液滴速度监控

液体点滴速度监控装置Moniting and controlling system of liquid drop speed廖军周盛郑忠军温州师范学院01电子信息学生，温州，325027摘要：利用单片机设计并制作一个智能化的液体点滴速度监测与控制装置。

该装置由水滴速度测试系统、水速控制系统、显示装置、单片机系统、键盘和报警等系统组成。

应用水的压强随着高度差的变化而变化的原理，利用控制步进电动机的升降来控制点滴速度。

点滴速度可用键盘来设定，设定范围为20~150(滴/分)，控制误差范围在10% 1滴左右。

从改变设定值起到点滴速度基本稳定整个过程的调整时间小于3分钟。

同时在水到达警戒线以下时能发出报警信号。

关键字：点滴速度，红外传感，步进电动机，51单片机1.引言目前大小医院中所使用的静脉输液器都是悬挂在病人的上首才能输液，输液速度难以准确限制，这对特护病人和对输液速度有较严格的病人是不方便的。

目前的输液监控报警器笨重、体积大、价格太高，增加医院和病人的费用。

所以如果有液体点滴速度监控装置，必将深受医务人员和病人的欢迎。

因为它有许多的优点，如：可以用按键准确控制速度，可以报警，设备结构简单，费用低等。

所以对液体点滴速度监控的研究十分有意义。

本设计包括以下几部分。

2.方案设计与论证根据题目要求，系统可以划分为几个基本模块，如图6-1所示。

图6-12.1 速度监控的方法利用步进电动机和压强的原理来控制水滴的速度，由公式：P=ρ·g ·h可以知道由于液面高度的从而压强也不同，从而改变液滴的速度。

这样的系统比控制输液软管的松紧更好控制，而且比较容易实现，1米8的高度足以实现速度从20~150(滴/分)的调节。

首先我们利用实验先大概的测出对应的高度所对应的水滴速度，并记下来存在单片机内，到时候就直接调出来。

在滴斗处用红外系统来测量水滴的速度，再在储液瓶到瓶口3cm处装一个红外系统来监控水位。

当在键盘上按入某个点滴速度时，从单片机内调出相对应的某一个高度，然后控制步进电动机转动进行粗调，再利用红外系统进行反馈来细调，直到红外反馈和所按的速度一样为止。

这是软件编程的一种算法，另一种算法也可采用折半查找法，但是由实验已得知其高度与液体滴速成较精确的线性关系（如图6—2所示），所以我们采用了直接粗调与细调相结合的方法。

调好以后由于液面的下降和一些其他的因素，又会产生一些速度的变化，或者本身水滴的速度又不是均匀的，所以调好以后速度有可能自身就会发生变化。

可以利用红外监控，智能化的调整高度来控制速度，就是利用单片机来随时的自我调整。

这样使系统的难度变成用软件来解决，更加的合理，而且更加准确，误差很小。

对各模块的实现，分别有以下一些的设计方案：2.2 步进电动机的驱动要使步进电动机输出足够的转矩以驱动负载工作，必须对控制信号进行放大，实现这一功能的电路称为步进电动机驱动电路或功放电路。

驱动电路是步进电动机应用的关键，是影响其性能发挥和可靠运行的一个最重要因素。

常见的步进电动机驱动电路有三种：双电源驱动电路、斩波限流驱动电路和单电源驱动电路，其中单电源驱动电路采用单一电源供电，结构简单，成本低，但电流波形差，效率底，出力小，主要用于对速度要求不高的小型步进电机的驱动。

虽然像斩波限流驱动电路比较的常用，性能也比较好，但基于实际应用和成本等的考虑，我们选用单电源驱动电路就可以了。

2.3 红外测速红外传感器已经在现代化的生产实践中发挥着它的巨大作用，随着探测设备和其他部分的技术的提高，红外传感器能够拥有更多的性能和更好的灵敏度。

所以利用红外传感器来测量水滴的速度比较好。

因为利用反射式红外传感器很难进行对水的判断，而利用对射式红外传感器，虽然水对红外的遮挡比较弱，但相对反射来说又会强一点。

经过实验发现对射式红外传感器能比较灵敏的测出水滴。

总之，经过一番仔细的论证与比较，我们决定了系统各个主要模块的最终方案如下：电机控速模块：用步进电机来控制储液瓶的高度来达到控速的目的。

图3步进电机的驱动：采用硬件驱动。

红外测速：采用对射式红外传系统。

大概的外型如图3所示。

3.系统的具体设计与实现系统组成及原理框图如图4所示。

以下分为硬件和软件两个方面进行具的分析。

图4系统的硬件设计3.1.1步进电机部分随着生产过程机械化、电气化和自动化的不断发展，出现了各种类型的特种电动机。

这些电动机的工作原理，一般与普通的异步电动机和直流电动机的基本原理近似，但是它们在性能、结构、生产工艺上各有其特殊性，多用于自动控制过程中。

步进电机就是其中的一种。

步进电机是工业过程控制及仪表中的主要控制元件之一。

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。

通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。

您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

3.1.2红外测速红外传感器是作为光电传感器的一种，我们先来介绍一下反射式红外传感器，它是一种可以利用其对物体表面黑度的敏感特性，应用于测量微小的位移。

从光源红外发射管发射出的一定强度的光束到达测量面后，根据物体表面的不同黑度和表面光洁度，部分光散射和反射到红外敏感接收管转变成为和接收管接收到的光强成正比的电信号。

若在具有同样表面光洁度的一块测量面上涂上黑白涂料，有意造成反射光强的不同。

当红外光束的光斑从黑色移动到白色区域时，接收管输出的电信号将产生一个阶跃，阶跃的过程主要取决于光斑的大小、测量面的移动及电信号响应的速度等。

虽然水滴的速度不快，红外线足以响应，但是水是透明的不好反射，它的反射信号几乎没有，所以利用反射式红外传感很难测到信号。

现在我们来看一下对射式红外传感器，其原理和反射式红外传感器差不多，只不过我们经过实验发现对射式红外传感器对水滴的测量信号会更好一些。

对射式光电传感器(以下简称为传感器) 分为投光器和受光器两部分．两者光轴重合在同一直线上。

工作时，投光器发出调制光，被受光器接收，变为电信号。

当被测体进入检测区时，光被遮挡，受光器无光可受．传感器输出状态改变。

光电传感器因为检测无接触、检测距离大、检测精度高而广泛应用于测距、测速、计数、行程控制等。

然而，传感器工作一段时间后，调整好的光轴会发生变化，透镜表面会吸附尘埃、油污，这些引起检测距离减小，甚至无法检测。

因为我们测的是点滴管比较小，而且是贴在上面的，所以干扰会比较小一点，但是我们还是不能忽略了这一点，尽量的减少误差。

具体的电路如图5所示。

图5因为单片机是对负脉冲有效，而对射式光电传感器在没有东西遮挡时受光器端是低电平，有东西遮挡时是高电平，即测量水滴速度时产生的是正脉冲，所以在受光器端和单片机之间加一个非门把正脉冲变成负脉冲。

3.2 系统的软件设计单片机控制电路主要由一片80C51组成。

80C51主要实现对点滴速度的测量并对步进电动机进行控制来调水滴速度和对水位进行判断并声光报警，而且还负责速度和距离关系的一些计算。

单片机是整个系统的核心和控制中心，各系统的数据都是送到单片机进行处理，而且所有的命令都是由单片机发出，所以对单片机的软件设计是非常重要的，它关系的整个系统的功能。

单片机具体电路如图6-7所示。

图63．2．1主要的软件流程图，如图6-8所示：主程序初始化并显示当前的水滴速度，并开两个外部中断，两个内部中断。

由于本系统的重点相对其他的智能化系统来说硬件会比较重要一点，系统的稳定度受客观的影响比较大，所以主程序也相对比较的简单。

外部中断0 是用来监视键盘的，一但有人按了键盘输入某个水滴速度时，单片机就会与单前的速度相比较，速度比它小单片机就控制步进电动机往上拉，速度比它大时单片机就会控制电动机往下调。

在调整的同时单片机又会定时的进行不断反馈，以便更好的控制。

并把当前的水滴速度显示在数码管上。

外部中断1 是用来监视水位的。

一旦水没有堵在光电传感器之间，单片机就会检测到，并且发出警报信号。

图7除以上的功能外，还有水滴的速度测量是通过计算脉冲来实现的，但有时候滴液斗的壁上会有小水珠出现，所以我们设计了一个判断程序，以减少误差。

在水位报警的时候用一个沿时来判断是不是水珠，以免误报，错报等。

4．实际测试利用直尺和秒表测量在不同的高度所对应的水滴速度。

如图8所示。

我们可以看出他们的关系基本上是成正比的。

而且基本上和显示的数值的误差不大，在滴速快的高度误差会高一点。

5．结束语本设计应用的硬件比较多，而且应用到了两处的红外传感器，所以系统很容易受到外界的影响，自然影响很大。

虽然我们应用了单片机的智能控制，但是受一些影响是难免的。

Abstract:The system uses the single chip processor as a core to realize the auto controlling of the liquid drop speed, It uses the processor to control the circuit models, the key board circuit, LED display circuit, infrared detecting circuit, stepping engine drive circuit and liquid level alert circuit. In the system, single chip processor connects all circuit models. When the program starts, first to set the liquid dropping speed, then the processor read the setting data from its P2 port and display it on the LED. At the same time, the processor answers the interrupt to process the data from the infrared circuit and calculate the liquid drop speed, and compares the speed with the speed that is set up by the keyboard. Depend on the result of the comparison, the processor send out the control signal, which is to control the working status of the stepping engine. Through a fixed chain wheel, the engine is connected with the liquid injection bottle. The engine's left or right direction rotating can control the height of the bottle hence to realize the speed controlling function of the system. The infrared detecting circuit andthe single chip processor implement the infrared speed testing circuit together. Based on the working theory of the infrared sensor (infrared transmitter and receiver), to test out the number of drops in the defined time, which is set by the timer of the CPU, then the liquid drop speed can be obtained. The system also can realize the alarm function. When the height h1 is decreased to the alarming value (2-3cm), it gives the alarm signal. This function is also realized by the infrared sensor (infrared transmitter and receiver). When the processor detects the significant signal from the alarm detecting circuit, it acts the alarming circuit.参考文献：[1] 张迎新.单片微行计算机原理、应用及接口技术.国防工业出版社.2000.2[2] 孙涵芳，徐爱卿.MCS-51/96系列单片机原理及应用.北京航空航天大学出版社.1998.7[3] 康华光，陈大钦.电子技术基础.高等教育出版社.1998.8-。