液体点滴速度监控系统(1)

大学毕业设计（论文）

液体点滴速度监控系统设计

摘 要

医院常用的治疗手段是输液治疗，然而在传统输液过程中存在着输液速度不够精确、需要旁人监护等缺点。文中设计一种液体点滴监控系统来解决此问题。

系统是以 AT89S52 单片机为核心部件，以步进电机为控制元件，通过点滴传感器测量的液体滴速为输入量，运用PID控制方法，控制步进电机调节液瓶高度，从而达到控制液体滴速的作用，当液位低于一定值时，液位传感器输出报警信号，驱动声光报警装置。系统对液滴滴速的监测是通过红外对射传感器实现的，具有不接触液滴的优点，这对实际运用时的卫生要求提供了保证，光电传感器对液位监测具有实时性，且抗扰能力强，可靠性高等优点。

文中设计的液体点滴速度监控系统，实现了对输液速度的实时检测与控制，并能通过对输液瓶中面高度的检测来判断是否报警，并且动态显示输液速度，点滴速度的控制精度高，点滴的速度调节响应快、稳态误差小，生产成本不高，便于推广。

关键词：单片机；红外对射传感器；步进电机；光电传感器

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液体点滴速度监控系统设计

Design of Liquid Drop Speed Monitoring System

Abstract

Transfusion commonly used as treatment in hospital， but there were some problems， such as inaccurate， need transfusion of artificial guardianship， etc。 The goal is to design a transfusion monitoring system in order to solve those problems。

The system use AT89S52 SCM as machine’s core，use stepper motor as control element，The input come from dripping speed with infrared correlation sensors. Using the PID control technology, command stepper motor adjust the height of liquid bottle, to achieve the control dripping speed. When the liquid level below standard level, photoelectric sensor give out the signal of alarm. The system use infrared correlation sensors to monitoring liquid speed, have keep clear of liquid advantages, to provide guarantee with health. Photoelectric sensor have the real time, high immunity ability, high reliability advantages.

In this paper, design of liquid drop speed monitoring system, realized the real-time detection and control of the infusion speed, and can through to the surface height in the transfusion bottle detection to judge whether the alarm, dynamic display and transfusion speed, high control precision of dropping speed, intravenous drip speed regulating response quickly, small steady-state error, the production cost is not high, easy to promote.

Keywords：Singlechip; Infrared correlation sensors; Stepper Motor; Photoelectric sensor

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目 录

引 言 .................................................................................................................................... 1 第1章 绪 论 ...................................................................................................................... 2 1.1 本课题研究的意义 ............................................................................................................ 2 1.2 国内外的发展历史和研究现状 ........................................................................................ 2 1.3 本课题主要工作内容 ........................................................................................................ 3 第2章 液体点滴监控系统总体方案 .................................................................................... 4 2.1 控制方案 ............................................................................................................................ 4 2.2 点滴检测方案 .................................................................................................................... 4 2.3 液位监测方案 .................................................................................................................... 4 2.4 速度控制方案 .................................................................................................................... 4 2.5 电机选择及控制方案 ........................................................................................................ 5 2.7 系统总体框图 .................................................................................................................... 5 2.8 小结 .................................................................................................................................... 6 第3章 系统的硬件设计 ........................................................................................................ 7 3.1 系统框图与核心部件介绍 ................................................................................................ 7 3.2 点滴信号检测单元 ............................................................................................................ 7 3.3 点滴信号整形及A/D转换 ............................................................................................... 9 3.4 液位监测单元 .................................................................................................................. 10 3.5 键盘及显示单元 .............................................................................................................. 11 3.6 声光报警单元 .................................................................................................................. 13 3.7 电机驱动单元 .................................................................................................................. 13 3.8 供电单元 .......................................................................................................................... 16 3.8 小结 .................................................................................................................................. 17 第4章 系统的软件设计 ...................................................................................................... 18 4.1 系统软件总体设计 .......................................................................................................... 18 4.2 主控模块设计 .................................................................................................................. 19 4.3 点滴速度测量模块设计 .................................................................................................. 19 4.5 报警模块设计 .................................................................................................................. 21 4.6 小结 .................................................................................................................................. 22 结论与展望 .............................................................................................................................. 23 致 谢 ........................................................................................................................................ 24 参考文献 .................................................................................................................................. 25 附录A: 系统原理图 ............................................................................................................... 26 附录B: 引用外文文献及其译文 ........................................................................................... 27 附录C: 主要参考文献的题录及摘要 ................................................................................... 38 附录D：系统源程序 ............................................................................................................... 41

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插图清单

图2-1 整体系统框图 ................................................................................................................ 5 图3-1 系统框图 ........................................................................................................................ 7 图3-2 点滴信号检测电路 ........................................................................................................ 8 图3-3 脉冲产生原理电路 ........................................................................................................ 8 图3-4 方形脉冲 ........................................................................................................................ 8 图3-5 多谐振荡器图 ................................................................................................................ 9 图3-6 输入输出波形图 ............................................................................................................ 9 图3-7 点滴信号整形电路 ...................................................................................................... 10 图3-8 各点波形图 .................................................................................................................. 10 图3-9 液位监测系统框图 ...................................................................................................... 10 图3-10 液位监测系统电路图 ................................................................................................ 11 图3-11 矩阵键盘 .................................................................................................................... 12 图3-12 数码管显示电路 ........................................................................................................ 13 图3-13 L297引脚图 ............................................................................................................ 14 图3-14 L298N引脚图 ......................................................................................................... 15 图3-15 电机驱动电路 ............................................................................................................ 16 图3-16 电源电路 .................................................................................................................... 17 图4-1 系统软件流程图 .......................................................................................................... 18 图4-2 速度计算实现原理 ...................................................................................................... 19 图4-3 点滴速度测量程序流程图 .......................................................................................... 20 图4-4 电机控制原理框图 ...................................................................................................... 20

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引 言

随着我国老龄化社会的加速和计划生育政策的推进，在取得人口数量得到控制效果的同时，也使得如今我国将要面临严峻的养老问题和人力资源问题。对我国现代化进程带来严峻的挑战，也对我国医疗卫生事业提出更高的要求。如何更加有效的利用有限的医疗卫生资源，即在医护人员有限的条件下，照顾更多的病人，是必须要解决的问题。通常，一名医护人员需要同时对多名病人进行照顾，但难以一一细心兼顾，所以通常需要家人在旁陪伴，这不仅给病人带来精神上的负担，也加剧了亲人的负担。据统计，在病人住院过程中，亲人的陪护时间80%是用在看护病人输液上[7]。

输液是临床治疗中经常用到的治疗手段，它是一种通过静脉输入大量无菌溶液或治疗药物的治疗方法。静脉输液是利用液体静压的物理原理，将液体输入体内。输液瓶是一个入口和大气相通，下连橡胶管的玻璃瓶，瓶内液体受大气压力的作用，使液体流入橡胶管形成水柱，当水柱压力大于静脉压力时，瓶内的液体即顺畅地流入静脉。静脉输液不仅是给药的重要途径，也是给患都补充能量和营养的主要方法，静脉输液易将药物达致疗效浓度，并可持续维持疗效所需的恒定浓度。对肌肉、皮下组织有刺激的药物可经静脉给予。可迅速地补充身体所丧失的液体或血液。在输液过程中的也易发生如鼓包、气栓、血液回流等事故，处理不当易产生全身性或局部性的感染[2]。药物过量或滴注过快，易产生不良反应，甚至危及生命。持续性的过量输注，易造成循环负荷过重，或电解质失衡，医源性疾病的增多。若是失能病人，在输液过程中必须有人全程陪护，如发生不良情况，陪护人员须口头或手动按铃方式来唤叫医务人员。当陪护人员发生困倦时，极易发生输液事故，所以有设计一款智能的输液监控系统在临床治疗上有着重大的意义。

国外对智能输液系统研究较早，上世纪八十年代，欧美、日本等一些发达国家就进行了智能静脉输液的研究，一些发达国家很早就在医院安装了输液泵。输液泵是一种能够准确控制输液滴数或输液流速，保证药物能够速度均匀，药量准确并且安全地进入病人体内发挥作用的一种仪器[10]。同时，输液泵还能提高临床给药操作的效率和灵活性，降低护理工作量。输液泵通常是机械或电子的控制装置，它通过作用于输液导管达到控制输液速度的目的。常用于需要严格控制输液量和药量的情况，如在应用升压药物，抗心律失常药药物，婴幼儿静脉输液或静脉麻醉时。近年来我国也投入对静脉输液的研究，其主要的研究课题是对输液速度和报警方面的研究，目前国内对该方面的专利也较多，也有部分专利成为真正的产品，如星云S-I型输液泵、ZNB-XD智能输液泵等。但输液泵体积大，成本投入大[8]。使得我国一些三甲以下的医院望尘莫及，所以输液泵未能在国内医院普及和推广。

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第1章 绪 论

1.1 本课题研究的意义

目前，医院采用的静脉输液监护主要是靠人工值守的方式来进行，传统的输液原理是：利用高度差将液体注入患者静脉内，依靠软管夹轮的上下滑动来对软管夹紧或放松，来控制输液速度，输液速度的快慢要求医护人员根据药剂特性和自身的经验进行调节。守护人员对输液出现问题或输液结束采取手动按铃报警或口头通知等方式求助，这种输液方式在安全性，准确性方面问题极差，同时也耗费了人力和精力[1]。为了解决目前输液的敝端，使输液系统更加安全、便捷、应用现代技术手段开发出能在输液结束、输液故障提供声音文字报警提示，并能保证稳定的输液速度的一款智能的、低成本的输液系统对提升我国医疗质量有重要帮助。

1.2 国内外的发展历史和研究现状

为了解决静脉输液中给患者和医护人员带来的一系列问题，更好的实现输液过程的智能监护，多年来，国内外都为此进行了大量的实验和研究，研制了多种的输液监控设备，其发展历史主要包括以下这么几个阶段。

(1) 机械式的输液监测阶段

早在 1985 年时就有人提出了一种机械式的输液瓶液位的检测方法，该方法是利用输液瓶中液位的下降会导致其重量下降的原理来对其液位进行检测的，使用的主要工具是弹簧秤，用来称量药液瓶的重量，但是实际的情况是相对较为复杂的，药瓶的重量是多种多样的，因此该种方法的可靠性很差，并且使用起来不方便，不适合推广应用。

(2) 电容式输液监测阶段

电容式输液监测的原理是利用输液瓶中液位的变化能够导致电容变化的原理来对输液瓶中的液位进行监测，但是由于临床输液中的输液瓶的容积大小是有很多种的，如果要应用此方法的话就需要设计多种不同的输液监控设备，这会给医护人员的使用带来极大的不便，因此不适合推广应用。

(3) 电极式输液监测阶段

电极式输液监测的原理是利用插入茂菲式管的两电极来实现的，当电极的中间有液滴经过的时候，会产生中断的信号，这一特点能够对点滴的速度这一物理量进行监测。这种监测的手段简单有效，但是由于这种方式是需要和药物有接触，容易对药物产生污染，进而影响到静脉输液的治疗效果，因此不适合推广应用。

(4) 红外光电式输液监测阶段

红外光电式输液监测的原理是利用药液能够通过吸收和散射等方式使通过其中的红外光的强度减弱的原理来进行测量的，在茂菲式管的一端安装红外发射管，在另一端安装接收管，当两者之间有液滴经过的时候，接收端的传感器会感到光强变弱，把光信号的变化转化为电信号的变化，这样可以通过微控制器对这些信号进行处理而得到输液的信息。这种监测方法性能良好，性价比高，能够对输液信息进行准确的测量，并且与药液不接触，且和药液性质和输液器材无关，具有很强的适用性。除上述的四种输液监测的方式外，还出现过光纤式输液监测法和超声波式输液监测法等，但是由于这些方式的成本过高，导致性价比不强，因此没有得到广泛的应用和推广。随着科学技术的发展，网络化技术逐渐的应用到了输液监测领域，出现了两种比较主要的静脉输液监测网络，包括一类基于 RS-232 或 RS-485 总线技术的系统，这类系统由上位机、通信部分以及现场控制部分组成，通过以上提到的两种总线技术使各个分机连接组成输液监测的网络；另一类是以 CAN总线技术为支撑的，通过这种技术使各个分机连接成输液监测网

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络[11]。上述的两种总线技术虽然能够实现输液监测系统网络化的任务，但是这两种技术都属于有线技术，在实际的应用当中需要对系统进行布线，在安装和维护上面的成本相对比较高，而且对环境的依赖性也比较大，因此不适合在实际当中推广使用。 以上所提到的这些方式虽然都能够完成输液监测的任务，但其在灵敏度、药液使用范围、操作方法、生产成本等方面或多或少的存在着一些问题，所以至今没能在医疗设备市场上得到成功的推广使用。因此研制新型的输液监测系统是当前的卫生这个行业发展的一种需求。

1.3 本课题主要工作内容

本文提出并设计了一种新的点滴输液智能监控系统，本系统专为各大、中型医院量身定制，在输液的过程中，护土只需根据病人的现实需要调整参数，而不需要时时的监视即可及时了解患者的当前情况，这样就大大减少了护士和患者的接触次数，减少了护士的工作量，节省了大量时间，提高了工作效率。本系统设计新颖，成本低廉，实用性强，有利于普遍推广。本设计是基于AT89S52单片机的基础上，通过综合运用单片机控制技术、光电监测技术、通信技术、步进电机控制技术，实现输液治疗中的智能监控，能对输液过程的液滴速度，液位高度实行监控，当出现液位异常时，能即时报警。本系统的优点是，操作简便，安装方便，成本相对较低，并可以通过对按键控制液滴滴速问题，且抗扰能力强。主要功能有：

（1） 通过按键设定滴速。

（2） 自动控制液滴滴速，并实时显示。

（3） 液位出现异常和输液过程出现故障时能自动报警。 主要特点有：

（1） 采用PID控制步进电机，控制精确。

（2） 采用PWM技术，提高红外传感的抗干扰能力。 （3） 软件采用数字滤波技术提高系统程序的稳定性。 为此，课题主要工作内容是： 1. 查阅资料，确定方案

通过对液体点滴速度监控系统的相关发展史的学习，比较现有液体点滴监控装置的优缺点，并根据需要，确定系统的整体设计方案。

2. 系统软硬件设计

根据整体设计方案，设计出各个模块的硬件电路，完成各部分硬件系统功能框图。设计出系统的软件程序，并验证。

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第2章 液体点滴监控系统总体方案

2.1 控制方案

方案一：此方案是传统的两位模拟控制方案，其优点是电路简单，易于实现。但模拟方式难以把精度做的很高，难以实现系统需求中的键盘显示和动态显示滴速及远程通信的功能。

方案二：此方案采用 AT89S52 单片机系统来实现，可用软件实现复杂的算法和控制。这种方案方便地实现了系统需求中的键盘设定和动态显示滴速等功能。

比较后，选择方案二。

2.2 点滴检测方案

方案一：可见光发光二极管与光敏三极管传感电路。由于系统外界光源会对光敏二极管的工作有很大的干扰，一旦外界光亮度改变，就会影响对液滴的判断。如采用超强亮度发光管可以减小干扰，但功率损失大。所以方案一不可取。

方案二：不调制的红外对射传感器。由于直接采用直流电压对发光管进行供电，考虑到平均功率的限制，工作电流不能高于元件的额定值，对点滴照射有一定的困难且仍然容易受到外部光源等干扰。

方案三：脉冲调制的红外对射传感器。红外发射管的最大工作电流是由其平均电流决定的，采用占空比小的调制信号，瞬间电流会达到很大，大大提高了信号噪声比，提高了系统的抗干扰能力[9]。 比较后，选择方案三。

2.3 液位监测方案

方案一：使用拉力传感器间接测量。将拉力传感器接在滑轮和储液瓶之间，利用面高度变化和拉力变化之间的线性关系进行间接测量。但是拉力传感器价格贵，从实用性角度考虑，在设计系统中不合适。

方案二：使用光电传感器定点对液面进行监测。可以采用红外对管实现，根据接收管接收到的光强大小来判断液位是否到达警戒线。利用光在不同媒质界面的折射或反射原理，通过光电传感器接收光信号实现液面检测功能。此外，光电传感器安装方便，只

需将传感器固定在储液瓶外瓶壁上即可，不需要详细计算储液瓶液面高度值，简化了外 围电路结构。

比较后，从实用，简便同时保证测量准确度上，使用光电传感器测量储液瓶液面高度是最理想的选择。

2.4 速度控制方案

方案一：采用输液软管夹头的松紧程度来控制液滴流速，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，存在很多因素，例如橡胶粘度与液体粘度，弹簧弹力等等，都为非线性控制量，移动距离，移动阻力等参数难于计算，用机电系统实现起来较为困难。所以如果采用夹头控制难以实现类似的线性控制。

方案二：通过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，方案实现较为简便，通过步进电机可方便地实现对储液瓶高度的调节，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，并且没有现成的理论公式可以利用，而只能取足够多的采样点，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

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范围较大的情况下，这项工作较为繁杂。 经比较，选择方案二。

2.5 电机选择及控制方案

可用于本设计的电机有直流电机，步进电机，伺服电机，下面分析上述3中电机的特性。

直流电机：直流电机上电即转动，掉电后惯性较大，停机时还会转动一定角度后才可停下来；转矩小、无抱死功能，如果要求准确停在一个位置，其闭环算法较复杂。

步进电机：步进电机转矩相对直流电机大，价格适中，控制精度较高，适用于较精确的测量中，可有效提高输液速度的控制精度，并且有较好的抱死功能。

伺服电机：伺服电机，机械特性较好、输出功率较大、起动转矩大、驱动电路简单、正反转的控制较容易、且具有抱死功能。

经比较，由于伺服电机价格偏高，故选择步进电机。 控制方案有：模糊控制和PID控制

模糊控制算法：通过计算机完成人们用自然语言所描述的控制活动，不需要事先知道对象的数学模型，具有系统响应快、超调小、过渡过程时间短等优点。

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，将其运算结果用以输出控制。其控制精度较高但是相对响应的时间较长。PID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，适应性比较强。 故选择PID控制方案。

2.7 系统总体框图

单单单单单单单单单单单单单单单单单单单单单单单单单单图2-1 整体系统框图

单单单单单单单单AT89S52单单单单单单单单A/D单单单单单单单单单单 以 AT89S52 单片机为核心，根据前面的方案论证，电路主要包含以下几个模块：输液信号采集单元、脉冲整形和 A /D转换单元、液滴显示单元、声光报警单元和单片机外围电路等。其中输液信号采集单元完成输液信号的采集工作，脉冲整形和A/D转换单元把采集到的模拟信号变为数字信号以便单片机进行处理，单片机处理完毕后一方面显示输液速度等信息，另一方面根据设定的输液速度对输液速度进行调整。为简化起见电源与存储器扩展未画，整体系统框图如图 2-1。

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2.8 小结

本章介绍了液体点滴速度监控系统各部分的控制方案，通过比较，最终选择了合适的方案，并给出了整体系统框图。

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第3章 系统的硬件设计

3.1 系统框图与核心部件介绍

根据系统所要实现的功能，为系统设计出以下系统框图3-1。

驱动电路声光报警AT89S52键盘及显示步进电机EEPROM传感器图3- 1系统框图

AT89S52 作为微处理器，EEPROM24LC16用于掉电存储，每次上电后从站单片机都从中读取最近一次的设置。单片机通过外接红外对射传感器和光电传感器收集点滴滴速和液位高度，并与单片机内部设置的值比较，通过预设程序输出控制信号给L297与L298N组成的驱动电路，该电路进而控制步进电机调节液瓶高度，调节滴速。键盘与单片机相连，可以通过人工给单片机设置初始值，方便医护人员根据实际操作，显示模块能够实时将液体滴速和液位高度反馈给患者和医护人员。

AT89S52 单片机介绍：是Ateml公司出品的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程 Flash 存储器。使用Ateml公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程 Flash，使得 AT89S52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量 2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。因为其价格便宜便于推广，内置软件看门狗可免除外接看门狗芯片降低成本，又与工业80C51产品指令和引脚完全兼容便于掌握，片上Flash允许程序存储器在系统可编程使用灵活方便，故而选择 AT89S52作为微处理器。

3.2 点滴信号检测单元

此单元模块用来检测是否有液滴滴下，其传感器部分采用红外对射传感器，如图 3-2 所示。

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图3-2 点滴信号检测电路

红外对射传感器是由红外发射管和受光管组成的，它的主要功能是实现电—红外线—电的转换。由于红外光波长比可见光长，受可见光影响较小，其红外系统具有尺寸小、重量轻、易于安装等优点。因此是检测液滴滴速的首选传感器。为了减少环境光源的干扰、增强信噪比，采用脉冲调制的方式。发射、接受的简化原理电路如图 3-3下，发射部分采用74HC14与电阻电容组成的电路来产生100Hz、占空比为 20%的方形脉冲，如图 3-4所示。

图3-3 脉冲产生原理电路

图3-4 方形脉冲

74HC14(将缓慢变化的输入信号转换成清晰、无抖动的输出信号)是具有施密特功能的六反相器，由74HC14构成的多谐振荡器电路如图 3-5所示。74HC14输入输出点的波形图如图 3-6所示。

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图3-5 多谐振荡器图

图3-6 输入输出波形图

施密特触发器具有上限阈值电压下V2、限阈值V1的特性，且受芯片电源VDD的限

1制。多谐振荡器电路产生的信号周期的频率满足f?，

RCln[V2(VDD?V1)/V1(VDD?V2)]1令ln[V2(VDD?V1)/V1(VDD?V2)]为k，则f?。对于74 HC14而言，当VDD=5V时，

RCk下限阈值电压V1=1.4V，上限阈值电压V2= 3.6V ，所以有 K = 1.89。考虑到脉宽可调的状况进而可以得出1.89(RR)?C，TT表示方形脉冲的一个周期大小， 1//R2?2(R1//R2):(R1//R2?R2)?1:5。

3.3 点滴信号整形及A/D转换

信号整形原理电路与各点波形如图 3-7和 3-8所示。通过信号整形电路的原理图和时序图，可以对整形有简单的了解。在实际操作中，接收到的信号会在每一个液滴下落时产生相距很近的双脉冲，这会给计数带来极大的干扰。为了消除这种干扰，减小虚假信息的影响，提高采样的可靠性，还需使用软件滤波的方式，将相距很近的两个脉冲滤去一个，这就保证了计数的精确性。

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图3-7 点滴信号整形电路

图3-8 各点波形图

3.4 液位监测单元

同速度检测部分一样，本文也曾提出了两种实现方法，即有损探测和无损探测。考虑到系统的医用卫生标准，医用吊瓶中应尽量避免异物进入，所以选择红外无损探测方案。虽然吊瓶壁厚度和外直径都比滴斗大的多，但在增大了红外发射功率后，通过有水和无水的储液瓶接收信号差异还是可以达到30 ~ 40mV ，这说明红外无损探测对于越限报警电路来说也是可行的。由于越限报警电路只需要在液面下降到红外发射接收通路高度以下时发出警报，因此传感器部分接收到的信号不需要经过滤波，而只需放大即可，出于尽量减小信号传输损耗的考虑，把初级放大部分电路与传感器一起设计在储液瓶旁边。再设定一个门限电平，使接收信号高于门限电平时给单片机送入一个信号，产生警报，即构成了越限报警电路，其系统框图及电路图分别如图 3-9和图 3-10。

储液瓶红外发射红外接收门限信号放大比较图3-9 液位监测系统框图

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图3-10 液位监测系统电路图

3.5 键盘及显示单元

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实现对键的识别，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，此外，一般还具有去抖动和多键、窜键保护电路，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。本设计使用的是机械触点式按键开关，其主要功能是把机械上的通断转换成为电气上的逻辑关系。也就是说，它能提供标准的TTL逻辑电平，以便与通用数字系统的逻辑电平相容。机械式按键再按下或释放时，由于机械弹性作用的影响，通常伴随有一定时间的触点机械抖动，然后其触点才稳定下来。抖动时间的长短与开关的机械特性有关，一般为5~10ms 。按键触点的机械抖动在触点抖动期间检测按键的通与断状态，可能导致判断出错。即按键一次按下或释放被错误地认为是多次操作，这种情况是不允许出现的。为了克服按键触点机械抖动所致的检测误判，必须采取去抖动措施，可从硬件、软件两方面予以考虑。在键数较少时，可采用硬件去抖，由于本设计键数较多，故采用软件去抖。软件去抖采取的措施是：在检测到有按键按下时，执行一个10ms左右（具体时间应视所使用的按键进行调整）的延时程序后，再确认该键电平是否仍保持闭合状态电平，若仍保持闭合状态电平，则确认该键处于闭合状态；同理，在检测到该键释放后，也应采用相同的步骤进行确认，从而可消除抖动的影响。一个完善的键盘控制程序应具备以下功能：（1）检测有无按键按下，并采取硬件或软件措施，消除键盘按键机械触点抖动的影响。（2）有可靠的逻辑处理办法。每次只处理一个按键，其间对任何按键的操作对系统不产生影响，且无论一次按键时间有多长，系统仅执行一次按键功能程序。（3）准确输出按键值（或键号），以满足跳转指令要求。本系统因使用的按键较多，故采用矩阵式（也称行列式）键盘。矩阵式键盘由行线和列线组成，按键位于行、列线的交叉点上。一个4×4的行、列结构可以构成一个含有16个按键的键盘，显然，在按键数量较多时，矩阵式键盘较之独立式按键键盘要节省很多 I /O口。矩阵式键盘中，行、列线分别连接到按键开关的两端，行线通过上拉电阻接到+5V上。当无键按下时，行线处于高电平状态；当有键按下时，行、列线将导通，此时，行线电

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平将由与此行线相连的列线电平决定。这是识别按键是否按下的关键。然而，矩阵键盘中的行线、列线和多个键相连，各按键按下与否均影响该键所在行线和列线的电平，各按键间将相互影响，因此，必须将行线、列线信号配合起来作适当处理，才能确定闭合键的位置。设计的键盘电路如图 3-11所示，其中INT0为P3.2口。

+5V89S52INTOP2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P2.5P2.6P2.7&图3-11 矩阵键盘

在单片机应用系统中，键盘扫描只是CPU 的工作内容之一。CPU 对键盘的响应取决于键盘的工作方式，键盘的工作方式应根据实际应用系统中 CPU 的工作状况而定，其选取的原则是既要保证 CPU 能及时响应按键操作，又不要过多占用 CPU 的工作时间。通常，键盘的工作方式有三种，即编程扫描、定时扫描和中断扫描。编程扫描方式是利用 CPU 完成其它工作的空余调用键盘扫描子程序来响应键盘输入的要求。在执行键功能程序时，CPU 不再响应键输入要求，直到 CPU 重新扫描键盘为止。定时扫描方式就是每隔一段时间对键盘扫描一次，它利用单片机内部的定时器产生一定时间（例如10ms）的定时，当定时时间到就产生定时器溢出中断，CPU 响应中断后对键盘进行扫描，并在有键按下时识别出该键，再执行该键的功能程序。采用上述两种键盘扫描方式时，无论是否按键，CPU 都要定时扫描键盘，而单片机应用系统工作时，并非经常需要键盘输入，因此，CPU 经常处于空扫描状态，为提高 CPU 工作效率，可采用中断扫描工作方式。其工作过程如下：当无键按下时，CPU 处理自己的工作，当有键按下时，产生中断请求，CPU 转去执行键盘扫描子程序，并识别键号。

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图3-12 数码管显示电路

本系统的显示采用 ZLG7289B 驱动数码管的方式进行实现，ZLG289B是广州周立功单片机发展有限公司自行设计的数码管显示驱动及键盘扫描管理芯片，可直接驱动八位共阴式数码管。其内部含有译码器，可直接接受 BCD码16进制码，并同时具有两种译码方式。此外，ZLG7289B还具有多种指令控制，如消隐、闪烁、左移、右移、段寻址等。而且它与微控制器的接口也非常简单，采用SPI串行总线，仅占用很少几根I /O口线。

3.6 声光报警单元

本设计采用一个蜂鸣器与一个发光二极管实现声光报警。当传感器检测到液位低于预设值或传感器检测不到有液滴下落时，单片机控制蜂鸣器和报警灯工作，发出声光。在实际应用中，如果设定的滴速过高，输液瓶上升到支架顶部时，仍达不到设定的滴速，输液瓶继续上升有可能会拉倒支架，造成危险。

3.7 电机驱动单元

L297：L297是意大利SGS半导体公司生产的步进电机专用控制器，它能产生4相控制信号，可用于计算机控制的两相双极和四相单相步进电机，能够用单四拍、双四拍、四相八拍方式控制步进电机。芯片内的PWM斩波器电路可开关模式下调节步进电机绕组中的电机绕组中的电流。该集成电路采用了SGS公司的模拟/数字兼容的I2L技术，使用5V的电源电压，全部信号的连接都与TFL/CMOS或集电极开路的晶体管兼容。L297的芯片引脚特别紧凑，采用双列直插20脚塑封封装，其引脚见图3-13。

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SYNCGNDHOMEAINH11234567891020191817161514131211CINH2DENABLEBRESETHALF/FULLCLOCKCW/CCWOSCVrefSENS1SENS2VccCONTROL图3-13 L297引脚图

? 1脚(SYNG)——斩波器输出端。如多个L297同步控制，所有的SYNC端都要连在

一起，共用一套振荡元件。如果使用外部时钟源，则时钟信号接到此引脚上。 ? 2脚(GND)——接地端。

? 3脚(HOME)——集电极开路输出端。当L297在初始状态(ABCD=0101)时，此端有

指示。当此引脚有效时，晶体管开路。 ? 4脚(A)——A相驱动信号。

? 5脚(INH1)——控制A相和B相的驱动极。当此引脚为低电平时，A相、B相驱动

控制被禁止；当线圈级断电时，双极性桥用这个信号使负载电源快速衰减。若CONTROL端输入是低电平时，用斩波器调节负载电流。 ? 6脚(B)——B相驱动信号。 ? 7脚(C)——C相驱动信号。

? 8脚(INH2)——控制C相和D相的驱动级。作用同INH1相同。 ? 9脚(D)——D相驱动信号。

? 10脚(ENABLE)——L297的使能输入端。当它为低电平时，INH1，INH2，A，B，

C，D都为低电平。当系统被复位时用来阻止电机驱动。

? 11脚(CONTROL)——斩波器功能控制端。低电平时使INH1和INH2起作用，高电

平时使A，B，C，D起作用。 ? 12脚(V cc)——+5V电源输入端。

? 13脚(SENS2)——C相、D相绕组电流检测电压反馈输入端。 ? 14脚(SENS1)——A相、B相绕组电流检测电压反馈输入端。

? 15脚(Vref )——斩波器基准电压输入端。加到此引脚的电压决定绕组电流的峰值。 ? 16脚(OSC)——斩波器频率输入端。一个RC网络接至此引角以决定斩波器频率，

在多个L297同步工作时其中一个接到RC网络，其余的此引角接地，各个器件的脚 I (SYNC)应连接到一起这样可杂波的引入问题。

? 17脚(CW/CCW)—方向控制端。步进电机实际旋转方向由绕组的连接方法决定。当

改变此引脚 的电平状态时，步进电机反向旋转。 ? 18脚(CLOCK)——步进时钟输入端。该引脚输入负脉冲时步进电机向前步进一个增

量，该步进是在信号的上升沿产生。 ? 19脚(HALF/FULL)——半步、全步方式 选择端。此引脚输入高电平时为半步方式(四

相八拍)，低电平时为全步方式。如选择全步方式时变换器在奇数状态，会得到单相工作方式(单四拍)。

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? 20脚(RESET)——复位输入端。此引脚输入负脉冲时，变换器恢复初始状态

(ABCD=0101)。

L298N: L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用15脚封装。主要特点是:工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；额定功率25W。内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。其引脚图见图3-14.

图3-14 L298N引脚图

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1脚(SENA)——此两端与地连接电流检测电阻，并向驱动芯片反馈检测到的信号。 2脚(OUT1)——此两脚是全桥式驱动器A的两个输出端，用来连接负载。 3脚(OUT2)——集此两脚是全桥式驱动器A的两个输出端，用来连接负载。 4脚(VS)——电机驱动电源输入端。

5脚(IN1)——输入标准的TTL逻辑电平信号，用来控制全桥式驱动器A。

6脚(ENA)——使能控制端。输入标准TTL逻辑电平信号；低电平时全桥式驱动器禁止工作。

7脚(IN2)——输入标准的TTL逻辑电平信号，用来控制全桥式驱动器A。 8脚(GND)——接地端，芯片本身的散热片与8脚相通。 9脚(VSS)——逻辑控制部分的电源输人端口。

10脚(IN3)——输入标准的TTL逻辑电平信号，用来控制全桥式驱动器B的开关。 11脚(ENB)——使能控制端。输入标准TTL逻辑电平信号；低电平时全桥式驱动禁止工作。

12脚(IN4)——输入标准的TTL逻辑电平信号，用来控制全桥式驱动器B的开关。 13脚(OUT3)——此两脚是全桥式驱动器B的两个输出端，用来连接负载。 14脚(OUT4)——此两脚是全桥式驱动器B的两个输出端，用来连接负载。

15脚(SENB )——此两端与地连接电流检测电阻，并向驱动芯片反馈检测到的信号。

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图3-15 电机驱动电路

使用L297和L298N可以作为两相双极性的步进电机驱动电路，它是采用定电流方式驱动，每相电流峰值可达2A，L297是步进电机控制器，用来产生两相双极性驱动信号（A,B,C,D）与电机电流设定，L298N是用来驱动步进电机的电力输出，是双桥接方式驱动，由于采用双极性驱动，因此电机线圈完全利用，是步进电机可以到达最佳的驱动。 步进电机驱动电路见图3-15。

3.8 供电单元

任何电气设备的使用均离不开供电系统，在整个单片机系统设计中，电源的设计必须要考虑的。电源的设计取决于系统所要求的供电方式，如是采用单电源方案，还是多电源方案，系统的功耗有无特殊规定等。在本设计中由于系统所选用的单片机是 AT89S52，它的标准工作电压为+5V，采集所用的发光二极管和光敏三极管等电路它们的工作电压都是+5V ，因此在本设计中采用单电源方案，单电源方案的优点是系统简单、工作可靠。此外由于设计到对步进电机的控制，步进电机及驱动电路由一片L279和一片L298N 组成，L297的工作电压为+5V，L298N除逻辑电路工作电压+5V外，还需加入一较高的电源电压以便增强电机的驱动能力。根据L298N的相关资料，这个电源电压的范围在+2.5V ~+46V之间，考虑到用电安全及设计方便等因素，将其设定在+15V。因此我们的目标是设计出一个能够提供+5V与+15V的电源，其电路如图 3-16所示。

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图3-16 电源电路

由上图可以得知，此电源电路可以将220V的交流市电转换为+15V和+5V直流电进输出。从原理上看，首先将220V交流电通过变压器转换为24V交流电，然后采用二极管桥式整流电路并通过滤波电容 C11对其进行整流，获得略低于 24V 的直流输出，经过C13滤除纹波电压后进入集成稳压源L7815产生+15V直流电压提供给L298N使用，同时此电压又作为 MC7805 的输入电压，通过 MC7805产生+5V电压供系统逻辑电路和各模块使用。这种做法的好处是只使用一个变压器，降低了成本，同时还减小了+5V 直流电源的纹波电压。 3.8 小结

本章主要介绍了系统框图与系统核心电路图，然后设计了各子模块的硬件电路。

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第4章 系统的软件设计

4.1 系统软件总体设计

系统软件流程如图 4-1 所示。

单单SFT单单单单EEPROM单单单单单单单单单单单单单单单Y单单单单单单单单单单单单N单单单单单单Y单单单单单单单单单单单单单N单单单单单EEPROM单图4-1 系统软件流程图

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4.2 主控模块设计

主控模块作为软件系统核心，在工作的时候首先对数据缓冲区和串口部分进行初始化，然后协调各子模块进行工作。本设计的初始化主要包含以下两方面，一方面是对串口进行初始化，让串口工作在方式1，波特率则由定时器T1的溢出率进行设定，设置为1200b it/s，并处于允许接收的状态。单片机外围电路中使用频率为11.0592MHz 的晶振，需将定时器1的初始值设定为 248(0E8)。因为串口数据通信过程中的发送与接收都必须通过中断来进行实现，故而还必须设定串口的中断方式；另一方面是对外部中断0的设置，在输液监控系统中，每当有液滴下落时，液滴检测电路就会将其产生的电信号捕捉，送到信号整形与A/D转换电路中，最后产生一个数字脉冲，送至单片机内部使之产生一个外部中断0。系统在此中断计数时，需要开启外部中断0，且将其设置在电平触发模式，以及用于计数的R4寄存器的清零。

4.3 点滴速度测量模块设计

点滴速度可以有以下两种方式进行测量。方式一：以点滴间隔为单位，记录一次点滴的时间，用60除以点滴单位时间就可得到每分钟的点滴数。这种方法用到除法操作，而且当点滴速度较快时，测量误差较大，因为测量单位点滴时间的误差回被60秒这样大的时间单位放大。但此法在修正点滴速度时，可以实时的测得当前的点滴的速度变化量，适合在调整滴速度使用。方式二：以单位时间记录点滴数。通过简单的乘法就可计算出点滴速度，但此法也存在单位时间内不是完整的点滴数目，从而存在一定的测量误差。但是，此法在点滴速度恒定的情况下，可以采用多个单位时间取均值，从而求得单位时间的平均点滴数，这样可以达到比较好的精度。在本设计系统中，采用将两者结合的方法进行测量。以点滴为单位，同时记录单位时间内的点滴数。通过对多个点滴测量计算出点滴速度。实现原理如图4-2。

中断计数中断计数图4-2 速度计算实现原理

使用定时器T0定时200us，当检测到第一个到来的脉冲信号时，程序进行中断处理，将计数器存储内容读出，再将计数器清零作为记录脉冲信号的初始值计为COUNT =0，当定时器定时到达200us时，程序中断检测输入信号是否有脉冲信号到来，同时计数器加1即为COUNT=1，另外设定计数器COUNT1记录检测到的脉冲信号个数，设定计数器 COUNT 1的存储单元是10，这样可以通过循环存储脉冲个数。在定时器 COUNT1中取出5个相临脉冲信号点（设起始脉冲点是x，此时对应的计数器COUNT值是n1，第五个脉冲点是x+5，此时对应的计数器COUNT值是n2）这样就能计算出5个脉冲点所需要的时间为：t = (n2- n1)×200us，进而得到相临脉冲信号时间间隔的平均值 T = t / 5，这样就可以得到点滴速度：v=60s / T =1500 / (n2-n1)。根据上面的理论分析和计算，得到点滴速度测量的程序框图如图 4-3。

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开始定时200us设置计数器COUNT=0设置计数器COUNT1=0 否定时结束退出中断是COUNT加1 是检测到脉冲信号否计数器COUNT1加1 图4-3 点滴速度测量程序流程图

4.4 电机控制算法

在本系统中，采用了工业上较为流行的 PID控制算法，其原理框图如图 4-4。

-S(k)e(k)控制器图4-4 电机控制原理框图

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U(k)被控对象Y(k) 大学毕业设计（论文）

基本的 PID算法有两种：

1） 直接计算法：就是直接计算当前所需要的控制量。公式如下： Pout?Kp?e(k)?Ki??e(k)?Kd?[e(k)?e(k?1)]

这种方法需要作累加运算，而且要保存所有的 e(k)，需要的存储空间很大。 （2）增量计算法：就是相对于标准算法的两次运算之差。公式如下：

P?Pout(k)?Pout(k?1)?KP?[e(k)?e(k?1)]?Ki?e(k)?Kd?[e(k)?2e(k?1)?e(k?2)] 几个基本概念：

基本偏差： e(t)表示当前测量值与设定目标之差，设定目标是被减数，结果可以是正或负，正数表示还没有达到，负数表示已经超过了设定值。这是面向比例项用的变动数据。

累计偏差：?e(t)?e(t)?e(t?1)?e(t?2)?????e(1)，这是每一次测量到的偏差值的总和，这是代数和，考虑到正负符号的运算，这是面向积分项用的变动数据。

基本偏差的相对偏差 e(t)-e(t-1) ，用本次的基本偏差减去上一次的基本偏差，用于考察当前控制的对象的趋势，作为快速反应的重要依据，这是面向微 分项的一个变动数据。

比例调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。

积分调节作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数 Ti ，Ti 越小，积分作用就越强。反之 Ti 大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组成 PI 调节器或 PID调节器。

微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为 0。

本系统采用 PID，PD，变速积分三种算法综合运用的方案。当偏差较大时，使用 PD算法；当偏差较小时，采用 PID算法；当偏差适中时，采用变速积分算法。PID参数Kp、

Ki、Kd通过实验拟和曲线，代入算法程序中测试，得出一组较为合适的参数。在程序中，采用Kp=5，Ki=5，Kd=2的参数设定，得到了较为满意的效果。

4.5 报警模块设计

查询液滴有无及液滴过慢时的报警模块程序设计主要是依靠4s定时中断来实现的。根据前面的分析，输液过程中滴下的液滴数量是通过程序对由 INT0所传过来的信号边缘进行检测计数的，在程序中利用对R4加1来实现对液滴计数。因此，只要在4S内有液滴滴下R4中的值就一定会改变，在正常的输液情况下在4s的时间内R4的值是一定会改变的。因此，就通过判断4s内R4的值是否变化，来判断在这 4s的时间间隔中是否有液滴滴下，当R4的值有变化时就说明4s 内有液滴滴下;当判断出4R 的值没有任何变化就说明4s内没有液滴滴下，给报警标志位置1，并把单片机的 P0.7脚置1和 P3。0 脚置0，使它们分别驱动蜂鸣器和发光二极管进行声光报警。

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附录B引用外文文献及其译文

Development of a Novel Drive Topology

for a Five Phase Stepper Motor

Abstract: In this paper, a novel drive topology for a five phase stepper motor is described in detail. Commercially off the shelf, low cost, standard stepper motor drive ICs are used to derive a novel drive topology for five phase stepper motors which enables closed loop speed and position control powered by inner current control loop. It is proved that the derived topology can be generalized to any stepper motor with higher odd number of phases.

The designed driver consists of full step, half step, clockwise and counter clockwise drive modes with the speed control and current control.

1.INTRODUCTION

In most of the robotics and automation engineering designs various types of stepper motors are used to obtain the required motion profiles. Stepper motors are preferred as they do not require frequent maintenance and due to their ability to operate in many

harsh environments. Selection of the motors and their drive circuits depend on th required performance characteristics of the applications. The two phase and four phase stepper motors are the most common types available in the market.

However, for applications requiring high precision, low noise and lower vibration, Five Phase Stepper Motors are used. Due to smaller step angle, five phase stepper motors offer higher resolution, lower vibration and higher accelerations and decelerations. Therefore it is essential to make sure that these motor characteristics can be obtained from the designed drive topology.

Because the five phase stepper motors are a rarely used type in the robotic applications and the construction is typically complicated, it is very difficult to find driver ICs, which are manufactured exclusive for them. As a result, the available Driver circuits for five phase stepper motors are very expensive.

Using the available drive control ICs manufactured for common kinds of stepper motors such as 2 phased and 4 phased and using them in modeling new driver topology for other stepper motors would be a cost effective approach.

The IC L297 integrates all the control circuitry required to control bipolar and stepper motors. The L298N dual H bridge drive forms a complete microprocessor to stepper motor interface. Here, novel drive topology is investigated and developed for five phase stepper motors by adding a microprocessor and logical control system with L297 and L298N. The complete topology is described in this paper.

Section II explains the component characteristics. Section III is on the control logic circuit design phenomena. The interface design is given in Section IV with results in Section V. Finally the conclusions are presented in Section VI.

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2.CHARACTERISTIC ANALYSIS of MAIN COMPONENTS

The IC L297 can be used with an H bridge driver IC for motor drive applications as shown in Fig.1. In this design H bridge function is achieved from the L298N or L293E. This may change depending on the power rating of the motor. The control signals to the L297 may be received for microcontroller or from external switches. A single IC can drive a 2 phase bipolar permanent magnet motor, a 4 phase permanent magnet motor or a 4 phase variable reluctance motor. Because very few electronic components are used, it has many advantages such as lower cost, higher reliability and the ability to house in a comparatively smaller space. The L297 generates three modes of phase sequences, namely half step mode, full step mode and wave mode depending on the input signals it receives.

Fig. 1. Circuit diagram to drive a 2 phase bipolar or 4 phase polar stepper motor using L297 and L298N ICs

A. CURRENT CONTROL

Small stepper motors generally need small DC supplies that control the winding currents and they are limited by the winding resistances. On the other hand, motors with the larger rated torque values have windings with smaller resistances. Therefore, they require a controlled current supply.

The L297 provides load current control in the form of two Pulse Width Modulation (PWM) chopper circuits and each chopper circuit consists of a comparator, a flip-flop and an external sensing resistor.

In this method, while the motor current is increasing, the control system applies the supply voltage to the motor. When the current is reached up to the threshold, the control system tries to maintain the current at the desired value by changing the duty ratio of the voltage supply as shown in Fig.2. For each chopper circuit, the duty ratio (D) of the voltage supply to the motor is defined as:

D = Ton / (Ton + Toff),

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Fig. 2. Circuit containing the flip-flop, the oscillator and the comparator used voltage for current control

Fig.3. PWM operation of the for current controlling

Fig.3 shows how the current through the motor is controlled. When the motor current goes beyond the set point, the voltage applied to the motor terminal will be

grounded. Therefore the current will decay and finally the motor current can be controlled.

The L298N is a monolithic circuit contains two H bridges. In addition, the emitter connections of the lower transistors are brought out to external terminals allowing the connection of current sensing resisters.

B. CURRENT CONTROL IN INHIBIT CHOPPER MODE

Inhibit chopper control mode and phase line chopper control mode are two of the

most common types of current control techniques available. In the latter case when the voltage across the sensing resistor reaches to Vref, only the low side switch is made off. Hence this method is not suitable and inhibit chopper control mode has to be used. The required switching sequences for this can be taken directly from L297.

Inhibit chopper mode can be selected by pulling down (grounded) the CONTROL input signal of L297. Then chopper acts on INH to control the current through the motor coils. Therefore the contribution of INH signal generated from L297 is very important to create ENABLE signal for L298N. In the case when the voltage across the sensing resister reaches to Vref, the chopper flip-flop is reset and INH is activated and is brought to low. Then it turns off all four switches of the bridge. The chopping frequency is determined by the internal

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oscillator of the L297. After switching off all transistors, the diodes provide a path to divert the winding current. The switches of the H bridge are made on in the next oscillator cycle.

Fig.4 explains current control phenomena at an instant when phase signal A is high and B is low. These A and B signals are fed to two AND gates connected to low and high side switches in the L298N to generate excitation signal with the same INH1

signal in order to control the load current. The AND gate output will become high only if and only if the INH1 is high.

Fig. 4. Inhibit chopper waveform when CONTROL is LOW

III. LOGIC CIRCUIT DESIGNING

In any mode of operations, wave patterns of A, B, C and D phases of the L297

repeat after four clock cycles as shown in Fig.5. Translation of the repetition of the phase waveform after the ten clock cycles is essential to derive the drive topology for the five phase stepper motor.

Fig. 5. In the normal operation, L297 two phases of a 4 phase stepper motor or two ends of a 2 phase stepper motor winding are made ON at a time and the sequence repeats after every 4 clock cycles

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Fig. 6. Five phase excitation sequence

By analyzing the three modes of operations of the L297, it is clear that in the normal drive mode, which is usually called as two-phase-on drive mode, should be selected to achieve the required excitation sequence for a 5 phase stepper motor as shown in the Fig.6.

By studying the required excitation sequence for 5 phase stepper motor and A, B, C,D phase sequences of the L297, the required logic circuit was designed. The procedure mentioned below was followed.

(i) Separation of High and Low side transistor excitation pattern for each phase from five phase excitation sequences as shown in Fig.6.

(ii) Selection of suitable phases from A, B, C and D of L297 to generate the high side excitation sequences.

(iii) Generating input signals to the L298N using A, B, C, D output signals of the microcontroller and the relevant AND gates.

(iv) Create ENA (enable A) and ENB (enable B) signals for L298N

By dividing ten (10) steps of required phase pattern in to twenty (20) steps can be equated to the four clock cycles of output wave pattern generated by the L297. The

Fig.7 explains the clock cycle selection for required high and low side excitation sequence. High side transistor excitation sequence can be generated from L297 by selecting suitable output phases of the L297. The selected order, which is the two-phase-on mode of L297 is shown in the Fig.8. The microcontroller signals are used to generate the required high side pulse patterns. The DM74LS08 Quad 2-Input AND Gates are used to AND microcontroller signals and signals received from L297.

As shown in Fig.9, the input signals and Enable signals determine the high side and low side transistor switching patterns. Therefore ENABLED (EN) signals are fed

from the microcontroller. But to achieve current control of the motor INH signal must

engaged with the Enabled signal to the L298N as explained under current control section. The Fig.10 explains how the EN signal to L298N is generated using the required Enable signal created by the microcontroller and Inhibit (INH) signal from

L297. An AND operation of these two signals generates the relevant EN signal for

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L298N.

Fig. 7. Required High and Low side transistor excitation sequences

Fig. 8. Generation of Input signals to the L298N

The L298N consists with H-bridges and one output of a bridge was used for a phase. Two inputs of one H bridge is dependent each other. Therefore both outputs of

a single bridge cannot be used. To generate five phases, it is required to have three numbers of L298N dual full bridge driver ICs. The selection of inputs and outputs of L298N are shown in Fig.13 of Section IV.

一种新的五相步进电机驱动电路开发

摘要

本文详细地介绍了一种新的五相步进电机驱动电路。这种新的驱动电路是由商业上现成的，廉价的，标准的步进电机驱动 IC 搭建，它能实现由内部电流回路驱动的闭环速度和位置控制。经证明，这种驱动电路能推广到任何更多相数的奇数相的步进电机。

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这种驱动电路具有速度控制和方向控制，包括全步、半步、顺时针、逆时针控制模式。

一、概述

在大多数机器人和自动化工程设计中，各种各样步进电机都被广泛应用来得到需要的运动姿态。步进电机倍受人们青睐是因为它不需要频繁的维护并能在苛刻的环境中运行。步进电机及其驱动器的选择要根据具体应用中需要的效果来决定。市场上最常见的是两相和四相步进电机。

可是，实际应用中要求高精度，低噪声和低震动，因此五相步进电机得以应用。因为步距角较小，五相步进电机有较高的分辨率，较低的震动和良好的加速与减速特性。因此，确保设计的驱动电路能使步进电机充分发挥这些优点非常重要。

因为在机器人应用中是很少见得类型，而且结构很复杂，很难找到它们的驱动 IC，只能专门定做。结果导致五相步进电机的驱动电路产品异常昂贵。

用普通步进电机如二相与四相步进电机的驱动控制 IC 来制作其它步进电机的驱动电路是一种经济有效的方法。

L297 继承了控制单极性和双极性步进电机所需要的所有控制电路系统。L298N 双 H 桥驱动器形成了一个完善的步进电机微处理器接口。在这里，我们

通过给L297和L298N加上微处理器和逻辑控制系统研究开发出了一种新的五相 步进电机驱动电路。

第二部分解释了元器件特性。第三部分介绍了控制逻辑电路设计。第四部分是接口设计，结果在第五部分。最后，第六部分加以总结。

二、 主要元器件特性分析

如图一所示，集成块 L297 可以与 H 桥集成电路一起使用作为步进电机驱动器。在该设计中，H 桥的功能用 L298N 或者 L293E 实现。这要根据步进电机的额定功率而定。输入 L297 的控制信号可能来自为控制器或者外部开关。一个 IC能驱动一个两相双极性永磁式步进电机，一个四相单极性永磁式步进电机或者一个四相变磁阻式步进电机。因为用到的电子元器件非常少，该设计好处颇多，比如，花费少，可靠性高，占用的空间相对较小。按照接收到的输入信号的不同，L297 产生三种不同模式的相位序列，即半步模式，全步模式和波形模式。

图1 用 L297 和 L298N 构成的驱动一个两相单极性步进电机或一个四相单极性步进电机的电路图

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液体点滴速度监控系统设计

A. 电流控制

小型步进电机一般小型直流电源来控制绕组电流，它们的绕组电阻也是有限制的。在另一方面，拥有较大额定扭矩值的步进电机具有较小的绕组电阻。因此,它们需要对电流进行控制。

L297 以两个脉冲宽度调制（PWM）斩波电路的形式提供负载电流控制，每个斩波电路由一个比较器，一个触发器和一个外部感应电阻组成。

在该理论中，当电机电流增加时，控制系统将电源电压施加到电机。如图二所示，当电流值达到阈值时，控制系统将通过改变电源电压的占空比来维持电流的期望值。对于每一个斩波电路来说，步进电机电源电压的占空比（D）定义为：

D = Ton / (Ton + Toff),

其中 Ton 和 Toff分别是 H 桥的导通和断开时间。

在斩波电路中，触发器由来自振荡器的各个脉冲置位，从而允许输出和允许负载电流增长。

感应电阻两端的电压随着负载电流的增长而增长，当电压增长到 Vref时，触发器被重置，输出中断直到下次振荡器脉冲到来。在该方法中，Vref决定了负载电流的峰值。

图2 包含触发器、振荡器和电压比较器的电流控制电路

图3 用于电流控制的PWM操作的电压

图三展示了穿过电机的电流是如何被控制的。当电机的电流超过设定值时， 施加于电机端得电压将降为零。因此，电流将会衰减，最终电机电流被控制住。

L298N 是一块包含着两个 H 桥的单片集成电路。此外，低位晶体管的发射极被引出来作为扩展端子以允许电流敏感电阻的连接。

B. 抑制斩波模式下的电流控制

抑制斩波控制模式和相位线斩波控制模式是当今两种最常见的电流控制技术。在后一种方式中，当敏感电阻的电压达到 Vref时,只有低端的开关断开。因此这种方法并不适用，我们选用抑制斩波模式。需要的开关序列可以直接来自L297N。

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大学毕业设计（论文）

抑制斩波模式可以通过将 L297N 的 CONTROL 端接地实现。然后斩波作用于INH端来控制通过电机线圈的电流。因此，L297输出的INH信号对创造L298N的使能信号起着非常重要的作用。在敏感电阻的电压达到 Vref的情况下，斩波触发器被重置，INH 端子被激活并处于低电平状态。然后，所有四个桥电路截止。斩波频率由 L2907 内部的振荡器决定。在所有的晶体管截止之后，二极管为绕组电流提供转移通路。在下一个振荡周期里，H 桥导通。

图四说明了当相信号 A 处于高电平而相信号 B 处于低电平的时刻的电流控制情况。为了产生和 INH1 信号相同的激发信号来控制负载电流，这些 A 和 B信号被输入到与 L298N 中高、低电平开关相连的两个与门。当且仅当 INH1 为高电平时，与门的输出为高电平。

图4 当 CONTROL 为低电平时的抑制斩波波形

三、 逻辑电路设计

如图五所示，在任何运行模式下，L297 的 A,B,C,D 相的波形每隔四个时钟周期重复一次。为构建五相步进电机驱动电路，在十个时钟周期之后对相波形进行转换十分重要。

图5 在一般工作模式下，L297 四相步进电机的两相或者两相步进电机绕组被导通，

每四个时钟周期后序列重复

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液体点滴速度监控系统设计

图6 五相激励序列

通过分析 L297 的 3 种工作模式，很明显应该选择一般工作模式，也通常被称作两相导通模式，来产生如图六所示的激励五相步进电机的序列。

通过研究五相步进电机所需要的激励序列和 L297 的 A,B,C,D 相序列来设计出需要的逻辑电路。按照下列步骤进行。

1、如图六所示，从五相的激励序列中分离出每一相的高低侧晶体管激励模 式。

2、从 L297 的 A,B,C,D 选出合适的相位来产生高侧激励序列。

3、利用微控制器的 A,B,C,D 输出信号和相关的与门产生 L298N 的输入信 号。

4、产生 L298N 的 ENA（A 使能）和 ENB（B 使能）信号。

将10步的相型分为 20 步等同于 L297 输出的四个时钟周期的相型。图七解释了高、低侧激励序列的时钟周期选择。

通过选择 L297 的合适的输出相位，可以产生高侧晶体管的激励序列。已经选择的顺序，即 L297 的两相导通模式如图八所示。微控制器信号用以产生所需的高侧脉冲模型。有四个输入端的 DM74LS08 含有两个门，用来将接收到的 L297信号和微控制器信号相与。

如图九所示，输入信号和使能信号共同决定了高低侧晶体管的开关模式。因此，微控制器提供了使能（EN）信号。但是为了达控制电机电流的目的，INH信号必须与 L298N 的使能信号衔接，这在下面的电流控制部分会有解释。图十解释了怎样利用由微控制器产生的所需的使能信号和来自 L297 的抑制（INH）信号来产生 L298N 的 EN 信号。这两种信号的与操作产生了 L298N 相关的 EN信号。

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