1、液體點(diǎn)滴速度監(jiān)控裝置一、方案論證及選擇1、系統(tǒng)整體框圖以下：鍵盤控制數(shù)碼顯示設(shè)顯定示滴滴速速ARM聲光報警液面檢測揚(yáng)聲器速度電機(jī)驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)反饋改變高度滴速檢測2、滴速檢測部分為了檢測液滴著落的速度并且將其變換為電信號，需要利用適合的傳感器來達(dá)成。方案一、利用光電傳感器，將其發(fā)射端和接收端分別設(shè)置在滴斗的兩頭。當(dāng)液滴著落時，經(jīng)過光電傳感器的瞬時，因為水對光的折射作用，會使接收端接收到的可見光能量降低，以此進(jìn)行計數(shù)，再傳入單片機(jī)進(jìn)行辦理，達(dá)成檢測速度功能。方案二、利用主動式紅外發(fā)射接收傳感器，液滴著落時，利用其對紅外線的汲取和折射能力，是紅外接收在液滴著落至紅外線發(fā)射接收通路上時接收紅外線發(fā)生衰

2、減，來進(jìn)行規(guī)律性的計數(shù)，達(dá)成檢測速度功能。方案三、利用導(dǎo)線自制一對探針置于滴斗內(nèi)，在液滴落下的瞬時，利用液滴導(dǎo)電性使兩個探針導(dǎo)通，以達(dá)到檢測的目的。方案一利用水對可見光的折射來計數(shù)，關(guān)于題目要求的無色液體來說，誰第1頁共6頁對其汲取能力很弱，基本上完整靠折射來工作。而方案二則是利用水對紅外線的汲取和折射作用來計數(shù)，有較強(qiáng)的適應(yīng)性，能夠應(yīng)用于無色液體。方案三則為有損探測，與前兩項無損探測對比，限制較大。綜上，選方案二。紅外傳感器接放大濾波整形單片機(jī)3、速度控制部分控制液滴著落速度主要有兩種方法：方案一、經(jīng)過步進(jìn)電機(jī)和滑輪系統(tǒng)控制儲液瓶的高度，來達(dá)到控制液滴流速的目的。方案二、經(jīng)過控制滴速夾的松緊

3、程度來控制液滴流速。方案一實現(xiàn)較為簡易，經(jīng)過步進(jìn)電機(jī)可方便地實現(xiàn)儲液瓶高度的調(diào)理，從而達(dá)到控制液滴流速的目的，但弊端是調(diào)理儲液瓶挪動的距離比較大，所需時間比較長，并且儲液瓶高度與流速的關(guān)系非線性，并且沒有現(xiàn)成的公式能夠利用，而只好去足夠多的采樣點(diǎn)，來剖析二者之間的關(guān)系，得出大概的經(jīng)驗公式。在自變量（儲液瓶挪動距離）變化范圍較大的狀況下，這項工作更加繁瑣。方案二控制滴速夾挪動的距離很小，可是滴速夾的松緊調(diào)理過程中，挪動距離、挪動阻力等參數(shù)難以計算，用機(jī)電系統(tǒng)實現(xiàn)起來較為困難。綜上，我們選擇方案一。4、電機(jī)驅(qū)動模塊方案一、采納集成驅(qū)動芯片，再利用單片機(jī)驅(qū)動。方案二、采納分立元件建立與集成驅(qū)動芯片等

4、效功能的電路，驅(qū)動信號較之方案一復(fù)雜。聯(lián)合設(shè)施條件，我們選擇方案二。移動單片機(jī)驅(qū)動電路步進(jìn)電機(jī)儲液瓶5、系統(tǒng)算法的選擇為了實現(xiàn)題目中控制液滴流速達(dá)到預(yù)置值的要求，選擇適合的控制算法。方案一、距離對分法：依據(jù)檢測到的流速和預(yù)置流速，在流速高度查找表中查出目前儲液瓶高度和希望儲液瓶高度。將這連個高度相加，取其均勻值作為系統(tǒng)調(diào)理的高度，而后再檢測液滴流速，查找高度，這樣循環(huán)，最后達(dá)到預(yù)置流速。這類方法理論計算、算法設(shè)計都比較簡單，可是有一個技術(shù)上的瓶頸問題，就是難以找到一個較為精確的流速高度關(guān)系查找表。在必定的高度，將液滴流速調(diào)理到必定值以后，丈量流速高度關(guān)系，每一次丈量的數(shù)據(jù)失散性很大，也就是說環(huán)

5、境略微有變化，就會對流速高度關(guān)系帶來很大的影響。所第2頁共6頁以這個方法實現(xiàn)起來，可操作性不是很高。方案二、PID控制算法：PID算法是工業(yè)上較為流行的一種控制算法。其核心思想是依據(jù)偏差的比率項、微分項、積分項來確立系統(tǒng)的變化趨向及調(diào)整方案。這類算法在理論上和程序?qū)崿F(xiàn)上較為復(fù)雜，可是能夠保證較高的精確度，并且不受流速高度關(guān)系變化的影響，適應(yīng)性比較強(qiáng)。綜上，我們選擇方案二來實現(xiàn)對系統(tǒng)的精確控制。6、主從機(jī)通訊部分方案一、單片機(jī)之間并行通訊，此方案實現(xiàn)較為簡單。因為題目要求有個從機(jī)，因此經(jīng)過地點(diǎn)譯碼能夠方便地實現(xiàn)從機(jī)辨別、巡回檢測等功能。可是線路利用率低，電路連線較為復(fù)雜。方案二、單片機(jī)之間利用R

6、S232協(xié)議進(jìn)行串口通訊，此方案利用串口通信，解決了線路復(fù)雜性和利用率的問題，并且RS232也是較為成熟的串口通訊協(xié)議。方案三、單片機(jī)之間利用RS485協(xié)議進(jìn)行串口通訊，此方案也是利用單片機(jī)串口進(jìn)行主從機(jī)之間通訊。綜上，且基于實驗室資料，我們采納方案三。二、單元硬件電路1、滴度檢測電路這個單元，我們采納脈沖調(diào)制紅外對射傳感器，紅外對管安裝在滴斗的雙側(cè)。紅外發(fā)射管的最大工作電流是由均勻電流決定的，采納占空比小的調(diào)制信號，在均勻電流不變的狀況下，瞬時電流會達(dá)到很大，大大提升了信噪比，提升了系統(tǒng)的抗擾亂能力。詳細(xì)電路以下：由555準(zhǔn)時器產(chǎn)生一路頻次較高的脈沖波形，經(jīng)過三極管8050放大電流后接到紅外

7、對管發(fā)射端，在接收端后邊接一個放大電路并設(shè)置偏置電壓以提升并放大波形，再經(jīng)過一級LM393構(gòu)成的比較器將波形整為方波以輸入給單片機(jī)，該方波的頻次即為液體滴速。2、液面檢測電路第3頁共6頁液面檢測這一部分原理與滴速檢測部分是一致的，將紅外對管安裝在距離儲液瓶瓶口23cm的地方，一旦液面降落至23cm以下，紅外接收管接收到的波形就突變高，經(jīng)整形后變?yōu)榈碗娖捷斎雴纹瑱C(jī)。這一部分，單片機(jī)僅需做一次判斷，信號從高電平變?yōu)榈碗娖健Ｔ敿?xì)電路以下：3、電機(jī)驅(qū)動電路電機(jī)經(jīng)過滑輪系統(tǒng)來帶動儲液瓶挪動，進(jìn)而改變h2以達(dá)到改變液滴滴速的目的。控制步進(jìn)電機(jī)工作信號由單片機(jī)發(fā)出，經(jīng)驅(qū)動電路傳遞到電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈

8、沖轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰频穆男袡C(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動固定的角度（步進(jìn)角）。能夠經(jīng)過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，進(jìn)而抵達(dá)正確立位的目的；還能夠經(jīng)過控制脈沖頻次來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加快度，進(jìn)而達(dá)到調(diào)速的目的。詳細(xì)電路以下：經(jīng)過算法，從單片機(jī)輸出驅(qū)動信號，經(jīng)過光電耦合器輸入給驅(qū)動芯片，以第4頁共6頁控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動。三、軟件部分設(shè)計1、滴速控制部分PID算法基本的PID算法有兩種：（1）、直接計算法：直接計算目前所需要的控制量。Pout=Kp*e(k)+Ki*e(k)+Kd*e(k)-e(k-1)這類方法需要做累加運(yùn)算，并且要保留全部的e(k),需要的儲存空間很

9、大。（2）、增量式計算法：相關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)算法的兩次運(yùn)算之差。P=Pout(k)-Pout(k-1)=Kp*e(k)-e(k-1)+Ki*e(k)+Kd*e(k)-2e(k-1)+e(k-2)本系統(tǒng)中我們采納增量式計算法。選用適合的參數(shù)Kp=0.5Ki=0.6Kd=02、程序流程（1）、基礎(chǔ)部分開始初始化預(yù)置速度翻開準(zhǔn)時進(jìn)（度2）比、較發(fā)揮部PI分調(diào)理電停電機(jī)機(jī)止正反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)捕捉中止計數(shù)測速第5頁共6頁程序經(jīng)過ARM四個I/O口發(fā)送高低電平給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片以驅(qū)動信號，經(jīng)過改變高低電平的次序來控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)。（2）、發(fā)揮部分采納RS485串口通訊，用ARM編程實現(xiàn)兩臺電腦之間的通訊。四、測試結(jié)果與剖析（

10、一）、調(diào)試剖析1、滴速檢測部分我們采納了槽型光電門，其輸出信號經(jīng)過一個電位器分壓降至3.3V以下，直接輸入單片機(jī)。調(diào)試過程中，我們向來用示波器檢測其輸出信號，發(fā)現(xiàn)同一時間很簡單出現(xiàn)兩個低電平，造成波形頻次突增，進(jìn)而使得丈量不精確。為此，我們在每次正式測試以前，都將信號接到示波器察看波形，調(diào)整槽型光電門和滴斗的地點(diǎn)使波形正確。2、液面檢測部分盡量保持紅外對管水平、垂直都瞄準(zhǔn)。3、關(guān)于PID調(diào)理方面，我們經(jīng)過實質(zhì)通電測試察看、計時等，調(diào)整參數(shù)以使其知足要求。（二）、測試結(jié)果1、液滴速度檢測將儲液瓶手動調(diào)整到到必定高度，人工用秒表丈量滴速，看ARM屏幕顯示值能否與人工丈量的數(shù)值符合。次數(shù)123456丈量值（滴/分）顯示值2、滴速調(diào)理控制預(yù)置滴速，經(jīng)過電機(jī)調(diào)整儲液瓶高度，待儲液瓶穩(wěn)固后丈量液體滴速。原始滴速（