（农业电气化与自动化专业论文）光阻法颗粒计数器研究及其软件系统设计.pdf

沈刚农业大学硕士学位论文 光糙法颖粒计数器硒究及其软伴系统设计摘要 研究生：张志军导师：纪建伟教授 随着现代工业的发展，许多行业对工作介质( 气体或液体) 以及生产环境浩挣度的 检测提出了越来越高的要求。目前，对液体中颗粒状污染物的检测方法很多，如重量分 孝厅法、显微镜i 去、库尔特法、光散射法和光阻法等，其中光阻法因其测量速度快、适用 范围广、自动化程度高等优点，成为检测液体中颗粒污染物的一个主要方法，并已形成 集光、机、电和计算机技术于体的颗粒检测仪器。 该文对光阻法的检测原理和光阻法颗粒计数器的总体设计方案进行了研究对颗粒 计数器的信号采集与处理部分的硬件构成和取样方式的改进作了深入的分析。颗粒计数 器以单片机作为控制系统的核心，能够独立运行，进行液体中颗粒污染物的检测，但受 到单片枫存储容量赫限制，不能对历史数据进行保存为了将稳测结粜保存在上位机( p c 机) 颗粒计数器需要与上位机联机运行。颗粒计数器与上位机联机后的操作方式与常 见的其它仪器不同，联机后既可以通过仪器的触摸屏进行操作，也可以在上位机通过专 用软件避行操作e 基于以上研究，完成了颗粒计数器专用软件的设计与开发工作，软件 由系统管理模块、实时监控模块、数据管理模块和帮助模块构成。目前该颗粒计数器已 经有4 0 台交给用户使用用户的使用报告表明颗粒计数器的检测速度快、性能稳定， 它的专用软件功能完善、运行可靠，对于提高颗粒污染检测的教率和荧活性商重要的现 实意义。 关键词：毙阻法，颗粒计数器，检测，串纷通信 英文摘要 s t u d yo nl i g h tb l o c k a g ep a r t i c l ec o u n t e r a n ds o f 啊a r es y s t e md 舔i g na b s t r a c t c a l l d i d a t e ：z h a i l gz h i j u ns u p e r v i s o r ：p r o f j ij i a n w e i w i t l l 5p 两个通道的颗粒含量。 ( 4 ) 油液n a s l 6 3 8 ，检测5 o 、1 5 0 、2 5 0 、5 0 o 、1 0 0 0um 五个通道的颗粒含量， 并按n a s l 6 3 8 标准给出油液的清洁度等级。 ( 5 ) 油液i s 0 4 4 0 6 ：检测4 0 、6 0 、m 0pm 三个通道的颗粒含量，并按i s 0 4 4 0 6 标准给出油液清洁度等级。 ( 6 ) 自定义标准，设计了两个自定义标准，允许用户在八个通道中，任意设置通 道粒径、任意选择通道进行检测。 2 l j l 5 0 型颗粒计数器的原理结构参考美国h i a c r o y c 0 公司的h i a c 8 0 0 0 计数器、 3 0 0 0 a 取样器和h r l d l 5 0 激光光阻传感器，性能指标与其基本相同，l j l 5 0 型颗粒计数 器的特点如f ： ( 1 ) 采用光阻法原理，各种分散介质透明的液体检品可直接进行检测。 ( 2 ) 根据液体自动颗粒计数器标准i s 0 1 1 1 7 1 进行校准，传感器分辨率小于l o 。 ( 3 ) 采用柱塞泵取样，取样体积可以自定义：取样精度高，误差小于l ；取样速 度稳定。 ( 4 ) 采用大屏幕液晶显示，触摸屏操作，简单易学。 ( 5 ) 数据处理功能丰富，可根据标准给出液压油等级，绘制分布直方图等。 3 1 2 颗粒计数器的工作方式 本文研究的l j l 5 0 型颗粒计数器以8 9 c 5 l 单片机作为控制系统的核心，它能够脱离 上位机独立运行，用户的操作通过它的触摸屏完成，包括包括检测操作、清洗操作和系 统设置等。 受到单片机存储容量的限制，颗粒计数器不能对历史检测数据进行保存，仅能保存 当次的检测数据，用户需要保存数据只能通过颗粒计数器的内置打印机打印出来这种 数据保存方式不便于对历史检测数据进行统计分析，为了将数据传到上位机保存，颗粒 数据保存方式不便于对历史检测数据进行统计分析，为了将数据传到上位机保存，颗粒 第三章颗粒计数器总体设计 计数器需要与上位机联机运行，联机运行图如图3 1 所示。 固3 1 翱粒计数器联机运行图 f 嘻3 1 0 n i i n en l n n 吨d i 删o f p b r d c l ec 0 岫t e r 与上位机联机后颗粒计数器有两种操作方式，一是用户仍然在颗粒计数器的触摸屏 完成操作；二是在上位机监控方式下运行，这种方式下，上位机( p c 机) 是主机，下位 机( 颗粒计数器) 是从机，下位机的触摸屏输入失效，颗粒计数器直接接受上位机的指 令控制，用户的所有操作在上位机通过颗粒计数器的专用软件完成。颗粒计数器两种操 作方式的实现将在第四章和第五章进行详细讨论，本章将对颗粒计数器的系统构成、信 号的采集处理以及取样方式加以分析。 3 2 颗粒计数器的系统构成 3 21 光阻法检测原理 光阻法检测原理如图3 2 所示，图中上下较宽中部较窄的部分为光阻法传感器的液 流通道，通道狭窄处是检测区，也是激光光源照射的区域，激光光源发出的光经过透镜 组后变成一束非常均匀的平行光束穿过检测区，经检测区窗口( 窗口由透明的光学材料 制成) 照射到光电接收器上。液体在取样系统的负压作用下以恒定流速流经检测区，液 流方向与光路方向垂直。当液流中没有颗粒通过检测区时，光电接收器上接收到的光强 恒定，经光电转换后电路输出恒定的电压，当液流中有一个颗粒通过检测区时。由于颗 粒的遮光效应，使光电接收器上接收到的光强度瞬间衰减，经光电转换后电路输出一个 电压负脉冲，其脉冲幅值计算如式( 3 一1 ) 所示。 岛= 一三e ( 3 1 ) 沈阳农业大学硕士学位论文 壤黼辩 围3 - 2 光阻法檀撕愿理墨 3 2s 曲m “c d l 8 9 “。f l i 卿龇咎 式( 3 一1 ) 中，e 为光电转换后输出的电压，d 为颗粒在光电接收嚣靶面上的投影硬 积，4 为光电接收器靶面上的光束照射面积，占为恒定电压。本文研究的光阻法传感器 e 为十6 v ，若颗粒为球形或以等效粒径描述该颗粒受0 得到式( 3 2 ) 。 鼠：一垄竺6 ：_ 4 7 l 。空二( 3 2 ) ” 4 4爿 式( 3 2 ) 中，为颗粒的等效粒径，出式( 3 2 ) 可知，当恒定电压e 为定值对，输出 脉冲的幅值与颗粒的投影面积成正比，即与颗粒的等效粒径的平方成正比，因而直接反 映颗粒的尺寸。一个电压负脉冲，代表一个颗粒，该负脉冲的幅值代表该颗粒的粒径。 该负脉冲经过反相放大后，变成幅值更大的正脉冲，正脉i 孛个数仍代表颗粒数目，其幅 度仍代表颗粒的粒径。 传感器输出的电压正脉冲传输到模拟比较器，比较器的阈值电压是要测定的颗粒尺 寸所对应的电压值，是预先设置好的。当脉冲电压幅僵大于瓣使电压时，比较器就输出 一个脉冲，每个比较器后面有一个计数器，它可以记下比较器输出的脉冲的数墓。也就 是大于某一粒径的颗粒的数目。比较器的个数也是通道的个数，它决定了产生计数脉冲 第三章颗粒计数器总体设计 的缝数，本文研究的光阻法传感器最多可设鬣8 个通道。传感器的输出信号要同时传输 到这魑通道，各个遥道的计数脉冲是大于本通道阚值电压的脉冲盼数嚣。搬据传感器的 校准曲线，预先将备个通道的阈值电压设置在要测定的颗粒尺寸相应的电压值上，这样 就可以测定被测液体的粒径分布。 3 。2 2 控制器统的构成 下面按照光阻法颗粒计数器工作原理来介绍控制系统的构成控制系统结构如图 3 3 所示。单片机采用8 9 c 5 1 ，它通过i o 接目芯片8 1 5 5 控制各电机的运转，这里的升 降电机、拄寨泵电楗、三通阀电规都是步进电机。 田3 3 控制系统方框蝈 f l 岳3 - 3 b i o c k d i a 踟o f c o n 们ls y s t 嘲i 1 取波与排液。取样系统开始取液前，传感器连同与其液流通道相通的取样头在 升降电机带动下下降到相应位置( 该位置用户可以自己设定) ，取样头浸入样品杯内的 液体中；两向三通阀的阀芯在步进电机带动下转动一定角度使柱塞泵与样品侧的管路接 通：柱塞泵的柱塞在柱塞泵电机带动下缓缓下移，样品杯中的液体在柱塞泵的负压作耀 下进入管路，流经传感器检测区、三通阀、进入柱塞采，柱塞泵中的液体体积达到用户 设定的取样体积后停止；三通阎的阀芯转动一定角度使柱塞泵与废液侧的管路接通，柱 沈阳农业大学硕士学位论文 塞向上移动，液体通过兰通阀被排入凌液杯中，这样颗粒计数器完成了一次检测操作。 2 传感器输出信号的处理。被测液体流经传感器的捻测区时，液体中颗粒的遮光 作用被传感器转换为电压脉冲信号，然后送入8 个通道进行计数一单片机读取各通道的 计数结果经处瑾后在l c d 屏上显示船对应通道颗粒数的积分值与微分值。朗值电压是 一个非常耋要的参数，8 个通道的标定就是调整8 个通道的阚俊电压。阈值电压可以由 电位器产生，也可以由数字电位器产生，还可以由d a 转换器产生。图中的阚值电压足 由一个8 路d a 转换器i 。t c 2 6 2 0 产生的，数字以串行方式输入，8 个独立的输出运算放 大器产生模拟信号作为冬通道的阚值电压。 3 步进电机精度控制。用来驱动柱塞巢的步进电机的精度主要是靠步进脉冲的个 数来控制的，采用光栅方式来判断是否存在失步现象。比如三通阔的驱动，也是采用步 进电机，三通阀的轴上刚性连接着一个光栅盘，该光栅盘只有一个援，开口1 2 0 。，步 进电机驱动阀芯转动，带动光栅盘转动，通过设计使得当检测到光栅孔的两个沿时，就 达到两向三通阀的进液或排液位置。自检时，三通阀的润芯转动到j 非液位置。 4 搅拌电机。为了使液体中的颗粒均匀悬浮，必须对液体样品进行搅拌，搅拌方 式一般有两种，电磁搅拌和玻璃棒搅拌。本颗粒计数器采用的是电磁搅拌方式，搅拌电 机位于样品杯的正下方，通过改变直流电机的电流大小来改变搅拌电机的转速，从而使 与电机转轴相连的磁捧改变转速，带动样品杯中的搅拌转子中的磁芯改变转速，搅拌电 机的转速越快搅拌转子转动越快。通过调节数字电位器的滑动点。可以调节驱动( 三极 管) 的输出电压，从而调节搅拌电机的转速。 5 触摸屏。采用电阻式触鬟羼，它输出两组电阻僮信号，表示触摸点的x 、y 位置。 电路把这两个电阻值转换成电压，再转换成数字送入单片机，单片机就可以得到该触摸 点的位置，程序流程中根据该位置信息进入相应的处理模块。由于触摸屏内部已经设置 了串行的a b 转换器，腰以，触摸屏及其电路产生豹信号已经是串行的数字信号。 6 用户操作。用户主要通过触摸屏操作，也可以通过标准键盘输入相关信息，如 被测样品的信息和通道标定时各标定点的粒径值和标尺值的输入等，可供选择的菜单项 和用户操作的结果帮在l c d 上鼹示出来。 7 打印、通信接口。打印、通信接口芯片采用姒x 2 0 2 ，它能够实现单片机与上位 机及打印机之间的通信。当次的检测数据报告可以通过打印机直接打印出来，打印内容 用户可以自己设定，有关单片机与土位机的通信将在第四章详鳐阐述。 第三章颗粒计数器总体设计 3 3 信号的采集与处理 信号采集与处理是系统的重要组成部分，其主要作用是将被测液体中的颗粒的遮光 彀疲转变成相应的电脉冲信号，荐对这些赫冲进行放大、比较衙变成数字信号送入计鼗 器，然后内单片机读取计数结槊。信号采集与处理部分由传感器、放大电路、比较器和 计数器组成。 3 3 激光先阻涪传感器的设计 激光光阻法健感器是光阻法颗粒计数器的核心，它设计的好坏直接关系到颗粒计数 器的分辨率和计数准确性。本课题研究的光阻法传感器借鉴了美国h i a c r o y c o 公司生 产的光阻法传感器的设计原理。 圈a 叶持醛器的电路方框龋 啦3 4 8 1 0 c k d i 8 鲫o fs e l l c i m u i 光阻法传感器的电路方框图如图3 4 所示，光电接收是由光电二极管来完成的检 撄j 区没有鬏粒通过时，光奄二极管接收到的是激光器发兜管发出耱恒定兜强的光信号， 产生正比于光信母的恒定电流，因此经电流电压转换后的电压也是恒定使( 实际电路中 a 点的恒定值为+ 6 v ) ，检测区中颗粒通过的瞬问，光电二极管接收到的光信号突然衰减， 那么电流衰减，继顽a 点的电压佳减小，颗粒完全通过捡渊区詹，a 患豹电压僮又恢复 恒定值，也就是说，颗粒通过的瞬间在a 点产生了一个电压负脉冲，该脉冲的幅值蜓比 于颗粒对光束的遮光面积。 丽时，为了消除高频噪声的澎响，电路中采用了低通滤波，然后对电压脉冲同槽放 大，最后进行放大倍数为一l 的反相放大得到传感器的输出脉冲，该输出脉冲是一个电 压正脉冲。 1 折线型放大电路设计 ( 1 ) 为了保证既能检测小脉冲又有很宽的测量范围，在同相放大中可以对光电转 一一一里旦堡些茎鲎堡主堂些墼一 换后的脉冲进行指数型放大袋折线型放大，本文采用的魁折线型放大。折线型放大的电 路原理如图3 5 所示。 圉3 _ 5 折线型放太电路 f 3 - 5f i u r dm p l l 0c l c u n 这里需要将二极管的作用加以解释，二二极管选用的是l n 4 1 4 8 ，其导通压降为o 3 v ， 该放大电路为同相比例放大电路，其翰出电压u 与输入电压阢的关系如下： 当c 一虬 o 3 v 时，以= + o ，3 v = “3 + o 3 v 由以上两式可以计算出二极管临界导通时的乩值为0 0 4 v ，u 值为0 ，3 4 v ，放火电 路输出电压u 与输入电压弘的幅值关系如图3 6 所示。 裟 i 悉 豢徽 舳： ol 2 0 3 0 0 04 。0 0 精 电瓜n v 圈3 - e 折线型放大电路犏 输出关系 3 - 6r c l a t i o i l s 哳b e t w 蝴m 州扎do 脚u t o f n 吼u 咖姗p l 毋c i r c l i i t ( 2 ) 二极管导通前u 1 的幅值与粒径成平方关系：导通后，u 的幅值与粒径成线性 关系，相当于对q 进行了“压缩”，“压缩”后前后虽然与u 的幅值与粒径的荧系不同， 但在变化曲线上仍然是单调增加的，u 幛值与粒径的关系仍然是一一对应的荧系，那么 在校准时只要对比较器的阈值电压进行台理的设定，就能检出大于某一粒径的颗粒数， 便可以实现对颗粒粒径的测量。 第三章颗粒计数器总体设计 ( 3 ) c 点的脉冲经过为一1 倍的反相放大后得到传感器的输出脉冲，实际电路中， 2um 的颗粒在传感器输出端对应的电压脉冲幅值大约为1 0 3 m v ，1 0 0um 的颗粒对应的电 压脉冲幅值大约为3 5 0 0 v 。 2 双闭环稳光电路设计 ( 1 ) 电路系统的稳定决定仪器最终性能的稳定，由于电气元件参数往往随时间和 温度变化发生漂移，在高精度分析仪器的设计中，这种漂移常常是非常难以解决的问题。 光阻法传感器的检测区中的所产生的颗粒脉冲信号幅度主要受激光器光强决定，另外还 受到光电管转换效率、检测窗的透光度、放大倍数等因素的影响，其中任何一个参数发 生变化都会影响颗粒脉冲信号幅度的变化，进而影响测量精度。 ( 2 ) 为了达到高稳定度，本文研究的光阻法传感器采用独特的双闭环稳光电路， 其中一级闭环为半导体激光器稳光电路，通过激光器光敏管接收光强反馈到激光器稳光 电路，进而控制激光器驱动电流，达到很好的恒定光功率输出的作用；另外一级闭环利 用光电放大输出直流电平与积分基准电平进行比较，将积分器的输出反馈到激光器稳光 电路，微调激光器驱动电流，使光电放大输出级的电压，在没有颗粒通过检测区时稳定 在特定的数值上( l j l 5 0 型颗粒计数器为+ 6 v ) 。从而有效地克服了上述漂移问题，使接 收到的光电脉冲稳定可靠。 3 32 比较计数电路的设计 1 比较计数电路的构成 n 4 a 传感器 输出 围3 7 比较计数电路方框图 f 嘻3 - 7 8 1 0 c kd l 蝉蛐o f c o m p 蛊r i n g 衄do m j l l t 堍c 打c i l n 比较计数电路方框图如图3 7 所示，比较器选用，i j m 3 3 9 集成块内部装有四个独立 的电压比较器，8 个粒径通道需要2 片l m 3 3 9 ，图中用分别n 4 、n 5 表示，a 、b 、c 、d 沈阳农业大学硕士学位论文 表不其内部的四个独立电压比较器；计数器选用i n t e l8 2 5 3 ，i n t e l8 2 5 3 是可编程定 时器计数器，片内有三个独立通道，每个通道均为1 6 位减计数器，8 个粒径通道需要 3 片i n t e l8 2 5 3 ，图中分别用d 6 、d 7 、d 8 表示( d 7 省略) ，通道1 8 的阈值电压来自 d a 的输出。 传感器输出的电压脉冲幅度高于闽值电压时，比较器就输出一个计数脉冲，低于阈 值电压就不输出，阈值电压也叫基准电压、门限电平。 2 关键器件的工作原理 ( 1 ) l m 3 3 9 集成块内部电压比较器的特点是：失调电压小，典型值为2 m v ；电源电压范围宽， 单电源为2 3 6 v ，双电源电压为l v 1 8 v ；对比较信号源的内阻限制较宽；共模范 围很大；差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；输出端电位可灵活方便地选 用。 l m 3 3 9 类似于增益非常大的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。 如图36 所示，两个输入端一个称为同相输入端，用“+ ”表示，另一个称为反相输入 端，用“_ ”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加个固定电压做参考电压 ( 也称为门限电平，它可选择l m 3 3 9 输入共模范围的任何一点) ，另一端加一个待比较 的信号电压。 这里将同相输入端作为参考电压，各比较器的参考电压即预先设定的各检测通道 的阈值电压；反相输入端作为信号输入端。当“”端电压低于“+ ”端时，输出管截 止，比较器输出高电平；当“”端电压高于“十”端时，输出管饱和，比较器输出低电 平。两个输入端电压差别大于o 1 m v 就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状 态，因此，把u 1 3 3 9 用于检测弱信号是比较理想的。 l m 3 3 9 的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正 电源之间须接上拉电阻，选不同阻值的上拉电阻会影响输出端的负载能力，因为当输出 晶体三极管截止时，它的集电极电压取决于上拉电阻与负载的比值。 ( 2 ) i n t e l8 2 5 3 i n t e l8 2 5 3 具有3 个功能相同的1 6 位减计数器，每个计数器的工作方式及计数常 数分别由软件编程选择，可进行2 进制或2 1 0 进制计数或定时操作，与8 9 c 5 1 连接简 单，最高计数时钟频率为2 6 z ，可以满足颗粒计数的需要。 第三章颗粒计数器总体设计 每个计数器有三根i 0 线：c l k 为时钟输入线，在这罩作为计数脉冲输入端：0 u t 为计数器输出端，当计数器减为零时输出相应的信号；g a t e 为门控信号，用于启动或禁 止计数器工作。 圈3 8i n t i8 2 5 3 结构框图 f 培3 bn l 埘8 2 5 3f u n c c i o n md i a g 啪“ c l k 0 g a t e 0 o o c i 瓜1 0 姗1 o u t i c l 砒 g 1 e 2 0 u t 2 计数器工作方式由编程设定，将控制字写入控制寄存器，来选择每一个计数器的 工作方式，控制字的格式如下： d 7 d 6d 5d 4d 3d 2d 1 d o s c l 、s c 0 ：选择计数器；s c l 、s c o 取值0 0 、0 1 、1 0 、1 1 分别对应计数器0 、计 数器l 、计数器2 、非法。 r l l 、r l o ：用来设定对计数器的读写顺序，计数器的闩锁操作用于计数过程中 的读数；r l l 、r l o 取值0 0 、0 1 、l o 、1 1 分别对应计数器闩锁操作、只读写高字节、只 读写低字节、先读写低字节后读写高字节。 b c d ：用来确定计数方式，b c d = 0 按二进制计数，b c d = 1 按b c d 码进制计数。 - m 2 、m l 、m o ：用来设定计数器的工作方式， 1 2 、m 1 、m o 取值0 0 0 、0 0 1 、0 1 0 、叭l 、 1 0 0 、1 0 1 分别对应方式0 、方式1 、方式2 、方式3 、方式4 、方式5 。 在对i n t e l8 2 5 3 的控制中，这早选用8 9 c 5 l 的p 3 5 进行g a t e 门控控制，当p 3 5 置高电平时，丌始计数。计数前，需要对i n t e l8 2 5 3 进行初始化，使i n t e l8 2 5 3 在方 式5 下工作，对i n t e l8 2 5 3 的通道清零处理；由于需要不断显示颗粒数量的变化，计 数过程中将计数器的读写顺序置为闩锁方式，不断飞读计数器的数值。 沈刚农业大学硕十学位论文 3 4 取样方式的改进 1 取样的功能就是在一定的真空、正压或柱塞泵抽吸等作用下，使含有颗粒的液 体以恒定的流速通过传感器的检测区。为了得到单位体积的颗粒含量，颗粒计数装置应 当具有对所测体积进行计量的功能。现有的计量管取样方式缺点很多，取样精度低，而 且取样体积只能为某个定值1 l 或5 m 1 。一方面在对某地体积小于颗粒计数器取样体积 的待测样品如小针剂注射液，颗粒计数器只能采取将数只样品进行合并检测，这种方法 不能反映单只被检样品的真实数据，而且在台并过程中容易带来污染；另一方面对于某 些体积远大于颗粒计数器取样体积的待测样品，每次抽取较小的体积而又难以反映样品 的整体情况，采用增加检测次数的方法虽然可以使误差减小，但这将使得操作变得复杂。 因此必须对计量管取样方式进行改进。 2 本文提出一种设计合理、工艺简单、采用全体积取样方式的取样器，以克服上 述现有取样方式的不足，取样器结构如图3 9 所示，通过下述技术方案予以实现。 j 柱塞泵一2 光栅3 支撑扳一4 柱塞，5 拖动板6 传动丝母- 7 干车动丝杠，8 直撙板二- 9 两向三通闻 1 0 传感器，l l 样品杯，1 2 废液杯，1 3 光耦器。1 4 步进电机15 主动带轮，1 6 传动带17 从动带轮 闺3 一。取样静结构 n g3 9 s m o f m p j 目 ( 1 ) 柱塞泵、光栅和光耦器均固定在支撑板一上。两向三通阀的一端固定与柱塞 泵相连通，另一端或者与左端相通，或者与右端相通，左端通过光阻法传感器液流通道 与样品侧的管路接通，右端与废液侧的管路相通。固定于支撑板二的步进电机与主动带 轮轴连接，主动带轮通过传动带带动从动带轮转动，从动带轮与传动丝杠固定。拖动板 与传动丝母固定，通过传动丝杠的转动由拖动板推动柱塞泵的柱塞上、下位移，从而实 第三章颗粒计数器总体设计 现柱塞泵的取液和排液。 ( 2 ) 柱塞在移动过程中，光栅会随之转动，由光栅的转动使光耦器产生脉冲，产 生的脉冲个数与柱塞的位移成正比，也就与取样体积成正比，通过控制电路记录脉冲个 数，从而得到取样体积。当取样体积大于柱塞泵最大取样量时( l j l 5 0 型颗粒计数器一 般选用1 0 m l 柱塞泵) ，两向三通阀与废液侧相通，杜塞泵的柱塞向上移动排出废液，再 向下移动接着进行下一次的取样，这样就可以刘人于柱塞泵体积的样品进行取样，从而 实现了对被检测液体的任意体积取样。用户可以在检测设置中将取样体积选为“全体 积”，检测开始后，利用手动方式进行停止，就可以完成对样品的全体积取样了。 ( 3 ) 在速度设置中，可以完成柱塞取样速度( 设置范围5 m l m i n 2 5 m 1 m i n ) 、回 推速度( 设置范围5 m l i n 6 2 5 l m i n ) 、和清洗速度( 没置范围5 m l m i n 6 2 5 m l m i n ) 三项的设置。由于检测速度对检测结果有至关重要的影响，所以颗粒计数器的取样速度 设置一定与颗粒计数器标定时使用的取样速度保持一致，不能随便更改。 ( 4 ) 采用柱塞泵取样具有以下优点： 由于采用柱塞泵，测量过程中，流速均匀，粒径相同的颗粒，产生的电脉冲幅度、 宽度更一致，使得颗粒计数器分辨率较高，重复性好，计数准确性更高。 取样速度可以在设计时预先确定，而且不因样品粘度而变化，适合各种粘度的样 品。 取样体积可以任意设定，且取样体积准确，颗粒计数器能准确给出取样体积的值。 沈阳农业大学硕士学位论文 第四章串行通信的设计与实现 颗粒计数器以8 9 e 5 l 单片执为接心，p c 机与8 9 e 5 l 单片极之间的邋信是系统设计时 应首先考虑的问题，本章将具体讨论上位机( p c 机) 与下位机( 8 9 c 5 l 单片机) 通过串 口实现串行通信的方案设计，包括串行接口的选择、串行通信硬件电路的设计、通信协 议的话4 定以及上位机和下位机透信软件的实现。 4 1 串行通信的硬件设计 4 1 1 串行通信接口选撵 1 p c 极与单片视之弼的递信，比较常用的方法如下( 求是科技等，2 0 0 4 ( b ) ) ： ( 1 ) 利用r s 一2 3 2 串口，对于单片机通常只需要通过1 片2 3 2 芯片就可以实现电平 转换，实现和p c 机之间的全双工的数据传送，很多情况下使用3 根线就可以了。 ( 2 ) 利用u s b ，数据传输率高，但成本也较商，硬件和软件的开发过程托较复杂。 ( 3 ) 井口，通常单片机的并口读写速度远远低于p c 机的井口。 e 较可行的办法 就是用双向的r a m 作为一个缓存。规定r a m 中的一部分由p c 机写，单片机只读；部分 由单片杌写，p c 机只读。通常该方法霈要观测p c 机的并嗣硬件上的时净，比较麻烦。 比较丽砉，馊用r s 一2 3 2 串n 协议，可以重复利用p c 机w i n d o w s 环境中对串口操作 的简便性，硬件调试工作也最简单，故通常只要数据传输速度在r s2 3 2 可实现的范围 内就选用串口作为p c 机和单片机之间通信的端口。 2 r s 一2 3 2 接口 串行通信接口标准经过使阁和发展，目前已经有多种。但都是在r s 一2 3 2 标准的基 础上经过改进而形成的。r s 一2 3 2 一c 标准是美国e i a ( 电子工业联合会) 与b e l l 等公司 一起开发并予1 9 6 9 年公碡i 的通信协议。它适合于数据抟输速率在o 2 0 0 b j t s 范围 内的通信。 由于通信设各厂商都生产与r s 一2 3 2 制式兼容的通信设备，因此，它作为一种标准， 目前已在p c 枧通信接口中广泛采用，它不仅已棱内置于每台计算机，同时也被内置于 从微控制器到主机的多种类型的计算机及其相连接的设备。r s 一2 3 2 常用于连接一个 m o d e m ，其它拥有r s 一2 3 2 接口的设备包括打印机、数据采集模块、测试装置和控制回路， 男辨，r s2 3 2 也w 以壹接应用予计算机闻的简单连接上。r s 一2 3 2 有如下优点： ( 1 ) r s 一2 3 2 应用广泛。每一台p c 机都有一个或多个r s 一2 3 2 端口。相对u s b 接口， 尽管传输效率低，但是由于成本低、设计简草，在控制简单的数据采集等方面仍然是最 第四章串行通信的设计与实现 理想的p c 接口。 ( 2 ) 在微控制器中，利用接口芯片如m a x 2 3 2 ，可以很方便的将一个t t l 电平转换 成r s 一2 3 2 。 ( 3 ) 连接距离可以达到2 0 m ，而u s b 连接最长为5 m 。 ( 4 ) 对于简单的双向连接，只需要3 条数据线。而并行连接一般需要8 条数据线、 两条或者更多的控制线信号线和几条接地线，这使得连接成本也比较高。 ( 5 ) 最近，出现了很多更快和更复杂的接口技术，但是因为r s2 3 2 的硬件编程要 求相对简单，价格也较低，而且现有设各中很多都内置了这种嵌入式的接口。另外， r s 一2 3 2 也产生了许多派生产品，尽管它们更快或者更便宜，但是在很多方面始终保持与 r s 一2 3 2 的兼容。 4 1 2 串行通信的电路设计 1 在串行通信中，数据与信息的交换是主要完成的任务，下面将详细介绍串行通 信的硬件电路设计。8 9 c 5 1 单片机有一个全双工的串行通讯口，串口信号电平为t t l 电 甲，逻辑1 大于3 6 v ，逻辑o 小于0 3 v 而p c 机的串行9 针接口是r s 一2 3 2 电平的， r s 一2 3 2 电平采用负逻辑：一3 v 一1 5 v ( 逻辑1 ) ，+ 3 v + 1 5 v ( 逻辑0 ) 。要实现p c 机与 单片机的串行通信，两者之间必须有一个电平转换电路，本文采用了专用驱动器接收 器芯片m a x 2 0 2 进行转换。在最简单的r s 一2 3 2 直接通信中，只要发送和接受双方同时准 备好，仅用信号发送端( t x d ) ，信号接收端( r x d ) 和信号地( g n d ) 三根线即可进行 通信。本文采用的就是这种三线制的串口连接电路如图4 1 所示。 2 由于8 9 c 5 1 只有一个串行口，除了与上位机进行双向的通信外，还需要将打印 的数据通过串行口传给打印机，因此必须对8 9 c 5 1 的串行口进行扩展，这里采用g a l l 6 v 8 将8 9 c 5 1 串行口的输出由路变为两路，g a l l 6 v 8 的管脚3 的高低电平决定串行口的输出 是给上位机还是给打印机。打印机属于输出设备，因此下位机的串行口输入不需要再扩 展。 3 8 9 c 5 l 的串行通信口为全双工接口，即接收发送可同时进行。它的串行口主要 出两个物理上独立的串行数据缓冲器s 叫f 、发送控制器、接收控制器、输入移位寄存器 和输出控制门组成，其中发送数据缓冲器s b u f 只能写入，不能读出，接收数据缓冲器 只能读出，不能写入，两个缓冲器共用一个地址9 9 h 。写入s b u f 装入发送寄存器，读 s b u f 访问物理上分开的接收寄存器。由两个特殊功能寄存器s c 0 n ( 9 8 h ) 和p c o n ( 9 9 h ) 可 沈阳农业大学硕士学位论文 用采控制串行口的工作方式及波特塞。波特搴发生器由定时器l l 构成。 瞎4 1 审符通信电路原璃图 f 唔4 * 1 a 辨m o f 辨d m c o 跏硼i c 甜l 佣c 弧u “ 4 g a l i 6 v 8 用来作特殊静译码电路，它是一个l o 输入、8 输出的可编程的逻辑输 出器件，它的8 个输出取决于所编程净及l o 个输入端的状态，因此使用起来非常灵活， 且有一定的保密性。这里用它的一个输入和两个输出来对8 9 c 5 1 单片机的串行口输出进 行扩展，它的其它输出端用于产生其它芯片的复使信号，如计数器、8 l 貊接口芯片和 l 湿示等。m a x 2 0 2 是x i m 公司生产的，包含两路驱动器和接收器的r s 一2 3 2 转换芯 片。它完成8 9 c 5 1 单片机的串行口的t t l 电平和p c 机串口r s 2 3 2 电平的转换，以保证 串口通信的可靠进行。 4 2 串行透信协议的制定 上位机与下位机通信协泌中规定，采用r s 一2 3 2 串 亍通信方式，上位机和下位虮发 送的指令均为字符串，下面是对指令格式的说明。 ( 1 ) 指令格式：薪导字符( 1 位) + 代码类型( j 一一3 位) + 数据( 位数不定) + 回车符。 ( 2 ) 前导字符r 为读指令( 代表上位机读取下位桃的某参数设置) ，w 为写控制指 令( 代表上位机向下位桃写入菜参数设置或使下能机执行某一操作) ，a 为工作信息( 下 位枫主动发送给上位机的数据) 。 ( 3 ) 代码类型表示具体的指令类型；部分指令没有数据项。 ( 4 ) 回车符a s c i i 码为o x o d ，表示指令结束+ 以下闱“一”表示，下面是通信协 第四章申行通信的设汁与实现 议的部分指令。 1 读指令 ( 1 ) 获取检测参数指令 指令格式，r s j 。 指令功能，获取颗粒计数器当前的检测参数。 返回信息，如果成功，返回r s + t + 检测次数+ 检测方式+ 预走量+ 取样量+ 取样头位 置+ 升降方式+ 计数单位j 失败箍0 不返强任何值。 检测次数( 2 位) ，l 1 0 次。 - 检测方式( 2 位) ，0 0 表示自动方式，0 l 表示手动方式，0 2 表示体积测定。 预走量( 2 位) ，o i 1 0 表示0 1 m l l ，o m l 。 取样曩( 3 位) ，0 0 5 0 9 0 表示o 5 m 1 9 o l ，0 9 l 0 9 9 表示1 0 9 0 j n l ，l o o 表 示1 0 0 m l ，l o l 表示全体积采样。 取样头位置( 2 位) ，1 0 9 9 表示1 0 i 1 99 i 【1 1 。 升降方式( 2 位) ，o o 表承基动方式，o l 表示手动方式。 计数单位( 2 位) ，0 0 表示m l ，0 1 表示总数。 ( 2 ) 获取通道参数。 指令格式，r u 。 指令功能，获取颗粒计数器的检钡4 标准及通道有效性。 返回信息，如果成功，返回掰i + 检测标准+ t + 通道有效标志 + j ，失败则不遐回 任何值。 检测标准( 1 位) ，0 6 分别表示药典、输液器具、麻醉器具、自定义一、自定 义二、w a s l 6 3 8 、i s 0 4 4 0 6 。 通道有效标志( 8 位) ，当检测标准为3 ( 自定义一) 或4 ( 自定义二) 睡才有此 项，1 8 位分别为通道1 8 有效位1 表示相应通道有效，0 表示相应通道无效。 2 写控制指令。 ( 1 ) 设置自定义粒经 指令格式，w l + 自定义类型+ 自定义粒径值+ j 。 自定义类型( 1 位) ，1 2 表示自定义一或自定义二。 宦定义粒径值( 2 4 位) ，分为3 x 8 组，分别表示l 8 通道的粒径值，0 2 0 9 9 9 沈阳农业大学硕士学位论文 表示2 o u m 9 9 9 u m 。 指令功能，设置颗粒计数器的自定义粒释值。 返回信息，如果成功，返回w l + j ：失败则不返回任何值。 ( 2 ) 设置日期及时间 指令格式，靴+ t 十年份+ t 上月份_ t + 日期+ t _ 小时t + 分钟十t + 秒钟+ j ，年份、月份、 日期、小时、分钟、及秒钟均为2 位。 指令功能，设置颗粒计数器的日期和时间。 返回信息，如果成功，返回w y j ，失败则不返回任何值。 3 工作信息 ( 1 ) a v l k 一，三通阀转向样品开始。 ( 2 ) a v l g 一，三通阀转向样品完毕。 ( 3 ) a y l i ( j ，注塞泵取样开始。 ( 4 ) a y l g j ，注塞泵取样完毕。 4 3 串行通信的软件设计 4 3 1 下位机软件设计 1 8 9 c 5 1 串口工作方式及通信波特率的设定 8 9 c 5 l 单片机串口工作方式设定为模式1 ，数据格式是1 0 位，l 位起始位o ，8 位数 据( 低位在先) 及一位停止位l 。由r x d 接收，t x d 发送。接收时停止位存入s c o n 内肋8 ， 模式1 下的波特率取决于定时器1 的溢出速率，定时器l 工作方式采用方式2 ，自动重 载t h 初值( 软件中将定时器t 1 的中断禁止) ，那么波特率的计算如式( 4 一1 ) 所示。 波特率= 三犷“定时器t 1 溢出率= 兰夏一“瓦i ；! j 万 ( 4 _ 1 ) 在实际应用中，往往先给定通信的波特率，而后确定时间常数，的计算式可 由式( 4 1 ) 推出如式( 4 2 ) 所示。 v ， 肚2 5 6 一蒸鬲专 ( 4 屯) 式( 4 _ 2 ) 中，为定时常数，脚脚取值为o ，系统时钟频率厶。为1 1 0 5 9 2 硼z ， 波特率选定9 6 0 0 h z ，则时间常数的计算如式( 4 3 ) 所示。 第四章串打通信豹设计与实现 ：2 5 6 一姿婴骂黧凳：2 弘蹦， ( 4 3 ) 9 6 0 0 x 3 2 1 2 将= 船皑代入式( 4 一1 ) 中，计算实际产生的波特率，如式( 4 4 ) 所示。 波特率= 兰嵩罢筹鲫a o o a ， 即波特率的设定值与实际值完全相等，误差为0 9 6 ，保证了单片机与p c 机闻通信的 可靠性。 2 下位枫通信程序设计 ( 1 ) 串口的初始化程序设计 串口初始化程序流程图如图4 2 所示，串口设置中首先是对串行口控制寄存器s c o n 的设置，在s c 嘣的设爱中选择模式l 作为串口的工作方式，模式1 使用定聍器作为波 特率发生器，因此第二步需要对电源控制寄存器p c 嘶( 选择串口是否采用波特率加倍) 和定时器计数器的方式控制寄存器t m o d 进行设簧。将p c 0 n 的s m o d 位设为o ，即串口 波特率不细倍；t 黼d 设置定时器l 莱用工作方式2 。定时器l 的初始化是将定时常数装 八寄存器t h l 和t l l 中，然后启动定时器l ，开串口巾断，这样就完成了对串行口的初 始化。 围4 吨串口初始化程序流程固 f 谤4 2 f b w 曲咀o f s 州脚p 矾讯i d 甜j 蹦 围4 - 3 串口中斯雅务程序流程围 f i 窖4 - 3 f l 。岫耐0 f s 。r 蝴p 碰i 搬“唧t ( 2 ) 串口发送鄢接收程序设计 下位机串口发送数据通过查询方式完成，接收数据通过中断方式完成，串口中断服 墨罢吾 沈刖农业大学硕士学位论文 务程序流程如图4 3 所示，在串口中断服务程序中判断若为接收引起的中断( 串行口接 收完成标志r i 为1 时) 则调用接收数据程序。 发送数据程序设计 按照串行通信协议中的规定，下位机随时将颗粒计数器的工作状态信息和检测数据 发送给上位机，下位机把要发送的数据放在字符数组t _ b u f 中( 含6 1 个元素，按照通 信协议的规定，下位机发送的数据最长不会超过6 0 个字符) ，数据后面的字符为n ， 作为字符串的标志。然后调用串口发送数据程序，程序流程图如图4 4 所示。串口每发 送完一个字符，s c 0 n 中的发送完成标志t i 会硬件置1 ，因此发送下个字符前需要查 询t i 是否为l ，为l 表明f j 仃一字符发送完毕，否则等待t t 为l 时将t i 软件清零再把当 前字符送入串口的发送缓冲。 图4 4 串口发送数据程序流程囱 f j g4 4 m w c h 叭o f 咖d i 叶d a 忸b ys e 删p o “ 接收数据程序设计 接收数据程序流程图如图4 5 所示，首先将接收缓冲器中的字符读入临时变量t b u f 中，第一步判断l b u f 若为“r ”或“w ”说明是上位机传来的新的一条读指令或写控制 指令的首字符，需要将用于接收指令字符的的字符数组r _ b u f ( r _ b u f 中含3 1 个元素， 按照通信西议中规定，上位机发送的指令最多不会超过3 0 个字符) 初始化，字符计数 变量r n u m 清零，准各接收新的指令。通信协议中规定无论读指令还是写控制指令都以 第四罩串行通信的设计与实现 凰车字符结束，因此第二步判断若t b u f 为回车则表明该指令接收完毕，接收标忠f l a g r e 置1 ，同时r n u m 清零；否则将该字符存入字符数组r _ b u f 中，同时r n u m 加l ，为接收 本指令的下一个字符做好准各。第三步需要判断r n u m 的值糟超过3 0 月4 把r n u 赋为3 0 ， 这样就完成了对当蒋字符的判断接收，然后需要在字箝数组r _ b u f 的r n u m 笼素赋为 d ，表明字符数组r _ b u f 存放的是字符串。 臻4 - 5 串口接收数据穗序流穰图 f 塘4 1 5 f i d w c h 舭o f 托衄i v d 啦b ys e 山l p 呲 接收标志f l a g r e 为l 则表明位机传柬的本条指令已经全部存入字符数组r b u f 巾 了，通过判断r _ b u f 的首字符可以知道是读还是写控制指令，然后调用判别程序获敬 本条指令相应的指令代码。最后需要将串口完整指令接收标志f l a g s e n a l 置l ， f l a g s e r i a l 与获取的指令代码在键盘等待程序中分别作为串口是否接收到指令与执行 诃种操作的判断依据。 ( 3 ) 键盘等待程序设计 下位机的主程序中执行的键盘等待程序如图46 所示。实际上下位机与上位机联机 后的殛种工作方式就是通过该程序实现的，若下位规未接收到监控指令颡粒计数器是独 立运行方式，否则进入上位机监控运行方式，触摸屏的输入关闭，f 位机的动作接受上 位机韵指令控制，根据指令代码执行相应的操作，接收到停止监控指令，则结束监控状 弘 沈阳农业大学硕士学位论文 态，恢复颗粒计数器独立运行方式。 图4 _ 6 键盘等待程序流程圈 f i 目4 - 6 m w c h 0 f w a n m gk e y b 酬p r c s s 4 3 2 上位机软件设计 1 p c 机串行通信实现方式通常有： ( 1 ) 利用w i n d o w sa p i 通信函数。 ( 2 ) 利用汇编代码直接对串口设备进行操作。 ( 3 ) 使用串口的通信控件( 例如m s c o m 、s p c o ) 。 ( 4 ) 利用第三方编写的通信类。 以上几种方式中以第一种最为灵活，但由于比较复杂，专业化程度较高，使用困难； 第二种需要了解硬件电路结构；第三种方式最为简单，只需选用一种串日的通信控件就 可以进行编程调试了。 s p c o m 控件与m s c d l l l m 控件都是串口的通用控件，只是由不同的公司提供。m s c o i l 3 l n 控件由微软公司提供，s p c o m 控件由b o r l a