圖2  總體硬件設(shè)計(jì)框圖

    2.1點(diǎn)滴速度控制

    該點(diǎn)滴裝置采用步進(jìn)電機(jī)來調(diào)節(jié)輸液瓶的高度，由于步進(jìn)電機(jī)精度高，無位置累積誤差，可靠性高等特點(diǎn)，能夠滿足其控制滴斗中液滴滴下速度的精確性要求，因其可以通過電脈沖來改變步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角精確實(shí)現(xiàn)輸液瓶的高度控制從而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)滴速度控制。此系統(tǒng)采用L298對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，電機(jī)控制模塊硬件圖如圖3所示。

        

                                   圖3   電機(jī)驅(qū)動模塊原理圖

    2.2 液滴速度檢測控制

    選用光電開關(guān)進(jìn)行液滴的速度檢測，其優(yōu)點(diǎn)是測量范圍遠(yuǎn)，靈敏度高；將光電開關(guān)安裝在滴斗壁上，當(dāng)液滴滴下時，會給光電開關(guān)產(chǎn)生一個信號，通過在一分鐘內(nèi)采集數(shù)個信號所用的時間就可以計(jì)算出液滴滴下的速度。其工作原理如圖4所示。

         

                                  圖4（a） 光電開關(guān)原理圖

              

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

    2.3 單片機(jī)通信總線

    主站與從站之間通信總線采用485總線，通信接口芯片采用SN75LBC184，實(shí)現(xiàn)STC89C52的異步串行接口與RS232C標(biāo)準(zhǔn)串行通信電路之間的電平轉(zhuǎn)換，通信電路可以將16個輸液從站與主站的主機(jī)：連接起來構(gòu)成輸液監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)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，內(nèi)容豐富；其用來顯示液滴滴速和顯示報警信息。

        

                                      圖5   液晶顯示原理圖

    2.5 鍵盤設(shè)計(jì)

    本設(shè)計(jì)采用的是4*4掃描鍵盤，其由四條I/O線作為行線，4條I/O線作為列線，在行線與列線的交叉點(diǎn)上設(shè)置交叉點(diǎn)，使其形成矩陣式排列，如圖6所示。

        

                                     圖6   矩陣鍵盤原理圖

    2.6 警戒線檢測

    利用光電開關(guān)對輸液瓶中液體進(jìn)行檢測，當(dāng)高度低于警戒值給單片機(jī)發(fā)送報警信號。將光電開關(guān)安裝在輸液壁上，當(dāng)液面高于警界線時，會給光電開關(guān)產(chǎn)生一個信號，使其保持高電平，當(dāng)沒有接收到信號時，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(shè)計(jì)

    3.1 液滴速度的算法

    控制輸液瓶的高度來控制液滴地下的速度，假設(shè)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(qiáng)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(qiáng)，假設(shè)所有阻尼為f，假設(shè)在管子的某個截面上產(chǎn)生了重力引起的壓強(qiáng)和一個向上的阻尼，經(jīng)過多次的實(shí)驗(yàn)測試，可以得到其重力引起的壓強(qiáng)和阻尼之間存在著線性關(guān)系，從而對液滴速度產(chǎn)生影響。

                               

                                       圖8   系統(tǒng)框圖

    根據(jù)功率可得方程：

        

    由上式可以得到滴速v的表達(dá)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(diào)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(fù)雜的工程計(jì)算。其實(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。

    在此系統(tǒng)中，PID采用差分方程表示：

   

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

     

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

    通過采集幾個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(jī)驅(qū)動設(shè)計(jì)算法

    此系統(tǒng)采用L298對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，可以通過電脈沖來改變步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角，且能提供步進(jìn)電機(jī)所需負(fù)載。用過該步進(jìn)角來改變輸液瓶的高度從而實(shí)現(xiàn)液滴速度的改變。通過集成芯片L298可以直接驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。本系統(tǒng)中使用的步進(jìn)電機(jī)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。通過集成芯片L298可以直接驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。單片機(jī)輸出四路脈沖信號控制電動機(jī)轉(zhuǎn)動相位角。單片機(jī)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(shù)。通過乘法計(jì)算出點(diǎn)滴速度，此方法在點(diǎn)滴速度恒定的情況下，可以采用多個單位時間取均值，從而求得單位時間的平均點(diǎn)滴數(shù)，這種方法可以實(shí)現(xiàn)較高的精度。設(shè)T=200ms，當(dāng)檢測到第一個到來的脈沖信號時，程序進(jìn)行中斷處理，將計(jì)數(shù)器存儲內(nèi)容讀出，再將計(jì)數(shù)器清零作為記錄脈沖信號的，當(dāng)定時器定時到達(dá)200ms時，程序中斷檢測輸入信號是否有脈沖信號到來，同時計(jì)數(shù)器加1，另外設(shè)定計(jì)數(shù)器記錄檢測到的脈沖信號個數(shù)，設(shè)定計(jì)數(shù)器的存儲單元是10，這樣可以通過循環(huán)存儲脈沖個數(shù)。在定時器中取出5個相臨脈沖信號點(diǎn)這樣就能計(jì)算出5個脈沖點(diǎn)所需要的時間為：

        

    其中sum=n₂-n₁根據(jù)上面的理論分析和計(jì)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(jié)果及結(jié)果分析

    表1

        

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

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