【正文】 傳播速度不同的原理，通過檢測超聲波發(fā)射后的回撥時間來檢測超聲波穿過物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，利用MCU定時控制超聲波的發(fā)射，利用中斷接受檢測到的回波，然后經(jīng) MCU的數(shù)據(jù)處理獲得需要的數(shù)據(jù)。超聲波測距準確，是一種常用的測距方法?？紤]到軟、硬件的復雜程度及要求的測量精度，以及本系統(tǒng)存在液體產(chǎn)生的表面波動，使用超聲波傳感器檢測液面會產(chǎn)生較大的誤差，同時超聲波傳感器安裝方位的確定也是一大難題?？梢圆捎眉t外對管進行實現(xiàn)。利用光在不同媒質(zhì)界面的折射和反射原理，通過光電傳感器接受光信號實現(xiàn)液面檢測功能。 圖 13 光電傳感器安裝示意圖 綜合比較上面三種方案，從實用，簡便同時保證測量準確度上，使用光電傳感器測量儲液瓶液面高度是最理想的選擇。所以如果采用夾頭控制難以實現(xiàn)類似的線性控制。 原有的輸液管上配有一楔形手動控制滴速控制裝置，內(nèi)有滑槽，通過推動滑槽上的圓形滾輪來控制輸液 的快慢。方案如下 （圖 14） ：電機選用步進電機，利用電機的旋轉(zhuǎn)，通過裝配一螺桿，將旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動，推動 （或者拽回）螺桿一端帶有內(nèi)螺紋的滑塊擠緊（或者放松 ） 莫非氏管 ,從而實現(xiàn)輸液滴速的自動控制。 圖 14 電機控制滴速示意圖 電機選擇及控制方案 常用的電機主要有以下幾種：直流電機、步進電機、伺服電機。 方案二：伺服電機的機械特性較好，輸出功率大，啟動轉(zhuǎn)矩大，驅(qū)動電路簡單，正反轉(zhuǎn)控制容易且 有抱死功能，但有由于其實際價格偏高，不適合普遍使用。步進電機轉(zhuǎn)矩相對直流電機大，控制精度比較高，其步進轉(zhuǎn)過的一個角度也固定，適用于較精確的測量，這可有效提高輸液速度的控制精度。 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學 院 畢業(yè)設(shè)計說 明 書 （ 論 文 ） 7 第 2 章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 芯片介紹 AT89C52 單片機 1. AT89C52 單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu) 單片機的功能框圖 （ 如圖 21）， 在一塊兒小芯片上集成一個微機 計算機的各個部分，其核心部分是中央處理器 CPU，它由運算器和控制器兩大部分組成。 控制器是用來統(tǒng)一指揮和控制計算機進行工作的部件， 它由控制邏輯、內(nèi)部振蕩電路 OSC、指令寄存器及其譯碼器、程序 計數(shù)器 PC 及其增量器、程序地址寄存器、程序狀態(tài)字寄存器 PSW、 RAM 地址寄存器、數(shù)據(jù)指針 DPTR、堆棧指針 SP 等組成。 AT89C52單片機有 40個引腳， 32個外部雙向輸入 /輸出（ I/O）端口，同時內(nèi)含 2個外中斷口， 3個 16位可編程定時計數(shù)器 ,2個全雙工串行通信口， 2個讀寫口線 ， AT89C52單片機可以按照常規(guī)方法 進行編程，也可以在線編程。外圍采用兩片串行輸入顯示驅(qū)動接口芯片 MAX7219，其硬件開銷小，且編程簡單。串行器件的選用，系統(tǒng)的硬件簡單，調(diào)試方便。 圖 22 單片機封裝 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學 院 畢業(yè)設(shè)計說 明 書 （ 論 文 ） 9 圖 23 單片機引腳 Vcc(40 腳 )：主電源正端，接 +5V。 XTAL1（ 19 腳）片內(nèi)高增益反相放大器的輸入端，接外部石英晶體和電容的一端，若使用外部輸入時鐘，該引腳必須接地。 RESET/Vpd(9 腳 ) 復位輸入端，高電平有效，此端保持兩個機器周期（ 24 個時鐘周期）以上高電平就可以完成復位 EA/VPP(31 腳 ) 片內(nèi)程序存儲器選通控制端低電平有效。當 EA 保持高電平時，執(zhí)行訪問片內(nèi)程序存儲器。 （ 2） P1口 (1— 8腳 )： P1口僅作普通的 I/O端口使用， 校驗時，要求外接上拉電阻。 （ 4） P3 口 (21— 28 腳 )： P3 口是一 個 自帶上拉 電阻 的 8 位準 雙向 I/O 接口。 RST： 復位輸入。 圖 24 復位電路 一般情況下， ALE仍以時鐘振蕩頻率的 1/6輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。對 Flash存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（ PROG）。該位置位后，只有一條 MOVX和 MOVC指令才能將 ALE激活。 在此期間，當訪問外部數(shù)據(jù) 存儲器，將跳過兩次 RSEN信號。 EA/VPP： 外部訪問允許。需注意的是：如果加密位 LB1被編程，復位時內(nèi)部會鎖存 EA端狀態(tài)。 Flash存儲器編程時，該引腳加上 +12V的編程允許電源 VPP，當然這必須是該器件是使用 12V編程電壓 VPP。 XTAL1： 振蕩器 (圖 25所示 )反相放大器的及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。 XTAL2： 振蕩器反相 放大器的輸出端。 時鐘振蕩器： AT89C52中有一個用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學 院 畢業(yè)設(shè)計說 明 書 （ 論 文 ） 11 腳 XTAL1和 XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端。外接石英晶體（或陶瓷諧振器）及電容 C C2接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。 10pF，而如使用陶瓷諧振器 建議選擇 40pF177。用戶也可以采用外部時鐘。這種情況下，外部時鐘脈沖接到 XTAL1端，即內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端， XTAL2則懸空。 中斷寄存器： AT89C52有 6個中斷源， 2個中斷優(yōu)先級， IE寄存器控制各中斷位，IP寄存器中 6個中斷源的每一個可定為 2個優(yōu)先級。 數(shù)據(jù)存儲器： AT89C52有 256個字節(jié)的內(nèi)部 RAM， 80H－ FFH高 128個字節(jié)與特殊功能寄存器（ SFR）地址是重疊的，也就是高 128字節(jié)的 RAM和特殊功能寄存器的地址是相同的， 但物理上它們是分開的。如果指令是直接尋址方式則為訪問特殊功能寄存器。 定時器 0和定時器 1： AT89C52的定時器 0和定時器 1的工作方式與 AT89C51相同 它既可當定時器使用，也可作為外部事件計數(shù)器使用 。 TMOD 只能進行字節(jié)操作，不能位尋址。 表 22 位 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 字節(jié)地址 TMOD GATE TC/ M1 M0 GATE TC/ M1 M0 89H GATE：門控制位。 GATE=1 時，只有 0INT 或 1INT 引腳為高電平且 TR0 或 TR1 由軟件置 1 后，才能啟動定時器。 TC/ =0 時，用于定時。 M1 和 M0 位： T1 和 T0 工作方式選擇位。 T1此時停止計數(shù) 單片機 中斷系統(tǒng) 中斷是使 CPU 暫停當前工作，去處理當前中斷事件，執(zhí)行完當前中斷服務(wù)，再回到原程序的過程。所有這些中斷源如圖 26 所示。 IE 也有一個總禁止位 EA，它能控制所有中斷的允許或禁止。中斷源入口地址如 表 24。 IT0=0， INT0 ()為低電平觸發(fā)方式； IT0=1， INT0 ()為邊沿觸發(fā)方式。 IE0=1，外部中斷 0 向 CPU 請求中斷。 IE1：外部中斷 1 標志位。 T0 溢出硬件置 1，響應(yīng)中斷后硬件清 0(在查詢方式下軟件清 0)。 TR0： T0 的啟?？刂莆?。 555 定時器 555定時器 （如圖 27） 是一種電路結(jié)構(gòu)簡單、使用方便靈活、用途廣泛的多功能電路。 555定時器的電源電壓范圍寬，雙極型 555定時器為 5～ 16V， CMOS555定時器為 3～ TTL及 CMOS數(shù)字電路兼容的接口電平。它在脈沖波形的產(chǎn)生與變換、儀器與儀表、測量與控制、家用電器與電子玩具等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。 8 腳：外接電源 VCC，雙極型時基電路 VCC 的范圍是 ~ 16V， CMOS 型時基電路 VCC 的范圍為 3 ~ 18V。 3 腳： 輸出端 Vo 2 腳：低觸發(fā)端 6 腳： TH 高觸發(fā)端 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學 院 畢業(yè)設(shè)計說 明 書 （ 論 文 ） 14 4 腳：是直接清零端。 5 腳： VC 為控制電壓端。 7腳：放電端。 圖 28為雙極型 5G555定時器的電路結(jié)構(gòu)圖。 C1和 C2為兩個電壓比較器，當 CO端懸空時，它們的基準電壓為 Vcc經(jīng) 3個 5k? 電阻分壓后提供。 Ur2=1/3Vcc為比較器 C2的基準電壓， TR /(觸發(fā)輸入端）為其輸入端。 Rd/ 為直接置 0端，只要 Rd/=0，輸出 uo便為低電平，正常工作時， Rd/端必須為 高電平。 設(shè) TH和 TR/端的輸入電壓分別為 u11和 u12,5Q555定時器的工作情況如下： 當 u11Ur u12Ur2時 ,比較器 C1和 C2的輸出 Uc1=0、 Uc2=1，基本 RS觸發(fā)器被置 0，Q=0、 Q/=1，輸出 uo=0,同時 V導通。 當 u11Ur u12Ur2時 ,Uc1=0 Uc2=1，基本 RS觸發(fā)器保持原狀態(tài) 不變。G1amp。 表 26 輸入 輸出 u11 U12 Rd/ uo V狀態(tài) 0 0 導通 2/3Vcc 1/3Vcc 1 0 導通 2/3Vcc 1/3Vcc 1 1 截止 2/3Vcc 1/3Vcc 1 不變 不變 ULN2021A ULN是集成達林頓管 IC，內(nèi)部還集成了一個消線圈反電動勢的二極管，可用來驅(qū)動繼電器。它的輸出端允許通過電流為 200mA，飽和壓降 VCE約 1V左右，耐壓 BVCEO約為 36V。采用集電極開路輸出，輸出電流大，故可直接驅(qū)動繼電器或固體繼電器，也可直接驅(qū)動低壓燈泡。 ULN2021A（如圖 29所示） 是一個非門電路，包含 7個單元，但獨每個單元驅(qū)動電流最大可達 350mA。當驅(qū)動電源電壓為 +12 V時，若要求數(shù)碼管每段導通電流為 40 mA，則每段的限流電阻為 50Ω。 ULN2021 的封裝（如圖 210所示）采用 DIP— 16 或 SOP— 16。 圖 210 ULN2021A封裝 ULN2021A的作用： ULN2021是大電流驅(qū)動陣列 , 具有電流增益高、 工作電壓高、溫度范圍寬、帶負載能力強等特點 經(jīng)常在以下電路中使用，作為：顯示驅(qū)動 、 繼電器驅(qū)動 、 照明燈驅(qū)動 、 電磁閥驅(qū)動 、 伺服電機、步進電機驅(qū)動等電路中 ，在驅(qū)動繼電器這種裝置時， COM端最好接上電源，以用來泄放繼電器線圈的反向電動勢。它的輸出結(jié)構(gòu)是集電極開路的，所以要在輸出端接一個上拉電阻，在輸入低電平的時候輸出才是高電平。 ULN2021A在各種控制電路中常用它作為驅(qū)動 繼電器的芯片，其芯片內(nèi)部做了一個消線圈反電動勢的二極管。輸出電流大，故可以直接驅(qū)動繼電器或固體繼電器 (SSR)等外接控制器件， 也可直接驅(qū)動低壓燈泡。每對達林頓管的額定集電極電流是 500mA，達林頓對管還可并聯(lián)使用以達到更高的輸出電流能力。步進電機可分為反應(yīng)式步進電機（簡稱 VR）、永磁式步進電機（簡稱 PM）和混合式步進電機（簡稱 HB）。 步進電機的驅(qū)動電路根據(jù)控制信號工作，控制信號由單片機產(chǎn)生。例如：三相步進電機的三拍工 作方式，其各相通電順序為 ABC－ D,通電控制脈沖必須嚴格按照這一順序分別控制 A,B,C， D相的通斷。 如果給步進電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉(zhuǎn)一步。調(diào)整單片機發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調(diào)速。輸液信號采集單元將采集到的信號經(jīng)過整形后發(fā)送給單片機，經(jīng)單片機處理后在鍵盤上顯示計算所得的液滴滴速，來調(diào)整控制電動機的正反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)控制滴速。得出整體系統(tǒng)框圖如圖 211 圖 211 整體系統(tǒng)框圖 點滴檢測單元 此單元模塊用來檢測是否有液滴滴下，其傳感器部分采用紅外對射傳感器， 紅外對射傳感器是由紅外發(fā)射管和受光管組成的，它的主要功能是 實現(xiàn)電 — 紅外線 — 電的轉(zhuǎn)換。因此是檢測液滴滴速的首選傳