液体点滴速度监控装置(何博

1、液体点滴速度监控装置作者：何博 汪洋 臧博（华中科技大学） 获奖队编号：1-106赛前辅导老师：吴裕斌 曹丹华文稿整理辅导老师：吴裕斌 曹丹华摘要：本装置基于凌阳公司带看门狗功能的单片机unsp061A(wdog-en)，采用基于有限状态机的模糊控制算法，利用嵌入式操作系统(MiniOS)实现液体点滴的速度监控。系统中的任何终端均可以人工设定所需的输液速度并动态显示，独特的异常处理机制可以确保系统在任何异常状态下都快速恢复到正常状态，并发出提醒。扩展的有线监控功能，使得主站可以通过自定协议控制各个从站，并检测接收从站的状态参量，主、从站之间使用UART进行通信，本地参数的设定可以在主机上进行，

2、也可直接在终端完成。一 设计方案论证1系统总体构成根据题目要求，本系统由点滴速度监控模块、液位探测模块、软件算法控制模块和网络通信模块构成。主、从站的系统框图如下示：MCU1(主机)UART通信接口从站1从站2从站3从站16键盘显示声光报警语音图1 主站系统框图从站MCU(unsp061A)wdog-en键盘显示液位探测点滴速度检 测电机驱动声光报警UART通信到主机其它异常报警图2 从站系统框图主站从站1从站2从站3从站16TxRx图3 主、从站网络拓扑图2系统中各模块设计方案选择(1) 点滴检测方案一：采用压力传感器来实现。方案二：采用液位传感器来检测。方案三: 采用红外对管实现，根据接收

3、到的光强的强弱判断是否有液滴滴下。方案四：采用光纤传感器，将光纤传感器固定于滴斗外侧，通过感知滴斗壁是否产生特定抖动，而判定有无液滴落下。首先分析方案一，液滴的质量约0.05g，目前精度较高的压力传感器灵敏度仅0.1g，故此方案目前无法采用。方案二将传感器置于液体中，会污染滴液，不可取。方案四采用光纤传感器，测量精度较高，但是光纤传感器本身的成本高。方案三成本低，电路简单，不受可见光的干扰，稳定性好，最终采用方案三作为点滴检测方案，通过测量相邻点滴下落的时间间隔即可确定点滴速度。(2) 液位检测方案一：同点滴检测模块，采用红外对管实现，根据接收管接收到的光强来判断液位是否到达警戒线。方案二：利

4、用超声回波检测技术，利用超声波在不同物质、不同密度内传播速度不同的原理，通过检测超声波发射的回波时间来检测超声波穿过物质的结构，得知是否到达警戒液位。方案一器件简单，软、硬件相对较容易实现，方案二理论成熟，系统复杂，在对精度要求较高的场合还需加入温度补偿，考虑到软、硬件的复杂程度及要求的测量精度，采用方案一作为液位的检测方案。(3)电机的选择方案一：采用普通直流电机。方案二：采用步进电机，在较为精确的定位性能方面十分优越。方案三：采用带减速器的伺服电机，在高起动转矩、大转矩、低惯量的系统中经常使用。由于普通直流电机掉电后惯性较大、转矩小、无抱死功能，要求准确停在一个位置，其闭环算法较复杂。步进

5、电机转矩相对直流电机大，价格也较昂贵，控制精度较高，适用于较精确的测量中。方案三的伺服电机，机械特性好、输出功率较、转矩大、具有抱死功能，驱动电路简单、正反转的控制较容易。考虑到上述各种电机的特点，选用伺服电机作为电机的方案。(4) 语音模块方案一：利用专用语音处理芯片MSM6588/6588l等实现。方案二： 利用凌阳单片机的语音功能。凌阳单片机内嵌32K的FLASH ROM，有自己的语音编、解码方式及双通道10位DAC方式的音频输出，最大可容纳数分钟的语音资源。方案一需外接语音芯片，及相关的微音放大器、AGC电路、滤波器、差动功放等基本电路，通用性差且不便于系统升级。而方案二只需外接一个扬

6、声器即可实现语音输出，语音库的修改也较单独的语音芯片方便，故采用方案二作为本装置的语音方案。二 主要电路原理图及相关分析计算1 滴速检测电路当有液滴滴下时，下落中的水滴对红外光有较强的反射、吸收及一定的散射作用，接收管接收到的信号经一级施密特触发器，送单片机的中断口，据此就可以正确的探测出液滴的滴落。图4 滴速检测电路2 液位检测及吊升极限报警电路原理同上，为准确的判断液位是否到达警界线，在接收端加一比较器调整接收灵敏度。后经两级施密特触发器整形后送单片机中断进行外理。如果设定的滴速过高，在输液瓶上升到支架顶部时，仍达不到设定的滴速，此时如果输液瓶继续上升有可能会拉倒支架，造成危险。所以在支架

7、的顶部安装一个探测器，检测到输液瓶上升到支架顶部，则发出信号，控制电机停转，电路与液位检测电路相近。图5 液位检测电路3 电机驱动电路直流伺服电机所需的驱动电压、电流均较大，因此采用对称H桥式驱动电路，具体电路图如下示。考虑到单片机的工作电压仅5V，而电机驱动电压为15V，同时电机是一个感性元件，为了减小其对电路的干扰，前后级加光耦隔离。驱动电路工作原理为：当Q5的基极电压为高电平，Q8的基极电压为低电平时，Q2、Q3管导通，Q1、Q4管截止，电机正转。当Q6的基极电压为低电平，Q7的基极电压为高电平时，Q1、Q4管导通，Q2、Q3管截止，电机反转， D1,D2,D3,D4用来来克服电机的反电

8、势。采用VMOSFET为IRFD630和 IRFD9630，其导通电阻小，开关速度快，开启电压小，能够较好的实现题目的功能。图6 电机驱动电路三 软件算法设计本装置软件部分采用嵌入式系统（MiniOS）实现，MiniOS的代码全部用汇编语言编写，是一个可固化、可裁剪、占先式多任务嵌入式操作系统。下图是无操作系统和有操作系统的区别。MiniOS充当应用进程和CPU硬件之间的接口，程序员在设计程序时无需太多了解硬件系统，而只需了解其提供的API和编译系统即可，MiniOS会以更有效的方式管理单片机的硬件资源。应用程序目标程序编译系统计算机硬件编译系统应用程序操作系统计算机硬件无操作系统的用户目标程

9、序程序员要了解程序员要了解程序员要了解程序员要了解有操作系统的用户图7 有操作系统和无操作系统的用户的区别1 单片机软件结构对于从站，主要功能是电机控制及所需要的测量。软件结构如下图所示，大部分的探测都在外部中断处理函数中完成，然后通知控制任务完成对电机的控制，同时完成与主机的通讯。开始初始化键盘输入目标值并确认确定目标值与当前值关系，查模糊控制表开始测量当前点滴速度并显示满足运动条件电机运行（输液瓶上升或下降电机停止，等待未来三次测量结果，取平均值作为当前值液滴每滴下一滴，取最近三次测量值,将平均值作为当前值YN图8从站电机控制算法流程图对于主站而言其主要的工作就是控制各从站的协作，监测各从

10、站的工作状态，因此主站的软件结构较为简单，主要是异步通信功能。2软件算法实现我们采用的模糊控制算法是通过计算机完成人们用自然语言所描述的控制活动，无需事先知道对象的数学模型，系统响应快、超调小、过渡过程时间短。对于本装置，算法设计的前提是假设电机的上升、下降均是匀速的，可以忽略输液瓶加、减速时产生的加速度。同时题目中给定的调整时间较长，因此在电机的控制过程中可以不加调速算法，直接让电机匀速上升或下降便可达到所要求的精度。权衡利弊，采用基于有限状态机的模糊控制算法。算法原理如下： 模糊控制器被控对象r(t)传感器e(t)u(t)y(t)模糊化模糊规则表清晰化EU图9模糊控制算法其中：r(t)为输

11、入量，e(t)偏差的精确量，E为模糊偏差语言变量，u(t)为控制器的实际输出量，y(t)为反馈量，另定义目标值为E ，EL为上一次的值，EN为当前的值，则有：EEN-EL(3-1)EEN-E(3-2)相应系统工作状态的有限状态机为：电机运行态(正、反转)检测态(电机静止)状态标志置位条件1条件2图10电机控制的有限状态机上述转换条件的确定是本系统控制的核心，为了使控制算法不至于过分复杂，算法仅涉及以下语言变量：EN，EL，E，U，结合本系统特点，为了提高测量精度，分为以下几档：2039；e24079；e380119；e4120150；e5控制误差设置相应的模糊控制规则为：表1模糊控制控制规则表

12、编号判决条件控制动作1If(ENE)控制电机下降3If(EN=E)|(Ee)控制电机停止4If(ENE)电机下降量超调或有误判，立即停止5If(ENE)&(ELEL)&(ELE)电机运行方向失误，立即停止7If(ENEL)&(ELE)电机运行方向失误，立即停止8If(EN-E5s) 5s内没有液滴落下-异常、自动启动电机上升到预定值从上表可以看出：对于4、5、6、7几种情形，可能是误判造成；对于8，为了防止系统产生振荡现象，可在软件中根据不同的档位设计a的值，适当扩大误差因子，在稳定后再次测量当前的滴速，再次与设定值比较，然后转入相应的控制状态。1、2、9即为图10中的条件2，其余的对应于图1

13、0中的条件1。3通信协议规定主站与从站之间的通信必需遵从一定的协议，这里模仿总线型以太网网络拓扑构建由一个主站及16个从站构成的虚拟局域网。所有的从机均挂接于主机的Tx/Rx上，任何一台从机都不能在未得到主机应允的情况下向总线发送数据，为了保证系统的稳定性，通常状况下，所有从机的Tx端口都设置为带上拉电阻的输入状态，这样可以保证端口不会发生冲突，而从机的Rx端口常置为接收态。所有从机都可以接收来自主机的信息，从机判断此消息，如果是本地终端站号，则将Tx端口解禁，允许与主机交换数据，一旦数据传送完成，即刻禁止Tx端口。具体实现方法：主机首先发送地址信号(0-15)，所有的从机都可以接收到主机发送

14、的地址。当检测是本地终端站点时，从机启用Tx端口，并将当前的点滴速度传送给主机并显示，至此主、从机之间的连接建立完成。连接建立完成后，主机送出所设定的点滴速度（此值仅送一次，在下一个循环过程中，则送出255）。从机接收到主机设定的滴速值时，检查主机送出的值，如果为20150之间的数据，则表明主机要求从机调整滴速，若收到的值是255，则表明从机可以维持当前滴速不变。然后向主机发送应答信号250，如果从机有报警信号或申请改号则发送其它相应信号至主机。具体过程参考图11及表2。整个过程完成后，从机禁用Tx端口。主控端客户端地址(0-15)确认是否本地终端，是则允许Tx，发送当前点滴速度发送主机所设定

15、的从机滴速(20-150)发送改号申请（015）或报警信息(250-255)应答改号申请处理报警信息END释放连接握手信号建立连接数据传送图11通信协议框图对于主站而言，每秒循环扫描从站一次。协议中规定的各种不同数据的意义如下：表2通信规范取值范围协议内涵015从机地址20150点滴滴速确定250255应答(250)、报警(254、255)其它用于系统扩展、升级四 系统测试方法及数据1 测试条件测试时间：2003年9月18日星期四测试点环境温度：25C2 测试仪器PC机 （AMD Athlon(tm) XP 1600+，256DDR）DF1731SL1ATA型直流稳压电源TDS1002示波器C

16、A1640P20型函数发生器FLUKE 17B型万用表（带温度测量功能）ZSD-803A型秒表3 测试方法与结果(1) 点滴速度测试根据在一定时间内下落的点滴数可以近似确定点滴的速度。在测试设定功能时，通过键盘输入要设定的值，按“OK”键便可。系统会自动调整至所需的滴速。测试结果如下图示。 图12点滴速度测量曲线从图中曲线可以看出，用红外对管测得的点滴速度与实际的点滴速度十分接近，速度误差不大于2滴/分。表3 点滴速度设定及相关稳定时间测量次 数当前值设定值稳定时显示值稳定时实际值稳定时间误 差(滴/分)117120192015012201501501521402315070707157147

17、1808283111582202121510621252526101725505051161从上表看出，不论是在全量程范围内，还是在一个较小的调整范围内，测量误差都远小于题目要求的设定值的10%1滴。同时稳定时间也小于题目要求的3分钟，此项功能达标。(2)报警功能测试将夹头放松，使瓶中的水快速流出至警戒线附近，稍稍夹紧夹头，可以看到当水位降至警戒水位时，从机发出声光报警信号。此功能正常。(3)发挥部分网络功能测试、定点、巡回检测及显示从站传回的从站号及点滴速度功能：切换到定点检测模式，输入要检测的从机号，在主机的显示屏上会显示相应的从站号及滴速。切换到巡回检测模式，主机显示屏上循环显示各从机(

18、0-15)的从机号及滴速，显示间隔为1s。、主站任意设定查询站功能，包括添加与删除。、从站可以更改本站站号，站号重复时拒绝更改。、如果有任一台从站发生异常，将会发生报警，主机在报警的同时可以显示异常的从站号，并可以通过按键的方式解除警报。、当主站对任意从站设置完成后，按确认键，从站上显示出主站设置的信息，同时实现滴速控制。、当从站检测到有异常情形(水位到达警戒线等)，会发出声光报警信号。从以上各测试过程可以看出，本系统已完成题目要求的所有基本功能及扩展功能的同时还加有一定的发挥，具体如下：、 液滴过速报警：当系统检测到液滴速度超过一定值(本系统设置值为200)时会发出报警信号。、吊升极限报警：

19、当设置的滴速不合理，吊瓶上升到最高点仍没有达到设置值时，为了防止事故发生，程序自动控制电机停转。五 测试结果分析从测试结果可以看出，本装置已基本完成题目中的各项要求并在此基础上有所发挥，其中点滴速度的测量比较精确，在全量程内其误差小于3(滴/分)。设置点滴速度功能中，控制精度在全量程范围内优于2(滴/分)，但是还是有一定的误差，主要是由以下原因造成的：1 瓶中的水不断减少，造成水滴的下落速度不均匀。2测量实际滴速时，是通过秒表计时来获得时间数据，人在计数时可能存在正负一滴的误差，这也是引入测量误差的一个原因。3在动态控制时，瓶处于运动状态，其上升、下降不可避免的会产生加速度，导致水滴下落时速度不稳定。4作为模糊控制算法本身，不可能是完全精确的，必然存在舍入误差等，这也是引入误差的一个原因。AbstractThis system is based on a new microcontrollerunsp061A with watchdog produced by SUNP