液体点滴测速

液体点滴速度监控装置、方案论证及选择1、系统总体框图如下:2、滴速检测部分为了检测液滴下落的速度并且将其转换为电信号，需要利用适合的传感器来完成。方案一、利用光电传感器，将其发射端和接收端分别设置在滴斗的两端。当液滴下落时，通过光电传感器的瞬间，由于水对光的折射作用，会使接收端接收到的可见光能量降低，以此进行计数，再传入单片机进行处理，完成检测速度功能。方案二、利用主动式红外发射接收传感器，液滴下落时，利用其对红外线的吸收和折射能力，是红外接收在液滴下落至红外线发射接收通路上时接收红外线发生衰减，来进行规律性的计数，完成检测速度功能。方案三、利用导线自制一对探针置于滴斗内，在液滴落下的瞬间，利用液滴导电性使两个探针导通，以达到检测的目的。方案一利用水对可见光的折射来计数，对于题目要求的无色液体来说，谁对其吸收能力很弱，基本上完全靠折射来工作。而方案二则是利用水对红外线的吸收和折射作用来计数，有较强的适应性，可以应用于无色液体。方案三则为有损探测，与前两项无损探测相比，局限较大。综上，选方案二。红外传感器 接—放大 ,滤波 ,整形 ,单 片机3、 速度控制部分控制液滴下落速度主要有两种方法：方案一、通过步进电机和滑轮系统控制储液瓶的高度，来达到控制液滴流速的目的。方案二、通过控制滴速夹的松紧程度来控制液滴流速。方案一实现较为简便，通过步进电机可方便地实现储液瓶高度的调节，从而达到控制液滴流速的目的，但缺点是调节储液瓶移动的距离比较大，所需时间比较长，而且储液瓶高度与流速的关系非线性，并且没有现成的公式可以利用，而只能去足够多的采样点，来分析两者之间的关系，得出大致的经验公式。在自变量（储液瓶移动距离）变化范围较大的情况下，这项工作更为繁杂。方案二控制滴速夹移动的距离很小，但是滴速夹的松紧调节过程中，移动距离、移动阻力等参数难以计算，用机电系统实现起来较为困难。综上，我们选择方案一。4、 电机驱动模块方案一、采用集成驱动芯片，再利用单片机驱动。方案二、采用分立元件构建与集成驱动芯片等效功能的电路，驱动信号较之方案一复杂。结合设备条件，我们选择方案二。移 动单片机 ,驱动电路 步进电机 储 液瓶5、系统算法的选择为了实现题目中控制液滴流速达到预置值的要求，选择合适的控制算法。方案一、距离对分法：根据检测到的流速和预置流速，在流速一一高度查找表中查出当前储液瓶高度和期望储液瓶高度。将这连个高度相加，取其平均值作为系统调节的高度，然后再检测液滴流速，查找高度，如此循环，最终达到预置流速。这种方法理论计算、算法设计都比较简单，但是有一个技术上的瓶颈问题，就是难以找到一个较为精确的流速——高度关系查找表。在一定的高度，将液滴流速调节到一定值之后，测量流速一一高度关系，每一次测量的数据离散性很大，也就是说环境稍微有变化，就会对流速一一高度关系带来很大的影响。所以这个方法实现起来，可操作性不是很高。方案二、PID控制算法：PID算法是工业上较为流行的一种控制算法。其核心思想是根据误差的比例项、微分项、积分项来确定系统的变化趋势及调整方案。这种算法在理论上和程序实现上较为复杂，但是能够保证较高的精确度，而且不受流速一一高度关系变化的影响，适应性比较强。综上，我们选择方案二来实现对系统的精确控制。6、主从机通信部分方案一、单片机之间并行通信，此方案实现较为简单。由于题目要求有16个从机，所以通过地址译码可以方便地实现从机识别、巡回检测等功能。但是线路利用率低，电路连线较为复杂。方案二、单片机之间利用RS232协议进行串口通信，此方案利用串口通信，解决了线路复杂性和利用率的问题，而且RS232也是较为成熟的串口通信协议。方案三、单片机之间利用RS485协议进行串口通信，此方案也是利用单片机串口进行主从机之间通信。综上，且鉴于实验室材料，我们采用方案三。二、单元硬件电路1、滴度检测电路这个单元，我们采用脉冲调制红外对射传感器，红外对管安装在滴斗的两侧。红外发射管的最大工作电流是由平均电流决定的，采用占空比小的调制信号，在平均电流不变的情况下，瞬间电流会达到很大，大大提高了信噪比，提高了系统的抗干扰能力。具体电路如下：由555定时器产生一路频率较高的脉冲波形，经过三极管8050放大电流后接到红外对管发射端，在接收端后面接一个放大电路并设置偏置电压以提高并放大波形，再经过一级LM393构成的比较器将波形整为方波以输入给单片机，该方波的频率即为液体滴速。2、液面检测电路

液面检测这一部分原理与滴速检测部分是一致的，将红外对管安装在距离储液瓶瓶口2〜3cm的地方，一旦液面下降至2〜3cm以下，红外接收管接收到的波形就突变高，经整形后变成低电平输入单片机。这一部分，单片机仅需做一次判断，信号从高电平变为低电平。具体电路如下：3、电机驱动电路电机通过滑轮系统来带动储液瓶移动，从而改变h2以达到改变液滴滴速的目的。控制步进电机工作信号由单片机发出，经驱动电路传送到电机。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。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固定的角度（步进角）。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而到达准确定位的目的；还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。具体电路如下：通过算法，从单片机输出驱动信号，经过光电耦合器输入给驱动芯片，以控制电机的转动。三、软件部分设计1、滴速控制部分PID算法基本的PID算法有两种：(1)、直接计算法：直接计算当前所需要的控制量。P=K*e(k)+K*e(k)+K*[e(k)-e(k-1)]这种方法需要做累加运算，而且要保存所有的e(k)，需要的存储空间很大。(2)、增量式计算法：相对于标准算法的两次运算之差。AP=P(k)-P(k-1)=K*[e(k)-e(k-1)]+K*e(k)+K*[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]本系统中我们采用增量式计算法。选取合适的参数K=0.5 K=0.6 K=02、程序流程(1)、基础部分程序通过ARM四个I/O口发送高低电平给步进电机驱动芯片以驱动信号，通过改变高低电平的顺序来控制电机正反转。（2）、发挥部分采用RS485串口通信，用ARM编程实现两台电脑之间的通信。四、测试结果与分析（一）、调试分析1、滴速检测部分我们采用了槽型光电门，其输出信号经过一个电位器分压降至3.3V以下，直接输入单片机。调试过程中，我们一直用示波器检测其输出信号，发现同一时间很容易出现两个低电平，造成波形频率突增，从而使得测量不精准。为此，我们在每次正式测试之前，都将信号接到示波器观察波形，调整槽型光电门和滴斗的位置使波形正确。2、 液面检测部分尽量保持红外对管水平、垂直都对准。3、 对于PID调节方面，我们通过实际通电测试观察、计时等，调整参数以使其满足要求。（二）、测试结果1、液滴速度检测将储液瓶手动调整到到一定高度，人工用秒表测量滴速，看ARM屏幕显示值是否与人工测量的数值相符。次数123456测量值（滴/

分）显示值2、滴速调节控制预置滴速，通过电机调整储液瓶高度，待储液瓶稳定后测量液体滴速。原始