戴诗川：液体点滴速度监控系统设计
图2-3 红外传感器电路
信号放大电路，由于红外光功率本身存在的缺陷问题，其接收电路产生的信号非常的微小，其电压是mV级的。所以必须通过放大电路将其电压信号放大，才能得到我们可以识别的信号。这里设计的放大器主要是由集成运算放大器LM324构成的同向交流放大器。
LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3伏或者高到32伏的电源上，静态电流大致为MC1741的静态电流的五分之一(对每一个放大器而言)。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。输出电压范围也包含负电源电压。
LM324N参数： (1) 短路保护输出； (2) 真差动输入级；
(3) 单电源工作：3至32V；
(4) 低输入偏置电流：最大100nA； (5) 每一封装四个放大器； (6) 内部补偿；
(7) 共模范围扩展到负电源； (8) 行业标准引脚输出；
(9) 在输入端的静电保护功能。 引脚说明：
它采用14脚双列直插塑料封装。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放是相互独立的。每一组运算放大器有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi(-)为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi(+)为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。
其放大倍数：Av=1+R4/R5。在此Av=1+500/22=23。经过23倍的放大后，红外光电传感器采集到的信号就可以很轻松的被识别及处理。信号放大电路如图2-4所示：
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图2-4 信号放大电路
电压比较电路，经过放大器放大处理过的信号，不管是高电平还是低电平均不是标准的，不可以直接被单片机识别和处理。因此需要将其转化为标准的脉冲信号，这就需要电压比较器了。电压比较器能将输入电压和标准电压相比较。如果输入电压低于标准电压，比较器就会输出0电压（低电压）；如果输入电压高于标准电压，比较器则会输出高电压(4～5V)。就这样，信号的转换就完成了。在本设计中，电压比较采用的是集成电压比较器LM339。R7是电位器，调节标准电压，R8是上拉电阻。电路如图2-5所示：
图2-5 电压比较电路
LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：失调电压小，典型值为2mV；电源电压范围宽，单电源为2～36V，双电源电压为±1V～±18V；对比较信号源的内阻限制较宽；共模范围很大，为0～(Ucc-1.5V)；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。
LM339类似于增益不可调的运算放大器，每个比较器有两个输入端和一个输出端。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，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339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。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于10mV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LM339用在弱信号检测等场合是比较理
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想的。LM339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一般接一只电阻（称为上拉电阻，选3～15K）。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。另外，各比较器的输出端可以连接在一起使用。LM339引脚配置如表2-1所示：
表2-1 LM339引脚配置 引脚 1 2 3 4 5 6 7 符号 OUTPUT2 OUTPUT1 V+ INPUT1- INPUT1+ INPUT2- INPUT2+ 功能 输出端2 输出端1 电源正 反相输入端1 同相输入端1 反相输入端2 同相输入端2 引脚 8 9 10 11 12 13 14 符号 INPUT3- INPUT3+ INPUT4- INPUT4+ GND OUTPUT4 OUTPUT3 功能 反相输入端3 正相输入端3 反相输入端4 正相输入端4 电源地 输出端4 输出端3 2.2 储液瓶液面检测模块
方案1：采用金属电极检测储液瓶液面信号。利用输液的导电性能完成液滴速度的检测，储液瓶液面信号的检测也是如此。一般电极采用不锈钢等耐腐蚀材料制成。
方案2：采用红外对管发射接收式传感器检测点储液瓶液面信号。发光二极管发射的平行光束穿过滴管投射到光敏三极管的感光面上，在没有液体时，光敏三极管接收到的光照度最大，产生的光电流也最大，当有液体时，由于液滴对红外光的吸收特性，使平行光束发散，投射到光敏三极管上的光照度将减弱，从而使光敏三极管产生的光电流减小。在低液面(2～3cm)的情况下，进气所形成上升气泡在液面的聚集与运动，使平行光束的发散效应明显增强。
方案3：通过软件设置完全可以通过检测点滴速度来产生报警信号，因此可以去掉液面检测电路而完全由液体点滴速度检测电路代替。这样在硬件方面的储液瓶液面检测电路就成了多余，而改由软件程序控制。
方案4：采用称重传感器检测，利用称重传感器测量瓶及瓶内液体总质量，并与实际测量中当液体液面下降达到设定位置时的瓶及瓶内液体总质量相比较，根据液体体积与质量的关系，当测量到的质量与设定值相等时发出报警 。
四种方案中，方案1和方案3实现起来相对来说比较困难，方案4由于输液瓶的不同存在一定的误差，因此采用方案2，电路图同点滴速度检测图相同，接入单片机P3.3口。
2.3 电动机控制模块
电动机选取：电动机有交流电动机、直流电动机、步进电动机等等，直流电机上电时即转动，一旦掉电则惯性较大，停机时还不会立即停下来停下来，转矩小、无抱死功能。如果按照设计要求准确停在某一个位置的话，那么其闭环算法就比较复杂。而步进电机则不同，它是用电脉冲控制的、将电脉冲信号转换成对应的角位移或线位移的电动机。每输入一个脉冲信号，步进电机转子就转动一个相应的角度或前进相应的一步，输出的角位移或线位移正比于输入的脉冲数。同时用单片机控制步进电机，不需要数/模转换，因为其控制信号为数字信号，短延时、准确定位、精度比较高、可操作性很强。
综合考虑，设计中要求定位要好，如果有一个停止信号，要求电机能立刻停止转动，
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因此应选择步进电机。本设计中采用42BY015型步进电机。
在地面安装电机，由一根软线缠绕在电机的主轴上，软线通过支架顶部的滑轮系在储液瓶上，在电机旋转的时候即可调节点滴装置的高度。在点滴速度采集信号和储液信号传送给系统进行分析、处理后，电动机的正反转会由相应的单片机I/O控制口输出的控制信号来进行驱动，进而能够达到精确的滴速控制。
然而在实际中由于单片机带负载能力是有客观限制的，如果光靠其本身不完全能够驱动步进电机转动，所以需要在二者之间加上步进电机驱动电路，这样就能加大了单片机带负载能力，本设计采用ULN2003芯片[9]。其步进电机驱电路图如图2-6所示：
图2-6 步进电机驱动电路
ULN2003是高耐压、大电流复合晶体管阵列，由七个硅NPN复合晶体管组成。该电路的特点如下：
ULN2003 的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻，在5V的工作电压下他能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。ULN2003工作电压高工作电流大，可灌电流达500mA，并且能够在关闭状态时承受50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。ULN2003采用DIP—16 或SOP—16 塑料封装。
ULN2003是大电流驱动阵列，多用于单片机、智能仪表、PLC、数字量输出等控制电路中，可直接驱动继电器等负载。
ULN2003 是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品，具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点，适应于各类高速大功率驱动的系统。
ULN2003引脚介绍：
引脚1：CPU脉冲输入端，端口对应一个信号输出端； 引脚2：CPU脉冲输入端； 引脚3：CPU脉冲输入端； 引脚4：CPU脉冲输入端； 引脚5：CPU脉冲输入端； 引脚6：CPU脉冲输入端；
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引脚7：CPU脉冲输入端； 引脚8：接地；
引脚9：该引脚是内部7个续流二极管负极的公共端，各二极管的正极分别接各达林顿管的集电极。用于感性负载时，该引脚接负载电源正极，实现续流作用。如果该引脚接地,实际上就是达林顿管的集电极对地接通；
引脚10：脉冲信号输出端，对应7脚信号输入端； 引脚11：脉冲信号输出端，对应6脚信号输入端； 引脚12：脉冲信号输出端，对应5脚信号输入端； 引脚13：脉冲信号输出端，对应4脚信号输入端； 引脚14：脉冲信号输出端，对应3脚信号输入端； 引脚15：脉冲信号输出端，对应2脚信号输入端； 引脚16：脉冲信号输出端，对应1脚信号输入端。 ULN2003极限值如下表2-2所示：
表2-2 ULN2003极限值
参数名称 输入电压 输入电流 功耗 工作环境温度 贮存温度 符号 VIN IIN PD Topr Tstg 数值 30 25 1 -20 to +85 -55 to +150 单位 V mA W ℃ ℃ 2.4 键盘输入模块
在人机对话中，键盘是输入是主要的组成部分，通常在选用键盘时，会遵循以下几个原则：
操作是否方便：通常会优先考虑使用操作简单的键盘输入；
视觉效果是否美观：在进行人工智能操作时，往往会偏爱视觉效果较佳的人机对话界面；
硬件设计是否简单：毫无疑问，设计思路简单且容易实现的键盘输入会大大减少工作量。
键盘是由一组规则排列的按键组成，一个按键实际上是一个开关元件，也就是说键盘是一组规则排列的开关。按键按照结构原理可分为两类，一类是触点式开关按键，如机械式开关、导电橡胶式开关等；另一类是无触点开关按键，如电气式按键，磁感应按键等。前者造价低，后者寿命长。因此，微机系统中最常见的是触点式开关按键，本设计也不例外。按键按照接口原理可分为编码键盘与非编码键盘两类，这两类键盘的主要区别是识别键符及给出相应键码的方法。编码键盘主要是用硬件来识别按键的，非编码键盘主要是由软件来实现键盘的定义与识别。全编码键盘能够由硬件逻辑自动提供与键对应的编码，一般还可以去抖动和多键、窜键，这种键盘使用方便，但需要较多的硬件，价格较贵，一般的单片机应用系统较少采用。非编码键盘只简单地提供行和列的矩阵，其它工作均由软件完成。由于其经济实用，较多地应用于单片机系统中，本设计便是如此。
设计中：键盘由人为的输入预置数据，需要十个数字键0～9。输入数据后，还需要按确认键来确定以及当数据输入有错误的时候，需要通过清除键清空已经输入的错误数据，又或者当输液过程中出现意外情况，如有人不小心碰到按键时还需要返回键功能返
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