液体滴落的检测与计数.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流液体滴落的检测与计数.精品文档.第四届“恒拓.三龙”杯电子电路设计大赛作品名称： 液体滴落检测与计数 作 者： 孙加速、郑强强、张恩东 指导教师： 任宏伟 联系电话： 18764118921 2012年5月1日 目录 摘要21.设计任务与要求3 1.1设计任务 41.2技术指标 41.3题目分析 42.方案比较与论证 42.1控制器模块方案论证 4 2.2 电机模块方案 5 2.3调速模块 5 2.4红外对管计数模块 52.5系统显示模块 6 2.6、键盘方案模块 6 3. 系统硬件设计: 43.1 系统总体设计: 43.2单元电路的设计分析

2、: 5 （1）各模块供电电源电路: 5 （2）电网电压零点采集电路: 5 （3）可控硅触发调光电路: 6 （4）热释电红外人体感应电路原理图:7 （5）ISD4004-8语音录放电路原理图: 8 （6）语音电路设计:8 （7）温湿度传感部分电路: 9 3.3单元电路的功能以及工作原理的分析: 9 3.4单元电路的功能以及工作原理的分析: 9附录:12摘要本系统采用 MSP430F149单片机作为主控芯片，通过红外对管对液体的精确计数以及对430系统内定时器的合理采用，从而实现对液体滴落的测速。显示部分采用16位色TFT彩屏。液体滴落与检测系统与操作人员之间的交互由彩屏、独立键盘实现，操作人可以

3、通过独立键盘设定滴落速度和数量。应用步进电机对悬挂液体进行闭环运动控制，对点滴速度进行闭环跟踪，达到系统自动调节点滴的速度。低液位报警功能的实现通过红外对管产生下降沿触发中断产生报警信号，蜂鸣器报警并且彩屏显示报警信号，通过232通信将报警信号发送到护士站，从而实现装置的远程监控.关键字： MSP430F149 红外对管 步进电机 TFT彩屏 远程监控 Abstract : The system USES the MSP430F149 microcontroller as the main control chip, through to the infrared of liquid prec

4、ise count to 430 and in the system of the timer reasonable, to achieve the liquid drop speed. Show part adopts 16 colors TFT colour s creens. Liquid drop and detection system and workers of interaction between labeled by independent keyboard realization, operators can through the independent set spe

5、ed and number drops keyboard. Application step motor suspension liquid for closed loop motion control, the intravenous drip speed closed-loop tracking, achieve system to automatically adjust the speed of a bit. Low level warning the realization of the function of infrared produced by to the falling

6、edge trigger interrupt have a warning signal, a buzzer and color display alarming signal alarm. Through the 232 communications will alarm signals sent to the nurse station, so as to realize the remote monitoring device.Keywords: MSP430F149 Red out side to the tube Stepping motor RMONTFT color screen

7、 1设计任务对医用吊瓶注射装置，检测液体滴落速度和数量。滴落速度范围为20-150滴/分钟，可由滴速夹调节。设计检测液体滴落数量与速度，并动态显示。 1.1设计要求 1、基本要求 （1）可检测并动态显示液体滴落速度。 （2）滴落计数误差范围在10%1滴。 （3）储液瓶低液位报警，低液位可调。 2、发挥部分 （1）检测误差不大于5%。（2）设计通过键盘设定滴落速度和数量的控制装置。（3）实现装置的远程监控。1.2技术指标技术稳定精确，速度准确，检测误差小，动态显示滴落数量及其速度1.3题目评析 如何准确的测定液滴数量及其利用单片机内部时钟准确定时，以及红外对管的正确使用时设计本项目的关键所在2

8、方案比较与论正 2.1控制器模块方案 方案一：采用通俗的 51 单片机，运用比较广泛，有良好的知识作为基础，上手很快。但是本系统的程序量较大，需要的IO 口资源较多以及较多的外部中断，51单片机难以胜任。 方案二：系统采用TI公司所生产的超低功耗MSP430F149 单片机为主控制芯片，单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用灵活方便，其内有丰富的片内外设资源。当系统处于省电的低功耗模式时，中断唤醒只需基于上述分析，我们选择方案二。2.红外对管计数模块方案一：计数时由于采用下降沿触发中断，当液滴即将离开红外对管的有效区域时会出现干扰信号，此方案采用硬件消除干扰信号，在地与信号线之间并联电容，

9、电容大小的选择需要经过不断地测试才能找到合适的电容。方案二 采用软件消除干扰信号，在液滴即将离开红外对管的有效区域时加上延时，就能很轻松的消除干扰信号。基于上述理论分析，我们选择方案一。2.3调速模块方案一：改变输液瓶高度控制点滴速度。在输液管截面积确定的条件下，利用储液瓶高度不同所引起的液体压强差的改变，实现对点滴速度的控制。高度的控制可利用小型电机实现，具有结构简单、控制精度高等特点。方案二：改变输液软管截面积控制点滴速度。在输液瓶高度确定的条件下，通过改变输液管导通截面积实现点滴速度的控制。因为输液软管的截面积较小且形变后恢复速度较慢，难以实现点滴速度的精确控制。基于上述理论分析，我们选

10、择方案一。2. 电机模块方案方案一：采用直流电机控制悬挂物体的运动，直流电机力量大，能获得较大的启动转矩，转动速度快，但由于存在机械触点，直流电机容易产生噪声， 而且单独使用时不能完成位置控制，需要配以传感器才能控制定位，增加了系统的复杂度。 方案二：采用步进电机控制悬挂物体的准确运动，步进电机不需要使用传感器就能精确定位，而且通过给定的脉冲周期，能够以任意速度转动，定距运动较精确。虽然步进电 机不能高速转动，但根据题目要求的时间和移动距离，步进电机完全能够符合要求，是该种要求下广泛使用的一种电机。 基于上述理论分析，我们选择方案二。2.5系统显示模块 方案一：采用 LED 数码管显示器。LE

11、D 数码管亮度高，醒目，但是其电路复杂，占用资源较多，显示信息量较小。 方案二：采用16位色TFT彩屏，无字库，编程繁琐但是可以显示各种颜色的字体并且字体的大小可以自定义，微功耗、显示信息量大、字迹清晰、美观、视觉舒适，使整个控制系统更加人性化。基于上面的比较分析，决定选用方案二。2.6、键盘方案模块 方案一：矩阵键盘虽然占用单片机的端口少，节约单片机的硬件资源，但是电路设计较为复杂，开发时间相对较长， 软件设计也相对复杂，主要针对多键盘设计，适用于控制要求高、控制功能多的系统。 方案二：通用简单键盘设计简单，易于实现。利用 430 单片机 P1 口管脚都有中断功能使无论软件还是硬件都易于实现

12、，减少了系统的复杂度。 通过以上分析，决定使用方案二。3 .系统硬件设计 3.1系统的总体设计 根据红外对管的原理，正常情况下接收管接收发射管的发送的红外光线，输出端呈现高电平，当有液滴下落时挡住光线的接收，接收管的输出端呈现低电平，这样利用下降沿是单片机产生中断而计数，再利用定时器的精确定时计算出两个液滴之间的下落时间，从而算出液滴的速度。低液位报警同样利用红外对管实现，报警信号可以通过独立按键取消同时报警信号会通过232通信发送到护士站，护士站将反馈信息通过232通信反应到彩屏, 病人同样可以利用按键通过232通信呼叫护士，实现远程通信。通过键盘设定液滴滴落的速度与数量，当速度达不到要求时

13、，通过步进机的正反转控制点滴瓶子的高度来达到速度的精确控制。系统中加入红外遥控装置，病人也可以通过遥控器实现按键所实现所有的功能。另外达到人性化设计在系统中加入温度、湿度显示模块，这样可以知道当时的温湿度适当调整着装。以上所有的显示模块均通过TFT彩屏显示。3.2 模块单元的设计与分析 (1)红外对管模块电路 当发射管与接收管之间没有障碍时，三极管的集电极呈现高电平；当两者之间有障碍时接收管接收不到信号呈现低电平，当液滴滴落时利用其电平的变化触发中断实现计数。 （）步进电机驱动模块电路（）红外遥控模块电路（）远程监控模块电路（）（） （1）各模块供电电源电路 降压方式比较合理，而且成本较低；耗

14、电量比较小（其实也就是一个效率的问题）。 图1.1阻容式降压电源电路 （2）电网电压零点采集电路 交流电压过零点信号提取电路如图1.2所示，图中的同步信号就是我们需要的交流电压过零点信号。各部分波获取的同步波形如图2.1所示。 图1.2 过零点采集电路 图2.1电网电压波形以及采集零点波形 （3）可控硅触发调光电路 采用光控可控硅来控制双向可控硅，调节导通角，调压，调光电路。可控硅触发调光电路如图1.3所示。 图1.3可控硅触发调光电路 220V交流主电源导通区间、同步信号和触发信号的时序关系如图2.1所示。 改变延时时间可改变触发信号和同步信号的相位关系，也改变了可控硅的导通区间的大小，达到

15、调光的目的。 图2.1 220V交流主电源导通区间、同步信号和触发信号 （4）热释电红外人体感应电路原理图单片机中断 图1.4热释电红外人体感应电路本例所设计的控制电路是以人作为被检测对象的。要求的敏感可控范围是0 3m,即人在3m范围内都可以被传感器检测到,并由控制电路做出相应的操作。系统框图如图1.5所示。 图1.5系统框图（5）ISD4004-8语音录放电路原理图 ISD4004 系列工作电压 3V,单片录放时间 8 至 16 分钟,音质好,适用于移动电话及其他便携式电 子产品中。芯片采用 CMOS 技术,内含振荡器、防混淆滤波器、平滑滤波器、音频放大器、自动静噪及高密度多电平闪烁存贮陈

16、列。芯片设计 是基于所有操作必须由微控制器控制命令可通过串行通信接口(SPI 或 Microwire)送入。芯片采用多电平直接模拟量 存储技术, 每个采样值直接存贮在片内闪烁存贮器中,因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声,避免了 一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和金属声。采样频率可为 4.0,5.3,6.4,8.0kHz,频率越低,录放时间越长, 而音质则有所下降,片内信息存闪烁存贮 器中,可在断电情况下保存 100 年(典型值),反复录音 图2.3 ISD4004-8 10 万次。 （6） 语音电路设计 语音电路图 见附录1 图1.6 语音录放电路（7）温湿度传感部

17、分电路 相对湿度和温度测量 全部校准，数字输出 卓越的长期稳定性 无需额外部件 超长的信号传输距离 超低能耗 4 引脚安装 采用AM2301(DHT21)作为温湿度检测传感器其引脚连接如图1.7所示。 图1.7AM2301电路连接 3.3单元电路的功能以及工作原理的分析 随图已做分析 3.4发挥部分的设计与实现灯泡的的故障检测采用的是但系统已经触发可控硅导通后首先检查灯泡两端是否有电压的存在，然后检查是否灯泡正常发光来判断是否灯丝已经烧坏。灯泡电压检测部分电路采用采集灯泡两端电压降压光耦隔离后输出。灯泡发光检测采用的是光敏二极管检测灯泡光强的方式。通过逻辑与非门电路送入单片机进行处理。具体电路

18、如图3.1所示 图3.1灯泡故障检测电路 （1）语音备忘录设计 可以自行录制备忘录，并设置日程闹钟当到达日程设定的时间后，语音提示备忘录内容，是更加方便使用。 （2）坐姿矫正设计 利用光电开关来探测人体的坐姿，当发现距离书本较近，或者身体前倾过大是会语音提示“请注意坐姿”此功能可以设置开启或关闭。 （3）万年历功能 显示时间、年份、国家法定节日、可以查看阴历，具有语音报时，语音闹钟，语音提示节日等功能。参考文献： 【1】童师白、华成英。模拟电子技术基础。北京:高等教育出版社。2006年 【2】江和。 PIC16系列单片机C程序设计与PROTEUS仿真北京:北京航空航天大学出版社,2010.07 【3】王南阳。新型实用集成电路应用手册系列。机械工业出版社， 第一版 2006.01.01附录: 附录1语音电路附录2过零点采集 真实图像脉宽调制附录3触发信号