǎn)滴速度并使用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行速度控制；為了達(dá)到較好的調(diào)整穩(wěn)定度，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)控制電路的自適應(yīng)調(diào)節(jié)；利用軟件屏蔽檢測(cè)中的異常信號(hào)；另外實(shí)現(xiàn)了多機(jī)通信，即一個(gè)主機(jī)站控制多個(gè)從機(jī)站和主、從機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。報(bào)警信號(hào)通過(guò)串行口實(shí)現(xiàn)從機(jī)到主機(jī)的傳輸，利用發(fā)光二極管和蜂鳴器實(shí)現(xiàn)主機(jī)的聲光報(bào)警，同時(shí)從機(jī)使用數(shù)碼管顯示異常信息。 系統(tǒng)以單片機(jī) 89核 心，使用兩塊系統(tǒng)板（主機(jī)和從機(jī)）組成有線監(jiān)控系統(tǒng)，主機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)從機(jī)的控制；從機(jī)通過(guò)外圍電路檢測(cè)儲(chǔ)液瓶中液面高度和液體點(diǎn)滴速度；通過(guò)從機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制以此來(lái)控制液體點(diǎn)滴速度。軟件使用均值法處理采樣信號(hào)以減小誤差。 在整體方案設(shè)計(jì)中，在保證設(shè)計(jì)系統(tǒng)能達(dá)到的題目要求的精度和穩(wěn)定度的前提下，考慮到系統(tǒng)的輕便性、實(shí)用性、可靠性，對(duì)電路系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。 關(guān)鍵詞： 電傳感器 步進(jìn)電機(jī) 自適應(yīng) 多機(jī)通信 169 1方案比較、設(shè)計(jì)與論證 本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，可分為測(cè)量模塊、控制模塊和單片機(jī)主從通信模塊。 量模塊方案比較與論證 液瓶液面高度測(cè)量 方案一：使用拉力傳感器間接測(cè)量。將拉力傳感器接在滑輪和儲(chǔ)液瓶之間，利用液面高度變化和拉力變化之間的線性關(guān)系進(jìn)行間接測(cè)量。但是拉力傳感器價(jià)格貴，從實(shí)用性角度考慮，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)中不合適。 方案二：利用超聲波測(cè)量液面高度。超聲波測(cè)距準(zhǔn)確，是一種常用的測(cè)距方法。但是在本系統(tǒng)存在液體產(chǎn)生的表面波動(dòng)，使用超聲波傳感器檢測(cè)液面會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，同時(shí)超聲波傳感器安裝方位的確定也是一大難題。 方案三：使用光電傳感器定點(diǎn)對(duì)液面進(jìn)行監(jiān)測(cè)。利用光在不同媒質(zhì)界面的折射或反射原理， 通過(guò)光電傳感器接收光信號(hào)實(shí)現(xiàn)液面檢測(cè)功能。此外，光電傳感器安裝方便，只需將傳感器固定在儲(chǔ)液瓶外瓶壁上即可，不需要詳細(xì)計(jì)算儲(chǔ)液瓶液面高度值，簡(jiǎn)化了外圍電路結(jié)構(gòu)。 綜合比較上面三種方案，從實(shí)用，簡(jiǎn)便同時(shí)保證測(cè)量準(zhǔn)確度上，使用光電傳感器測(cè)量?jī)?chǔ)液瓶液面高度是最理想的選擇。 體點(diǎn)滴速度測(cè)量 方案一：利用光透射原理。使用光敏二極管和單向光源實(shí)現(xiàn)光檢測(cè)。通過(guò)光敏二極管接收透射過(guò)來(lái)的單向光源的光信號(hào)，產(chǎn)生脈沖信號(hào)。實(shí)現(xiàn)框圖如圖1 1。 圖 1 1 利用透射檢測(cè)點(diǎn)滴速度 方 案二：利用光的反射原理。使用紅外發(fā)光二極管和光敏三極管實(shí)現(xiàn)光源檢測(cè)。紅外發(fā)光二極管垂直于漏斗壁發(fā)送紅外光，紅外接收三極管依據(jù)接收到的紅外光信號(hào)的強(qiáng)弱產(chǎn)生脈沖信號(hào)，通過(guò)定時(shí)采樣計(jì)算出液體點(diǎn)滴速度。實(shí)現(xiàn)原理框圖如圖 1 2。 170 圖 1 2 利用反射檢測(cè)點(diǎn)滴速度 綜合比較上面兩種方案，利用透射原理來(lái)檢測(cè)點(diǎn)滴速度時(shí)，由于儲(chǔ)液瓶是透明玻璃瓶，從光源發(fā)射出來(lái)的光大部分反射，透射光比較微弱，這樣檢測(cè)信號(hào)產(chǎn)生誤差較大，同時(shí)電路需要對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行處理，這樣就增加了電 路設(shè)計(jì)上的難度；利用光的反射原理實(shí)現(xiàn)時(shí)，由于反射信號(hào)比較強(qiáng)，這樣可以減小信號(hào)檢測(cè)時(shí)的誤差，同時(shí)電路形式要透射時(shí)情況簡(jiǎn)單。 制模塊方案比較與論證 對(duì)液體點(diǎn)滴速度的控制，可以使用下面兩種方案： 方案一：采用輸液軟管夾頭控制點(diǎn)滴速度，由于夾頭的控制中存在很多因素，例如橡膠粘度與液體粘度，彈簧的彈力等等，都為非線性控制量，所以如果采用夾頭控制難以實(shí)現(xiàn)類似的線性控制 方案二：采用步動(dòng)電機(jī)調(diào)整高度 2h ，這種方法通過(guò)步動(dòng)電機(jī)的移步控制可以較精確的控制 2h 高度，從而實(shí)現(xiàn)接近線性的控制點(diǎn)滴的速度。 綜合比較上面兩種方案，使用步進(jìn)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制效果較好。 從單片機(jī)通信方案設(shè)計(jì)與論證 并行通信是數(shù)據(jù)各位同時(shí)進(jìn)行傳輸?shù)姆绞?，?yōu)點(diǎn)在于傳輸速度快，但是其傳輸數(shù)據(jù)寬度導(dǎo)致通信線路復(fù)雜，由于本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸量不大，可使通信線路盡量簡(jiǎn)單才用串行通信方式。串行通信能通過(guò)同步傳送和異步傳送兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。 方式一：同步傳送方式。同步傳送字符格式簡(jiǎn)單，其有效數(shù)據(jù)位傳送速率快，但是硬件實(shí)現(xiàn)上比較復(fù)雜，同時(shí)對(duì)同步時(shí)鐘脈沖信號(hào)的相位一致性要求很?chē)?yán)格。 171 方式二 ：異步傳送方式。異步傳送方式以字符為單位一個(gè)個(gè)發(fā)送和接收的，每個(gè)字符要用起始位和結(jié)束位作為字符開(kāi)始和結(jié)束的標(biāo)志位。在異步傳送中，字符間隔不固定，需要加空閑位等待傳送，這樣其完成數(shù)據(jù)傳送的時(shí)間較長(zhǎng)，異步傳送優(yōu)點(diǎn)就在于實(shí)現(xiàn)上簡(jiǎn)單。 綜合比較上面兩種方案，本系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與單片機(jī)之間的通信采用異步傳送方式。 2設(shè)計(jì)系統(tǒng)組成框圖 通過(guò)以上方案設(shè)計(jì)比較，確定系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖如下圖 2 1： 圖 2 1 系統(tǒng)組成框圖 3理論分析及控制算法確定 點(diǎn)滴速度和高度 2h 之間的關(guān)系 液體點(diǎn)滴速度和滴斗高、滴速夾的松緊以及針頭有很大關(guān)系。當(dāng)?shù)嗡賷A和針頭固定不變時(shí)，點(diǎn)滴速度和漏斗高 2h 存在固定的數(shù)學(xué)關(guān)系。示意圖如圖 3 1。 設(shè)滴速夾對(duì)速度的影響為 1R ，針頭對(duì)速度 172 的影響為 2R ，受液瓶高度為 0h ,( 1R 、 2R 和 0h 圖 3 1 速度和高度關(guān)系 為定值 )，由圖 3 1 可以得到液體垂直高度 2h 和液體產(chǎn)生的壓強(qiáng) P 之間的關(guān)系是： )( 02 (3 1) （其中 是液體密度， g 是重力加速度） 當(dāng) 1R 、 2R 固定時(shí)，其對(duì)速度的影響不變?？梢詫?漏斗、滴速夾和受液瓶等效成如圖 3 2 中的物理電路。 圖 3 2 等效電路圖 壓強(qiáng)等效成電壓，滴速夾對(duì)點(diǎn)滴速度的控制轉(zhuǎn)化成電路中電阻 1R 對(duì)電路電流的控制，針管對(duì)點(diǎn)滴速度的控制轉(zhuǎn)化成電阻 2R 對(duì)電路電流的控制。這樣就可以得到 壓強(qiáng) P、常數(shù) K ( 21 為常數(shù) )和點(diǎn)滴速度 v 之間的關(guān)系為： (3 2) 由式 (3 2)和 (3 3)得到： )( 02 即有0102 (3 3) (其中1為常數(shù) ) 點(diǎn)滴速度主要是受高度、滴速夾及針管的影響，其他因素的影響相對(duì)來(lái)說(shuō)很小，當(dāng)?shù)嗡賷A和針管位置固定時(shí)，其影響一定，這樣就可近似地得到式 (33)中高度和點(diǎn)滴的關(guān)系。由于實(shí)際情況下，常數(shù) 1K 不易確定，所以高度 2h 和速度 v 之間的關(guān)系需通過(guò)實(shí)際測(cè)量得到。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)通過(guò)軟件自學(xué)習(xí)測(cè)量得到2h 和 v 的關(guān)系列表。 制算法 該系統(tǒng)為液體點(diǎn)滴速度監(jiān)控系統(tǒng)，由于確定點(diǎn)滴速度和高度之間的關(guān)系比 173 較復(fù)雜，所以對(duì)點(diǎn)滴速度的監(jiān)控使用 制來(lái)實(shí)現(xiàn)。 制 的實(shí)質(zhì)是根據(jù)輸入的偏差值，按一定的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算，其運(yùn)算結(jié)果用以 控制輸出。 在計(jì)算機(jī)為核心的離散控制系統(tǒng)中， )1()()(1)()( (3 4) 式中： )( k 采樣周期時(shí)的輸出， )( k 采樣周期時(shí)的偏差， T 采樣周期。 在式 (3 4)中，令)1()()( 則有 )()()()(0 (3 5) 式 (3 5)被稱為數(shù)字 輸出控制量 )(應(yīng)于系統(tǒng)的輸出 y(位置 )，是全量輸出。系統(tǒng)框圖如圖 3 3。 )31()( 式象u 3 位置型 由于式 (3 5)的第二項(xiàng)計(jì)算復(fù)雜，一般采用增量型 )()()()( 2 (3 6) 增量式算法只輸出控制量的增量 )(。采用增量式算法，系統(tǒng)中需增加一個(gè)積分裝置，如步進(jìn)電機(jī)。系統(tǒng)框圖如圖 3 4。 )41()( 式 象 電 機(jī) 圖 3 4 增量式 在液體點(diǎn)滴速度監(jiān)控系統(tǒng)中，通過(guò)對(duì)式 (3 6)中參數(shù) 行調(diào)整，經(jīng)過(guò)實(shí)際觀察其控制效果，找到合適的控制參數(shù)。 174 機(jī)通信 對(duì)于集散測(cè)控單元（例如多機(jī)通信）使用串行通信來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榇型ㄐ诺挠布?shí)現(xiàn)上比較簡(jiǎn)單。串行通信是指通信的發(fā)送方和接收方之間的數(shù)據(jù)信息的傳輸 是在單根數(shù)據(jù)線上，以每次一個(gè)二進(jìn)制的 01 為最小單位進(jìn)行傳輸。串行通信的傳輸速度要比并行通信慢的多，但是串行通信可以簡(jiǎn)化通信線路。串行通信有同步通信和異步通信兩種方式。 (1)異步通信控制規(guī)程 為實(shí)現(xiàn)串行通信并保證數(shù)據(jù)的正確傳輸，要求通信雙方遵循某種約定的規(guī)程。異步通信控制規(guī)程，或稱異步通信協(xié)議，其特點(diǎn)是通信雙方以一幀作為數(shù)據(jù)傳輸單位。每一幀從起始位開(kāi)始、后跟數(shù)據(jù)位（位長(zhǎng)度可選）、奇偶位（奇偶檢驗(yàn)可選），停止位 （如圖 3 5）。 1 幀的數(shù)據(jù)格式如下： 圖 3 5 異步通信時(shí)序 圖 一幀的傳輸經(jīng)過(guò)大致有 以 下幾個(gè)步驟： (1)無(wú)傳輸 通信線路上處于邏輯 1狀態(tài)，或稱傳號(hào)，表明線路無(wú)數(shù)據(jù)傳輸。 (2)起始傳輸 發(fā)送方在任何時(shí)刻將通信線路上的邏輯 1狀態(tài)拉至邏輯0狀態(tài)，發(fā)出一個(gè)空號(hào)，表明發(fā)送方要開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)。接收方在接收到空號(hào)后，開(kāi)始與發(fā)送方同步，并希望收到隨后的數(shù)據(jù)。 (3)數(shù)據(jù)傳輸 起始位跟著要發(fā)送或接收的一串位序列，即表示一個(gè)字符代碼。數(shù)據(jù)位傳輸規(guī)定最低位在前，最高位在后。數(shù)據(jù)位的確定是根據(jù)實(shí)際需求以獲得最佳傳輸速度。 (4)奇偶傳輸 數(shù)據(jù)位之后是可選擇的奇 偶位發(fā)送或接收。奇偶位的邏輯狀態(tài)取決于奇偶校驗(yàn)的類型。必須保證在同一次傳輸過(guò)程中，每幀選擇的奇偶校驗(yàn)類型是一致的。 (5)停止傳輸 奇偶位之后是發(fā)送或接收的停止位，其邏輯狀態(tài)恒為 1，位時(shí)間可在 1、 2 位選擇，且必須保證在每幀傳輸其間均為相同。 175 發(fā)送方在發(fā)送完 1 幀后，可連續(xù)發(fā)送下 1 幀，也可隨機(jī)發(fā)送下 1 幀。在這兩種情況下，當(dāng)接收方收到傳號(hào)后，雙方取得同步。通信雙方除遵循相同的數(shù)據(jù)傳輸幀格式外，為確保傳輸數(shù)據(jù)的正確性，雙方還要具有相同的數(shù)據(jù)傳輸率：每秒傳輸?shù)亩M(jìn)制位數(shù) ,其倒數(shù) 即為 波特率 ( （ 2）波特率是衡量數(shù)據(jù)傳輸速率的指標(biāo)。設(shè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾适?1200 字符 /秒，每個(gè)字符為 8 位，則其傳輸?shù)牟ㄌ芈适牵?8 位 /字符 1200 字符 /秒 9600 波特 滴速度和點(diǎn)滴周期的分析。 圖 3 6 點(diǎn)滴速度測(cè)量 通過(guò)采集幾個(gè)相鄰間隔脈沖信號(hào)周期 平均得到相鄰間隔脈沖信號(hào)的周期 T，這樣就可以得到點(diǎn)滴速度。 4單元電路設(shè)計(jì)與計(jì)算 通過(guò)對(duì)題目的分析，可以將要實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)分成幾個(gè)小模塊分別實(shí)現(xiàn)。電路上可以劃分為：電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、儲(chǔ)液瓶液體高度檢測(cè)模塊、液體點(diǎn)滴速度檢測(cè)模塊。 機(jī)驅(qū)動(dòng)方式 步進(jìn)電機(jī)是純粹的數(shù)字控制電動(dòng)機(jī)，由電脈沖信號(hào)即可轉(zhuǎn)變成角位移，比其他類型的電動(dòng)機(jī)更適合于本系統(tǒng)，故選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。本系統(tǒng)中使用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制 2h 的高度，以控制點(diǎn)滴速度。由于單片機(jī)帶負(fù)載能力有限，不能直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，所以有必要在單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)之間加上步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，增加單片機(jī)帶負(fù)載能力 。 電路原理圖如圖 4 2。 176 圖 4 1 動(dòng) 接入負(fù)載時(shí)，通過(guò)圖騰柱結(jié)構(gòu)輸出沒(méi)有 定。 驅(qū)動(dòng)能力要比圖騰柱結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)。故本系統(tǒng)中使用 成芯片作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。同時(shí)，選用了帶負(fù)載能力大的感應(yīng)子式永磁型步進(jìn)電機(jī)，型號(hào)為57本系統(tǒng)中使用的步進(jìn)電機(jī)所需要的脈沖電壓幅度是 12V，組阻抗是 20 ，力矩為 9 ，力臂 57夠滿足要求。通過(guò)集成芯片 以直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。單片機(jī)輸出四路脈沖信號(hào)控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)相位角。單片機(jī)產(chǎn)生四相四拍脈沖信號(hào)的波形如下圖 4 2。 圖 4 2 四相四拍脈沖信號(hào)波形 要使步進(jìn)電機(jī)控制更精確，在步進(jìn)電機(jī)所接負(fù)載較大時(shí)，可以采用四相八拍脈沖信號(hào)，波形圖如下圖 4 3。 圖 4 3 四相八拍脈沖信號(hào)波形 177 本系統(tǒng)需要使用電機(jī)控制高度 2h ，即需要控制儲(chǔ)液瓶的 上升和下降。要是電路盡量控制準(zhǔn)確，使用四相八拍脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。 液瓶液體高度檢測(cè) 通過(guò)檢測(cè)儲(chǔ)液瓶中液體高度超過(guò)警戒值給單片機(jī)發(fā)送報(bào)警信號(hào)。對(duì)于儲(chǔ)液瓶液體高度測(cè)量，有以下兩種方案可供選擇： 方案一：使用拉力傳感器。通過(guò)液體重力和液體高度之間的關(guān)系，可以間接測(cè)量液體重力來(lái)判斷液體高度是否超過(guò)警戒值。實(shí)現(xiàn)原理如下計(jì)算： 設(shè)計(jì)液體質(zhì)量是 m，則重力 F 和液體高度之間 h 的關(guān)系是： + (4 1) ， (4 2) 由式 (4 1)和 (4 2)可以得到 (4 3) (式中 m 表示液體質(zhì)量， 0m 表示儲(chǔ)液瓶的質(zhì)量， g 為重力加速度， 為液體密度， S 儲(chǔ)液瓶底面積 )。 由上面式 (4 3)可以得到：拉力變化和液體高度變化成正比，通過(guò)設(shè)定的基準(zhǔn)點(diǎn) 0h 同 h 之間的差值關(guān)系來(lái)判斷液面高度是否達(dá)到警戒位。 0h 和 h 之間的關(guān)系如下： 當(dāng) )(30 時(shí)，液面高度正常； 當(dāng) )(30 時(shí)，達(dá)到警戒位，發(fā)送報(bào)警信號(hào)。 使用拉力傳感器的缺點(diǎn)就在于測(cè)量不是很準(zhǔn)確 方案二：使用紅外線定點(diǎn)檢測(cè) 。電路可以分成三部分：紅外檢測(cè)電路、電流電壓變換電路、放大整形電路。電路原理圖如圖 4 4。 圖 4 4 紅外定點(diǎn)檢測(cè)電路 178 光電傳感器檢測(cè)出信號(hào)為直流電平，當(dāng)液面高度下降到警戒值時(shí)，光電傳感器檢測(cè)到反射光信號(hào)，從而產(chǎn)生高低電平的變化，檢測(cè)信號(hào)通過(guò)電壓比較器入到單片機(jī)中，通過(guò)單片機(jī)檢測(cè)采樣到的電平，能判斷儲(chǔ)液瓶中的液面是否達(dá)到警戒值。光 電傳感器檢測(cè)出信號(hào)為直流電平，當(dāng)液面高度下降到警戒值時(shí)，光電傳感器檢測(cè)到反射光信號(hào)，從而產(chǎn)生高低電平的變化，當(dāng)液面到達(dá)警戒值時(shí)，單片機(jī)產(chǎn)生控制信號(hào)，使 閃爍和蜂鳴器響，產(chǎn)生兩種報(bào)警措施，蜂鳴器報(bào)警實(shí)現(xiàn)電路如下圖 4 4。 圖 4 4 蜂鳴器報(bào)警電路 電路中使用 555 作為蜂鳴器的報(bào)警驅(qū)動(dòng)電路。單片機(jī)通過(guò) 0T 發(fā)送中斷信號(hào)，通過(guò) 555 驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。 體點(diǎn)滴速度檢測(cè) 本系統(tǒng)用光電傳感器 檢測(cè)單位時(shí)間內(nèi)點(diǎn)滴下落的個(gè) 數(shù)， 單電源反射式光電傳感器，內(nèi)含有一個(gè)紅外發(fā)光二極管，一個(gè)光敏三極管（用來(lái)接收反射回來(lái)的紅外光）。當(dāng)發(fā)光二極管發(fā)出的紅外光大部分被光敏三極管接收時(shí)，接收端光敏三極管導(dǎo)通；光敏三極管接收到的反射紅外信號(hào)微弱時(shí)，接收端光敏三極管截止。具體電路形式如下圖 4 5。 圖 4 5 反射檢測(cè)點(diǎn)滴速度電路 179 當(dāng)?shù)味诽師o(wú)液滴落下時(shí)，紅外光在滴斗表面發(fā)生全反射，光敏三極管導(dǎo)通，比較器輸出低電平；當(dāng)?shù)味诽幱幸旱温湎聲r(shí)，紅外光在穿過(guò)點(diǎn)滴時(shí)有散射現(xiàn)象發(fā)生，光敏三極管只能接收到微弱的光信號(hào)，光 敏三極管截止，比較器輸出高電平。電路輸出脈沖信號(hào)輸入到單片機(jī) ，單片機(jī)對(duì)脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，從而確定點(diǎn)滴下落速度。 電路中比較電平由精密穩(wěn)壓管 過(guò)電位器分壓輸出，脈沖信號(hào)為低頻，故選用低頻電壓比較器 減少高頻噪聲。 設(shè)光電傳感器接收到可見(jiàn)光時(shí)輸出電壓幅度是 1V ，即輸出信號(hào)中的直流分量，當(dāng)檢測(cè)到點(diǎn)滴時(shí)，光電傳感器產(chǎn)生脈沖信號(hào)輸出，通過(guò)電解電容 掉脈沖信號(hào)中的交流分量，電壓比較器對(duì)脈沖信號(hào)整形。實(shí)際示波器輸出波形如下圖 4 6 所示。 圖 4 6 脈沖波形的產(chǎn)生 上圖中第一波形為光電傳感器檢測(cè)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)，第二波形即為電壓比較器輸出信號(hào)。 測(cè)電路中的防干擾 電路中使用光電傳感器檢測(cè)點(diǎn)滴速度和警戒值。這樣系統(tǒng)檢測(cè)信號(hào)受到可見(jiàn)光以及測(cè)量調(diào)節(jié)中點(diǎn)滴抖動(dòng)的影響，要使檢測(cè)到的信號(hào)盡量準(zhǔn)確，需要對(duì)系統(tǒng)電路進(jìn)行抗干擾處理。 （ 1）防止可見(jiàn)光干擾 電路中使用了光電傳感器，在接受到發(fā)送的紅外線的同時(shí)，將會(huì)接收可見(jiàn)光。當(dāng)可見(jiàn)光的強(qiáng)度足夠大時(shí)，將會(huì)影響到接收的紅外光信號(hào)的精度?？箍梢?jiàn)光干擾可以使用在光電傳感器探測(cè)頭加遮光罩 ，或使用脈沖頻率調(diào)制的方法。由于系統(tǒng)電路中使用直流電源給光電傳感器提供工作電壓，所以本系統(tǒng)使用在光電傳感器探測(cè)頭上加遮光罩。 （ 2）防抖動(dòng)干擾 電路中需要檢測(cè)儲(chǔ)液瓶中液面高度以實(shí)現(xiàn)報(bào)警，同時(shí)需要檢測(cè)點(diǎn)滴速度及通過(guò)改變 2h 高度實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)滴速度的控制，所以測(cè)量時(shí)被測(cè) 180 裝置將會(huì)移動(dòng)，當(dāng)光電傳感器和被測(cè)裝置之間不能緊密連接時(shí)，檢測(cè)到的信號(hào)誤差，所以要減小被測(cè)裝置移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的抖動(dòng)干擾。本系統(tǒng)中將光電傳感器固定在被測(cè)裝置上，以減小被測(cè)裝置移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的抖動(dòng)干擾。 當(dāng)儲(chǔ)液瓶中液面晃 動(dòng)時(shí)，會(huì)使光敏傳感器產(chǎn)生誤報(bào)警，利用單片機(jī)檢測(cè)信號(hào)時(shí)，適當(dāng)加上一段時(shí)間的延遲，待系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)再測(cè)，可以減小液面晃動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的干擾。 （ 3）干擾的軟件處理。如下圖 4 7 是單片機(jī)輸入信號(hào)的正常波形和異常波形 。 圖 4 7 單片機(jī)輸入信號(hào) 檢測(cè)到正常波形時(shí)脈沖寬度是 t 軟件采集脈沖波形上升沿，則檢測(cè)到異常波形時(shí)，軟件在 t 間內(nèi)只默認(rèn)采集了一個(gè)上升沿，即將另一個(gè)上升沿屏蔽掉，這樣軟件就能將異常波形轉(zhuǎn)換成正常波形進(jìn)行處理。 5系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn) 本系統(tǒng)的核心在 于軟件部分。軟件實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)各個(gè)模塊的核心部分。軟件上主要實(shí)現(xiàn)了一下幾個(gè)方面功能。 滴速度測(cè)量 方式一：以點(diǎn)滴間隔為單位，記錄一次點(diǎn)滴的時(shí)間，用 60 除以點(diǎn)滴單位時(shí)間就可得到每分鐘的點(diǎn)滴數(shù)。這種方法用到除法操作，而且當(dāng)點(diǎn)滴速度較快時(shí)，測(cè)量誤差較大，因?yàn)闇y(cè)量單位點(diǎn)滴時(shí)間的誤差回被 60 秒這樣大的時(shí)間單位放大。但此法在修正點(diǎn)滴速度時(shí)，可以實(shí)時(shí)的測(cè)得當(dāng)前的點(diǎn)滴的速度變化量，適合在調(diào)整滴速度使用。 方式二：以單位時(shí)間記錄點(diǎn)滴數(shù)。通過(guò)簡(jiǎn)單的乘法就可計(jì)算出點(diǎn)滴速度，但此法也存在單位時(shí)間內(nèi)不是完整的點(diǎn)滴數(shù)目，從而存在一 定的測(cè)量誤差。但是，此法在點(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(shù)，這樣可以達(dá)到比較好的精度 。 在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，采用將兩者結(jié)合的方法進(jìn)行測(cè)量。以點(diǎn)滴為單位，同時(shí) 181 記錄單位時(shí)間內(nèi)的點(diǎn)滴數(shù)。通過(guò)對(duì)多個(gè)點(diǎn)滴測(cè)量計(jì)算出點(diǎn)滴速度。實(shí)現(xiàn)原理如下： 圖 5 1 脈沖信號(hào)檢測(cè) 使用定時(shí)器 0T 定時(shí) S200 ，當(dāng)檢測(cè)到第一個(gè)到來(lái)的脈沖信號(hào)時(shí)，程序進(jìn)行中斷處理，將計(jì)數(shù)器存儲(chǔ)內(nèi)容讀出，再將計(jì)數(shù)器清零作為記錄脈沖信號(hào)的初始值計(jì)為 0，當(dāng)定時(shí)器定時(shí)到 達(dá) S200 時(shí)，程序中斷檢測(cè)輸入信號(hào)是否有脈沖信號(hào)到來(lái)，同時(shí)計(jì)數(shù)器加 1 即為 ，另外設(shè)定計(jì)數(shù)器錄檢測(cè)到的脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)，設(shè)定計(jì)數(shù)器 存儲(chǔ)單元是 10，這樣可以通過(guò)循環(huán)存儲(chǔ)脈沖個(gè)數(shù)。在定時(shí)器 取出 5 個(gè)相臨脈沖信號(hào)點(diǎn)（設(shè)起始脈沖點(diǎn)是 x，此時(shí)對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)器 是 1n ，第五個(gè)脈沖點(diǎn)是x+5，此時(shí)對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)器 是 2n ）這樣就能計(jì)算出 5 個(gè)脈沖 點(diǎn)所需要的時(shí)間為： 200)( 12 (5 1) 由式 (4 1)得到相臨脈沖信號(hào)時(shí)間間隔的平均值5 ，這樣就可以得到點(diǎn)滴速度：su 50060 (5 2) 其中 12 根據(jù)上面的理論分析和計(jì)算，得到點(diǎn)滴速度測(cè)量的程序框圖如圖 4 2。 182 圖 5 2 點(diǎn)滴速度測(cè)量程序流程 學(xué)習(xí)的實(shí)現(xiàn) 實(shí)現(xiàn)原理：檢測(cè)液體點(diǎn)滴速度，同 150 滴 /秒進(jìn)行比較，當(dāng)點(diǎn)滴速度小于 150滴 /秒時(shí)，電機(jī)控制點(diǎn)滴裝置上升直到點(diǎn)滴速度到達(dá) 150 滴 /秒。慢慢降低高度，檢測(cè)點(diǎn)滴速度，和相應(yīng)高度建立一一對(duì)應(yīng)列表?？梢酝ㄟ^(guò)兩種方式生成列表。 方式一：等間隔方式生成列表。步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行在非勻速狀態(tài)，以保證等間隔下降。由于高度和點(diǎn)滴速度的近似線性關(guān)系，可以通過(guò)等間隔方式比較準(zhǔn)確的列表，但是實(shí)現(xiàn)電機(jī)的非勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，相應(yīng)的增加了軟件的難度。 方式二：步進(jìn)電機(jī)勻速生成列表 。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，繞線直徑變小，裝置下降位移間隔減小，這樣當(dāng)點(diǎn)滴速度較小時(shí)調(diào)節(jié)范圍便小，調(diào)節(jié)效果比等間隔產(chǎn)生的效果好。 綜合比較，自學(xué)習(xí)過(guò)程使用步進(jìn)電機(jī)勻速方式生成列表。 滴速度控制 通過(guò)改變高度 2h 來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)滴速度的控制，而高度 2h 是由步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)改變的，這樣就可以避免測(cè)量 2h 的值，直接通過(guò)改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角即能實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)滴速度的控制。在對(duì)點(diǎn)滴速度進(jìn)行控制之前，單片機(jī)通過(guò)自學(xué)習(xí)產(chǎn)生高度 2h 和點(diǎn)滴速度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系列表，為了在保證控制精度的前提下，盡量 183 減少控制調(diào)節(jié)的時(shí)間，可以先通過(guò)大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)到設(shè)定點(diǎn)滴速度附近，再通過(guò)微調(diào)將點(diǎn)滴速度調(diào)節(jié)到 1%10 滴的精度內(nèi)。軟件實(shí)現(xiàn)流程如下圖 5 4。 圖 5 4 點(diǎn)滴速度控制程序流程 主要實(shí)現(xiàn)功能：點(diǎn)滴速度檢測(cè)與顯示，設(shè)定點(diǎn)滴速度且可以自動(dòng)調(diào)節(jié)點(diǎn)滴速度。 機(jī)串行通信 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)多機(jī)通信系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)多個(gè)從機(jī)同一個(gè)主機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。通過(guò)串行通信方式實(shí)現(xiàn)主機(jī)對(duì) 從機(jī)站點(diǎn)的定點(diǎn)和旋環(huán)檢測(cè)及對(duì)從機(jī)的控制等功能。串行通信時(shí)在主機(jī)和從機(jī)之間建立通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)主機(jī)和從機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。 圖 5 5 主機(jī)實(shí)現(xiàn)功能 定點(diǎn)檢測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)：定點(diǎn)檢測(cè)主要是實(shí)現(xiàn)單片機(jī)之間一對(duì)一通信。實(shí)現(xiàn) 184 程序流程圖如圖 5 6： 圖 5 6 主機(jī)和從機(jī)之間的定點(diǎn)通信 巡回檢測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)：巡回檢測(cè)的核心是一對(duì)一通信，通過(guò)巡回查詢從機(jī)狀態(tài)，讀取各個(gè)從機(jī)的數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)，即實(shí)現(xiàn)了巡回檢測(cè)。 主單片機(jī)和從單片機(jī)之間的通信，主要是單片機(jī)之間的通信協(xié)議的建 立，即軟件上實(shí)現(xiàn)單片機(jī)之間握手。 單片機(jī)握手的實(shí)現(xiàn)過(guò)程是，主單片機(jī)向從單片機(jī)（編號(hào) 00）發(fā)送通信建立信號(hào) 00，從單片機(jī)接收到請(qǐng)求信號(hào) 00，同時(shí)發(fā)送應(yīng)答信號(hào) 00，主機(jī)響應(yīng)應(yīng)答信號(hào)，既可以實(shí)現(xiàn)主從之間的通信。 6測(cè)試數(shù)據(jù)與分析 試儀器 60字式存儲(chǔ)示波器、秒表，卷尺。 試方法 主要測(cè)試功能包括：儲(chǔ)液瓶中警戒線的監(jiān)視，當(dāng)液面超過(guò)警戒線時(shí)報(bào)警；液體點(diǎn)滴速度的檢測(cè)與控制；單片機(jī)之間的通信，即一個(gè)主機(jī)對(duì)多個(gè)從機(jī)之間的通信。 儲(chǔ)液瓶中警戒線的監(jiān)視：使用示波器觀察儲(chǔ)液瓶上傳感器的波形變化，當(dāng)在警戒 面上產(chǎn)生高低電平變化說(shuō)明傳感器檢測(cè)警戒液面正常； 185 液體點(diǎn)滴速度的檢測(cè)與控制：使用示波器觀察漏斗上傳感器波形變化，在檢測(cè)到一滴液體時(shí)波形出現(xiàn)一次跳變，多采幾個(gè)點(diǎn)，示波器上相應(yīng)顯示幾個(gè)脈沖信號(hào)，通過(guò)示波器上時(shí)間軸計(jì)下采集的幾個(gè)脈沖信號(hào)所用到的時(shí)間，計(jì)算出相臨兩脈沖的間隔時(shí)間，即為相臨點(diǎn)滴之間的間隔時(shí)間 t 秒，通過(guò)式子0 得到點(diǎn)滴速度 v ，同數(shù)碼管顯示值比較，同時(shí)可以通過(guò)示波器觀察點(diǎn)滴速度控制規(guī)律是否正確。 多機(jī)通信：通過(guò)主機(jī)向從機(jī) 發(fā)送控制命令，觀察從機(jī)顯示，完成主機(jī)對(duì)從機(jī)的控制；再通過(guò)主機(jī)讀取從機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，觀察主機(jī)響應(yīng) (顯示與報(bào)警 )，完成從機(jī)向主機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。 試數(shù)據(jù)與結(jié)果分析 （ 1）設(shè)定的警戒值是 2.5 當(dāng)液面下降到 2.8 報(bào)