畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）液體點(diǎn)滴液位控制電路設(shè)計(jì)及仿真

1、 摘要針對(duì)目前醫(yī)療過程中存在的問題，研制了此智能液體點(diǎn)滴液位控制電路。本電路由儲(chǔ)液液面檢測(cè)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、報(bào)警顯示幾個(gè)模塊組成，這個(gè)電路能安全可靠地在某個(gè)從站輸液瓶?jī)?nèi)的藥液到達(dá)一定量時(shí)，自動(dòng)向主站報(bào)警，在主站處顯示相應(yīng)從站號(hào)，同時(shí)使電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，以控制點(diǎn)滴流速。本文介紹了多種用于實(shí)現(xiàn)此功能的方案，最終選取了采用紅外發(fā)射接收對(duì)管實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)液液面檢測(cè)，采用直流電機(jī)對(duì)滴速夾松緊的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)液滴速度的控制，采用輻射型網(wǎng)絡(luò)，通過對(duì)液面達(dá)到警戒值的從站進(jìn)行編碼，譯碼，顯示來實(shí)現(xiàn)報(bào)警顯示部分。此外對(duì)電路進(jìn)行了相應(yīng)的直流工作點(diǎn)分析，瞬態(tài)分析，以更清楚地了解此電路的各項(xiàng)指標(biāo)。實(shí)現(xiàn)了一個(gè)由一個(gè)主站控制多個(gè)從站的有線液體

2、點(diǎn)滴液位控制電路。關(guān)鍵詞智能；紅外發(fā)射接收對(duì)管；直流電機(jī) 目 錄摘要iabstractii第1章 緒論11.1 課題背景11.2課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.3 課題的發(fā)展趨勢(shì)41.4 本文主要內(nèi)容及組織結(jié)構(gòu)4第2章 液體點(diǎn)滴液位控制電路設(shè)計(jì)62.1 液體點(diǎn)滴液位控制電路工作原理62.2 液體點(diǎn)滴液位控制電路設(shè)計(jì)62.2.1 儲(chǔ)液液面檢測(cè)電路設(shè)計(jì)62.2.1.1 儲(chǔ)液液面檢測(cè)電路設(shè)計(jì)方案介紹62.2.1.2 儲(chǔ)液液面檢測(cè)電路詳細(xì)設(shè)計(jì)方案72.2.1.3 液面檢測(cè)電路72.2.1.4 整形電路72.2.2 點(diǎn)滴速度控制電路設(shè)計(jì)82.2.2.1 點(diǎn)滴速度控制電路設(shè)計(jì)方案介紹92.2.2.2 點(diǎn)滴速度控制

3、電路詳細(xì)設(shè)計(jì)方案92.2.3 主站、從站通信電路設(shè)計(jì)102.2.3.1 主站、從站通信電路設(shè)計(jì)方案介紹102.2.3.2 主站、從站通信電路詳細(xì)設(shè)計(jì)方案102.2.3.3 編碼部分112.2.3.4 顯示部分112.2.3.5 cmos電路和ttl電路的區(qū)別132.3 本章小結(jié)14第3章 液體點(diǎn)滴液位控制電路仿真與分析153.1 multisim仿真環(huán)境153.1.1 multisim的特點(diǎn)173.1.2 multisim仿真實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)183.2 液體點(diǎn)滴液位控制電路仿真193.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路仿真193.4 報(bào)警顯示模塊仿真203.5 本章小結(jié)21第4章 液體點(diǎn)滴液位控制電路分析

4、224.1 電路分析224.1.1 各種分析介紹224.1.1.1 直流工作點(diǎn)的分析224.1.1.2 瞬態(tài)分析224.1.1.3 交流分析224.1.1.4 掃描分析234.2 部分電路直流工作點(diǎn)分析234.2.1儲(chǔ)液液面檢測(cè)模塊直流工作點(diǎn)分析234.2.2 報(bào)警顯示模塊直流工作點(diǎn)分析244.3 部分電路瞬態(tài)分析244.3.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路瞬態(tài)分析244.4 部分電路直流掃描分析254.4.1儲(chǔ)液液面檢測(cè)模塊直流掃描分析254.5 本章小結(jié)26結(jié)論2參考文獻(xiàn)3致謝4附錄15附錄26iii章及標(biāo)題 第1章 緒論1.1 課題背景靜脈輸液是臨床中一種普遍使用的治療手段，通過大規(guī)模的調(diào)查得知，目前，

5、幾乎所有的醫(yī)院都沒有采用輸液監(jiān)控系統(tǒng)，而是采用非常傳統(tǒng)的靠人工控制的輸液方法。醫(yī)院對(duì)點(diǎn)滴輸液裝置的控制方法是：將液體容器掛在架子上由護(hù)士通過軟管夾對(duì)膠管口徑的壓緊或放松來控制滴速?？茖W(xué)技術(shù)的飛速進(jìn)步，推動(dòng)了臨床醫(yī)學(xué)的巨大發(fā)展和新型技術(shù)的廣泛應(yīng)用，這就對(duì)醫(yī)院信息化、自動(dòng)化的宏偉建設(shè)提出了新的要求。尤其是在醫(yī)療監(jiān)護(hù)領(lǐng)域，提出了多元化、信息化、個(gè)性化的醫(yī)療監(jiān)護(hù)新需求?，F(xiàn)代科技的進(jìn)步和發(fā)展，為醫(yī)學(xué)監(jiān)護(hù)技術(shù)提供了創(chuàng)新的條件和新的發(fā)展空間，然而醫(yī)療監(jiān)護(hù)技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展仍然不能滿足醫(yī)院、病人、家庭和人身健康等各方面所提出的要求。靜脈輸液速度會(huì)直接對(duì)藥物作用的發(fā)揮造成影響，如果速度不當(dāng)可能會(huì)導(dǎo)致不良反應(yīng)，嚴(yán)重

6、的甚至?xí)＜吧踩?。目前我國的大、中、小型醫(yī)院及下屬社區(qū)衛(wèi)生院、診所等醫(yī)療機(jī)構(gòu)進(jìn)行輸液注射時(shí)，大都采用傳統(tǒng)的人工監(jiān)護(hù)手動(dòng)控制的方法，其輸液速度是護(hù)士通過調(diào)節(jié)輸液器上的手動(dòng)滑輪來控制。用人工控制和監(jiān)視的輸液速度和輸液量是一個(gè)不精確的值，有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)護(hù)人員可以根據(jù)藥劑的特性對(duì)滴速進(jìn)行控制，而一般的病人卻無法做到，做的不好還會(huì)有一定的危險(xiǎn)性。輸液過快，將可能會(huì)導(dǎo)致中毒，更嚴(yán)重時(shí)則會(huì)導(dǎo)致水腫和心力衰竭；而輸液過慢則有可能發(fā)生藥量不夠或者無謂地延長(zhǎng)輸液時(shí)間，使治療受到影響并給患者和醫(yī)護(hù)人員的工作增加不必要的負(fù)擔(dān)，醫(yī)護(hù)人員必須不定時(shí)地進(jìn)行巡視，浪費(fèi)了人力資源，而且病人或家屬在輸液過程中必須注意觀察輸液量及

7、剩余藥量，給病人和家屬精神上帶來了緊張和疲勞感。尤其是在對(duì)危重病人進(jìn)行治療時(shí)，需要長(zhǎng)時(shí)間的輸液，常常在夜間也不能間斷，這樣，護(hù)理人員就得不到休息，由于看護(hù)者的疲勞，很容易出現(xiàn)一些異常的情況，比如管路堵塞、滴速異常及輸液完畢無提示等，很可能不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，而造成醫(yī)療事故。輸液速度的快慢受藥物效果的性質(zhì)、病人的年齡、機(jī)體耐受力、病情等因素的影響，而且在輸液過程中輸液的速度也必須隨患者體位、肢體血液循環(huán)以及藥物的粘稠度等情況來變化。臨床上應(yīng)根據(jù)藥物和患者情況的不同配以適當(dāng)?shù)妮斠核俣?。糖尿病人、癌癥病人、心腦血管病人的治療都需要使藥物以恒定的速度灌注，通過調(diào)節(jié)輸入的速度和時(shí)間將藥物均勻持續(xù)地注入，以達(dá)到

8、最佳藥用效果，也使藥物的副作用降到最低。而常規(guī)的臨床靜脈輸液，普遍采用高位懸掛方式，即依靠重力原理進(jìn)行輸液，并且整個(gè)輸液過程中，護(hù)理人員是憑觀察和經(jīng)驗(yàn)對(duì)滴速進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)，這種方法控速不精確，常因輸液速度過快致患者出現(xiàn)不適甚至輸液反應(yīng)，或速度太慢而影響治療效果同時(shí)，對(duì)于需要輸血的病人，由于血液非常容易凝固，輸血時(shí)很容易阻塞輸液管。要保證血流速度大于某一值，才能讓血液順利輸出。而傳統(tǒng)的靠人工控制的靜脈輸液不能對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)和直觀的統(tǒng)計(jì)、查詢和分析，缺乏一個(gè)功能強(qiáng)大的人機(jī)交互界面，不能適應(yīng)信息化，科技化的新要求。 另外，不管是輸液還是輸血，普通輸液器對(duì)輸液完畢和輸液過程中偶然出現(xiàn)的故障，如氣泡、

9、阻塞等都不能自動(dòng)報(bào)警，也不能及時(shí)地切斷輸液通路，以避免血液倒流或其他嚴(yán)重后果。此外，在傳統(tǒng)的臨床靜脈輸液方式中，醫(yī)護(hù)人員必須到病床前去操作控制，增加了醫(yī)護(hù)人員臨床的次數(shù)，增加了醫(yī)護(hù)人員受感染的幾率。輸液泵雖然能夠按照要求精確控制給藥的速度和劑量，是解決輸液速度的一種有效的方法，但輸液泵的機(jī)器成本和耗材成本太高，只適用于急救和重癥的情況，難于普及推廣，因而不能滿足廣大醫(yī)護(hù)人員和患者的需要?；谏鲜鲈蛐枰靡环N智能型輸液監(jiān)控儀來控制藥液的輸送，并能進(jìn)行異常報(bào)警。智能型輸液監(jiān)控儀的應(yīng)用有助于減輕護(hù)理人員工作強(qiáng)度，提高輸液的安全性、準(zhǔn)確性和工作效率，提高護(hù)理水平。1.2課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀靜脈輸液是一

10、種最常用的臨床治療方法，是護(hù)理專業(yè)的一項(xiàng)常用給藥治療技術(shù)。它以給藥快、刺激性小、療效快等優(yōu)勢(shì)，在搶救病人的生命過程中發(fā)揮著越來越積極的作用。國外對(duì)智能型輸液裝置的研制較早，如日本、美國和德國等國家在上個(gè)世紀(jì)80年代末就進(jìn)行了智能型輸液裝置的研制，現(xiàn)在市場(chǎng)上流行的大多是國外的產(chǎn)品，類型多種多樣，性能也比較好，如日本jms株式會(huì)社的ot-601型輸液泵(控制精度為10%)和sp-500型注射泵，美國、德國、以色列等國家也有性能較好的產(chǎn)品。早在幾年前，發(fā)達(dá)國家的每個(gè)病床就都配備了輸液泵，而我國只是在一些大醫(yī)院才配備了一些輸液泵，且均為進(jìn)口品牌，價(jià)格在兩萬元左右，比較昂貴，這使一些中小醫(yī)院望塵莫及。國

11、內(nèi)對(duì)輸液裝置的研制起步較晚，大都在90年代中期才開始研究，市場(chǎng)上也有一些國產(chǎn)的輸液裝置，如北京科力豐高科技發(fā)展有限責(zé)任公司的znb系列產(chǎn)品，深圳康福特公司也有輸液裝置產(chǎn)品?，F(xiàn)在比較常見的是mjy-01型和mjy-01a型便攜式輸液監(jiān)控器。mjy-01型的特點(diǎn)是超小體積，超低功耗，超輕，操作方便（一鍵操作），功能強(qiáng)大。它是卡裝在輸液管上的。在實(shí)時(shí)監(jiān)控輸液過程中輸液管內(nèi)藥液液位，當(dāng)輸液完畢時(shí)電子夾緊裝置自動(dòng)關(guān)閉液體，避免回血；輸液完畢后電子夾緊裝置自動(dòng)定時(shí)，使滴壺內(nèi)剩余液體下滴數(shù)滴流過輸液針頭，避免針頭凝血，護(hù)士可不必立即更換液體；它采用綠色環(huán)保聚合物鋰電池。在輸液量不大于500瓶（袋）液體的情況

12、下每3個(gè)月充電一次。閑置情況下最長(zhǎng)一年充電一次。mjy-02a型的特點(diǎn)是體積小，功耗低，安裝方便。它最主要的特點(diǎn)是每臺(tái)中繼器可管理最多250臺(tái)輸液監(jiān)控器。中繼器與射頻網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)之間可實(shí)現(xiàn)（可視）400米通信，中繼器與監(jiān)控器之間可實(shí)現(xiàn)（可視）100米通信，能適應(yīng)大醫(yī)院的需求，射頻網(wǎng)絡(luò)中繼器具體配備數(shù)量依照現(xiàn)場(chǎng)通訊條件確定。且大屏幕led顯示器顯示各床位的輸液監(jiān)控器的工作狀態(tài)，同時(shí)顯示6個(gè)輸液完畢的床位號(hào)和輸液完畢的時(shí)間，顯示數(shù)據(jù)能自動(dòng)更新。目前國內(nèi)尚未完全解決輸液時(shí)的自動(dòng)監(jiān)控問題，在已有的有關(guān)專利中，其原理均為光電、機(jī)電、紅外、重力等類型，在靈敏度、準(zhǔn)確率、藥液適用范圍、操作方法以及生產(chǎn)成本、外

13、觀尺寸、重量等方面存在諸多問題，所以至今無一能成功推向市場(chǎng)。輸液自動(dòng)監(jiān)控儀應(yīng)具有網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化管理功能，并且可以進(jìn)行通信、報(bào)警和遠(yuǎn)程控制。1.3 課題的發(fā)展趨勢(shì)隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展創(chuàng)新，數(shù)字化、信息化技術(shù)對(duì)各行各業(yè)的滲透，舊崗位結(jié)構(gòu)的變化以及新興崗位的出現(xiàn)，醫(yī)院的管理系統(tǒng)趨向于電子化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，如何利用計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代控制技術(shù)相結(jié)合來提高醫(yī)療器械的自動(dòng)化已成為目前主要的應(yīng)用方向之一。我國是世界上人口最多的國家，同時(shí)也是擁有醫(yī)院最多的國家，具有龐大的消費(fèi)群體，近幾年來，由于政府的大力支持，我國醫(yī)療器械行業(yè)發(fā)展十分迅速。醫(yī)療器械行業(yè)是壁壘較高的行業(yè)，并且屬于國家重點(diǎn)鼓勵(lì)發(fā)展的行業(yè)。按照原國家經(jīng)

14、濟(jì)貿(mào)易委員會(huì)制定的醫(yī)療器械行業(yè)“十五”發(fā)展規(guī)劃，到2010年，我國醫(yī)療器械總產(chǎn)值將會(huì)達(dá)到1000億元，在世界醫(yī)療器械市場(chǎng)上的份額將會(huì)占到5；到2050年這一份額將達(dá)到25，從而成為世界一流的醫(yī)療器械制造強(qiáng)國。這種智能型輸液裝置的市場(chǎng)還不夠成熟，應(yīng)用還不夠廣泛，在技術(shù)上還存在著許多有待解決的問題。在實(shí)際運(yùn)用中需要考慮到設(shè)備的成本，環(huán)境中的干擾如可見光干擾、液體中的氣泡干擾,抖動(dòng)干擾,主、從機(jī)同時(shí)通信發(fā)生死機(jī)等一系列的問題。按照目前的情況來看，我國需要一種智能型輸液速度監(jiān)控系統(tǒng)，采用光電檢測(cè)技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)輸液滴速的控制和液位低于設(shè)定值時(shí)的報(bào)警，達(dá)到多床位、遠(yuǎn)距離、集中分時(shí)顯示各床位輸

15、液狀況及自動(dòng)報(bào)警的目的，且控制精確、性能穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單，能減輕醫(yī)護(hù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少醫(yī)療事故的發(fā)生，以滿足醫(yī)院和社會(huì)的需求。1.4 本文主要內(nèi)容及組織結(jié)構(gòu)本文共分為4章，各章的安排如下：第1章：系統(tǒng)分析臨床靜脈輸液過程中可能出現(xiàn)的問題，對(duì)國內(nèi)外輸液監(jiān)控系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行論述，分析現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)存在的一些缺陷。 第2章：闡述系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，介紹實(shí)現(xiàn)液體點(diǎn)滴液位控制電路的具體方案，將控制電路劃分為儲(chǔ)液液面檢測(cè)模塊，主站、從站模塊，點(diǎn)滴速度控制模塊，對(duì)各個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行討論并決定最終實(shí)行方案。第3章：這一章是本文的核心，實(shí)現(xiàn)液體點(diǎn)滴液位控制電路的具體電路設(shè)計(jì)，并對(duì)所設(shè)計(jì)的儲(chǔ)液液面檢測(cè)模

16、塊，報(bào)警顯示模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路進(jìn)行仿真。第4章：對(duì)第3章所得的電路進(jìn)行深層次的分析，通過直流分析，瞬態(tài)分析，使電路的性能更加完善可靠。 第2章 液體點(diǎn)滴液位控制電路設(shè)計(jì)2.1 液體點(diǎn)滴液位控制電路工作原理2.2 液體點(diǎn)滴液位控制電路設(shè)計(jì)根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)題目要求，液體點(diǎn)滴液位控制電路可以劃分為以上幾個(gè)基本模塊，對(duì)各個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn)，有以下一些不同的設(shè)計(jì)方案：2.2.1 儲(chǔ)液液面檢測(cè)電路設(shè)計(jì)2.2.1.1 儲(chǔ)液液面檢測(cè)電路設(shè)計(jì)方案介紹方案一：采用超聲波脈沖回波方法測(cè)液位。測(cè)出超聲波脈沖從發(fā)射聲波到接受所需的時(shí)間，根據(jù)超聲波的聲音速度及其發(fā)射傳感器與液面之間的距離計(jì)算而得到液位高度。由于短距離內(nèi)超聲波存

17、在盲區(qū)影響精度，且超聲波檢測(cè)裝置安裝復(fù)雜，不太適合用于液體點(diǎn)滴液位控制電路系統(tǒng)。方案二：使用拉力傳感器間接測(cè)量。將拉力傳感器接在滑輪和儲(chǔ)液瓶之間，利用液面高度變化和拉力變化之間的線性關(guān)系進(jìn)行間接測(cè)量。但是拉力傳感器價(jià)格貴，從實(shí)用性角度考慮，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)中不合適。方案二：采用金屬電極檢測(cè)儲(chǔ)液瓶液面信號(hào)。利用藥液的導(dǎo)電特性實(shí)現(xiàn)液滴速度及儲(chǔ)液瓶液面信號(hào)的檢測(cè)，通常電極采用不銹鋼等耐腐蝕材料制成。電極接觸控制方式原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，可靠性強(qiáng)，但會(huì)導(dǎo)致藥品污染，危及患者安全。方案三：使用紅外發(fā)射接收對(duì)管對(duì)液面進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)紅外發(fā)射接收對(duì)管的光源與接收器在同一介質(zhì)時(shí)，紅外發(fā)射接收對(duì)管導(dǎo)通，兩端電壓呈低電平。當(dāng)

18、液面降至光源與接收器中間時(shí)，產(chǎn)生全反射現(xiàn)象，此時(shí)接收器無法收到光源發(fā)射出的光線，使紅外發(fā)射接收對(duì)管無法導(dǎo)通，兩端電壓呈高電平，觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。利用上述光在不同媒質(zhì)界面的折射或反射原理，通過紅外發(fā)射接收對(duì)管接收光信號(hào)實(shí)現(xiàn)液面檢測(cè)功能。此外，紅外發(fā)射接收對(duì)管安裝方便，只需將其固定在儲(chǔ)液瓶外瓶壁上即可，不需要詳細(xì)計(jì)算儲(chǔ)液瓶液面高度值，簡(jiǎn)化了外圍電路結(jié)構(gòu)。綜合比較上面三種方案，由于紅外光波長(zhǎng)比可見光長(zhǎng)，受可見光的影響較小，且紅外系統(tǒng)具有尺寸小、重量輕、易于安裝等優(yōu)點(diǎn)，因此使用紅外發(fā)射接收對(duì)管測(cè)量?jī)?chǔ)液瓶液面高度是最理想的選擇。2.2.1.2 儲(chǔ)液液面檢測(cè)電路詳細(xì)設(shè)計(jì)方案儲(chǔ)液液面檢測(cè)電路是液體點(diǎn)

19、滴液位控制電路的重要組成部分，能否正確檢驗(yàn)到液面變化是整個(gè)液體點(diǎn)滴液位控制電路性能和可靠性的主要參考標(biāo)準(zhǔn)。儲(chǔ)液液面檢測(cè)電路采用光電傳感器獲取點(diǎn)滴速度信號(hào)和液面報(bào)警信號(hào)，經(jīng)過比較、濾波、整形后輸出。2.2.1.3 液面檢測(cè)電路將紅外發(fā)射接收對(duì)管固定在墨菲氏管（俗稱滴壺）的兩側(cè)，紅外發(fā)光二極管發(fā)出紅外光，光線透過墨菲氏管照射到光電三極管，光電三極管將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。當(dāng)輸液管有液滴通過時(shí)，光電三極管送出的液滴信號(hào)為高電平，當(dāng)輸液管沒有液滴通過時(shí)，光電三極管輸出低電平。儲(chǔ)液的液面的高度為23cm后，會(huì)由紅外對(duì)管發(fā)射接收產(chǎn)生檢測(cè)信號(hào)，即為報(bào)警信號(hào)。2.2.1.4 整形電路由于紅外光在空氣

20、及水中的吸收系數(shù)不同，從而通過空氣和水后接收到的光強(qiáng)也不同。為使輸出的波形更加規(guī)則，需要對(duì)紅外發(fā)射接收對(duì)管輸出的信號(hào)進(jìn)行整形。方案一：采用電壓比較器lm339實(shí)現(xiàn)整形將紅外發(fā)射接收對(duì)管輸出的信號(hào)接入電壓比較器lm339的同向輸入端，其反向輸入端經(jīng)電阻分壓后于電壓源相連。此電路的原理是當(dāng)電壓比較器lm339的同向輸入端與反向輸入端的電壓相差超過10mv時(shí)，電壓比較器便能檢測(cè)到這種差別，輸出高電平；當(dāng)同向輸入端于反向輸入端的電壓相差低于10mv時(shí)，電壓比較器認(rèn)為兩輸入端的輸入電壓相同，輸出低電平。使用這個(gè)方案的難點(diǎn)在于如何找到能產(chǎn)生合適分壓的反向輸入端的電阻。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，在模擬儲(chǔ)液液位到達(dá)警戒線

21、和未到警戒線的情況中，適合某一情況的電阻在另外一種情況下效果并不理想。方案二：采用施密特觸發(fā)器40106實(shí)現(xiàn)整形將紅外發(fā)射接收對(duì)管輸出的波形接施密特觸發(fā)器40106整形后輸出。施密特觸發(fā)器40106直接對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行整形，不需要設(shè)計(jì)外圍電路。經(jīng)比較，整形電路采用實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的施密特觸發(fā)器40106。最終確定的儲(chǔ)液液面檢測(cè)電路設(shè)計(jì)如下： 圖2-1 儲(chǔ)液液面檢測(cè)電路2.2.2 點(diǎn)滴速度控制電路設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，當(dāng)液面降低到警戒值時(shí)，從站自動(dòng)向主站報(bào)警，同時(shí)利用電機(jī)降低點(diǎn)滴速度?？晒┦褂玫牡嗡倏刂品椒ㄓ袑?duì)滴速夾松緊的控制和對(duì)點(diǎn)滴瓶高度的控制等。2.2.2.1 點(diǎn)滴速度控制電路設(shè)計(jì)方案介紹方案一：點(diǎn)滴瓶高

22、度的控制通過改變儲(chǔ)液瓶瓶的高度來調(diào)節(jié)點(diǎn)滴的速度。由直流電機(jī)帶動(dòng)儲(chǔ)液瓶使儲(chǔ)液瓶上升或下降以改變地都到受液瓶的高度，從而調(diào)節(jié)點(diǎn)滴速度。此方案思路簡(jiǎn)單，但步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，點(diǎn)滴速度受高度限制，操作困難且危險(xiǎn)，加之系統(tǒng)對(duì)點(diǎn)滴速度精度要求不高，因此不宜采用此方法。方案二：對(duì)滴速夾松緊的控制對(duì)滴速夾松緊的控制就是通過對(duì)滴速夾松緊的調(diào)節(jié)，改變塑料點(diǎn)滴管的形狀以控制液體的流速。當(dāng)液面降到警戒值時(shí)，控制直流電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，然后帶動(dòng)偏心輪壓緊輸液軟管，將輸液軟管卡住，降低水滴的流速。綜合比較上面兩種方案，通過控制滴速夾松緊來控制點(diǎn)滴速度的方法較通過控制點(diǎn)滴瓶高度來控制點(diǎn)滴速度的方法更簡(jiǎn)單、實(shí)用。2.2.2.2

23、 點(diǎn)滴速度控制電路詳細(xì)設(shè)計(jì)方案由于直流伺服電機(jī)，所需電流、電壓比較大，因此采用全橋驅(qū)動(dòng)電路，全橋驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電壓為24v。當(dāng)q5的基極電壓為高電平，q8的基極電壓為低電平時(shí)，q1、q3管導(dǎo)通，q2、q4管截止，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)q6的基極電壓為高電平，q7的基極電壓為低電平時(shí)，q4、q2管導(dǎo)通，q1、q3管截止，電機(jī)反轉(zhuǎn)。如圖2-2所示： 圖2-2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路由于其他模塊電路電壓為5v，而電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓為24v，因此將電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路與其他電路隔離開。 2.2.3 主站、從站通信電路設(shè)計(jì)按照設(shè)計(jì)要求，主站應(yīng)能夠顯示發(fā)出報(bào)警的從站號(hào)，并可手動(dòng)解除報(bào)警狀態(tài)。因此本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸量不大，通信線路應(yīng)盡量簡(jiǎn)單。直接

24、采用有線連接。2.2.3.1 主站、從站通信電路設(shè)計(jì)方案介紹有線連接可以有以下兩種方式：方案一：輻射型網(wǎng)絡(luò)為了使分散在各處的從機(jī)的信息能夠簡(jiǎn)單、及時(shí)、可靠地傳送到主機(jī)處，最簡(jiǎn)單的辦法是每一個(gè)從機(jī)都向主機(jī)鏈接一條傳輸線，這樣可以使各個(gè)從機(jī)同主機(jī)之間的通訊使用不同的數(shù)據(jù)線而互不干擾?？煽啃?、實(shí)用性較好。方案二：總線型網(wǎng)絡(luò)使用同一根數(shù)據(jù)總線，各個(gè)從機(jī)“掛”在總線上。需要向主機(jī)傳遞信息的從機(jī)處于發(fā)送或接受狀態(tài)，不需要信息傳遞的從機(jī)則保持偵聽狀態(tài)，等待主機(jī)的消息。這種總線型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點(diǎn)是連接線少，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成只需要很少的幾根總線。而它最大的缺點(diǎn)則是如果多個(gè)從機(jī)一起發(fā)送請(qǐng)求時(shí)會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失。綜

25、合比較上面兩種方案，輻射型網(wǎng)絡(luò)是較理想的選擇。2.2.3.2 主站、從站通信電路詳細(xì)設(shè)計(jì)方案主站、從站通信電路是液體點(diǎn)滴液位控制電路的核心部分，根據(jù)液面檢測(cè)部分送入的信號(hào)顯示需要換液和拔針的病床號(hào)，做出的報(bào)警，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)來夾緊滴速夾，以卡住水滴的流速，是液體點(diǎn)滴液位控制電路的最主要目的。主站、從站通信電路部分可以由編碼部分和顯示部分組成：按照題目要求，需要對(duì)16個(gè)病床進(jìn)行監(jiān)控。主站（護(hù)士臺(tái)）收到從站（病床）發(fā)來的報(bào)警信號(hào)后，能聲光報(bào)警，并顯示相應(yīng)的從站（病床）號(hào)。因此，需要先對(duì)16個(gè)病床編碼，將2位十進(jìn)制數(shù)編碼成為4位二進(jìn)制數(shù)；之后再通過數(shù)碼顯示管顯示相應(yīng)正確的選中的病床號(hào)。2.2.

26、3.3 編碼部分編碼顯示部分選擇采用兩片8線3線優(yōu)先編碼器芯片74ls148級(jí)聯(lián)而成。8線3線優(yōu)先編碼器芯片74ls148所有管腳均為低電平有效。該芯片由輸入端d07選通07線，輸出端a0a2輸出對(duì)應(yīng)的3位二進(jìn)制數(shù)。使能端包括ei、eo、gs端：ei為選通輸入端，只有當(dāng)ei=0時(shí)，芯片才能正常工作；eo為選通輸出端，當(dāng)eo=0且ei=0時(shí)，電路能工作，但是無編碼輸入；gs為擴(kuò)展端，當(dāng)gs=0時(shí)，電路正常工作，且有編碼輸入。在ei=0電路正常工作狀態(tài)下，允許d0d7當(dāng)中同時(shí)有幾個(gè)輸入端為低電平，即有編碼輸入信號(hào)，但d7的優(yōu)先權(quán)最高，d0的優(yōu)先權(quán)最低。某一輸入端有低電平輸入，且比它優(yōu)先級(jí)別高的輸入

27、端沒有低電平輸入時(shí)，輸出端才輸出相應(yīng)該輸入端的代碼。兩片級(jí)聯(lián)： 由于每片74hc148只有8個(gè)編碼輸入，所以需要將16個(gè)輸入信號(hào)分別接到兩片上。按照優(yōu)先順序的要求，只有高八位均無信號(hào)輸入時(shí)，才允許對(duì)第八位的輸入信號(hào)編碼。因此，可以將高八位芯片的eo作為低八位芯片的選通輸入信號(hào)。兩片8線3線優(yōu)先編碼器芯片74ls148級(jí)聯(lián)之后，可以將015的2位十進(jìn)制數(shù)編碼為00001111的4位二進(jìn)制數(shù)。但是這樣不符合將116的2位十進(jìn)制數(shù)編碼為二進(jìn)制數(shù)的要求。因此需要在芯片輸出端接一個(gè)加法器芯片74283n，將輸出的數(shù)加1，這樣才能得到116的十進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)的正確的二進(jìn)制數(shù)。2.2.3.4 顯示部分選用led

28、數(shù)碼管顯示，常見的led數(shù)碼管有共陰極和共陽極兩種，這里選用共陰極led數(shù)碼管顯示，led數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)芯片選擇7段譯碼鎖存驅(qū)動(dòng)芯片4511bp。7段譯碼鎖存驅(qū)動(dòng)芯片有4個(gè)輸入端，7個(gè)輸出端。4個(gè)輸入端為低電平有效，7個(gè)輸出端高電平有效，與led數(shù)碼顯示管的a、b、c、d、e、f、g相對(duì)應(yīng)。當(dāng)輸出端為高電平時(shí)，點(diǎn)亮led數(shù)碼顯示管上對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管，顯示出對(duì)應(yīng)的符號(hào)。使能端包括bi、lt、le端；bi為消隱輸入端，當(dāng)bi=0時(shí)，數(shù)碼管熄滅；lt為測(cè)試輸入端，不管4個(gè)輸入端a、b、c、d狀態(tài)如何，七段二極管均發(fā)亮；le為鎖定控制端，當(dāng)le=0時(shí)，允許譯碼輸出，當(dāng)le=1時(shí)，譯碼器處于鎖定保持狀態(tài)，譯

29、碼器輸出被保持在le=0時(shí)的數(shù)值。在7段譯碼鎖存驅(qū)動(dòng)芯片4511bp和led數(shù)碼顯示管之間，需要接保護(hù)電阻，以確保7段譯碼鎖存驅(qū)動(dòng)芯片4511bp輸出的電流不會(huì)過大，燒壞led數(shù)碼顯示管。當(dāng)只有一片8線3線優(yōu)先編碼器芯片74ls148作為輸入時(shí)，經(jīng)過加法器芯片74283n加1，可在數(shù)碼顯示管上顯示出18的數(shù)。當(dāng)兩片8線3線優(yōu)先編碼器芯片74ls148級(jí)聯(lián)作為輸入時(shí)，經(jīng)過加法器芯片74283n加1后，超過9的數(shù)不能在led數(shù)碼管上正確顯示出來。這是因?yàn)?線3線優(yōu)先編碼器芯片74ls148此時(shí)編碼后輸出的4位二進(jìn)制數(shù)的低三位不是對(duì)應(yīng)2位十進(jìn)制數(shù)的個(gè)位的編碼。要使led數(shù)碼顯示管顯示正確的數(shù)，需要在

30、編碼器芯片和加法器芯片之間加入適當(dāng)?shù)拈T電路。此時(shí)將2位十進(jìn)制數(shù)的十位，也就是編碼后4位二進(jìn)制數(shù)的最高位接一片led數(shù)碼顯示管，編碼器芯片被選通為2位十進(jìn)制數(shù)后，此led數(shù)碼顯示管顯示為1.將編碼后的4位二進(jìn)制數(shù)另外輸出，其中最高位經(jīng)非門后接入加法器芯片的a4端，次高位和第二位經(jīng)異或非門后接入加法器芯片的a3端，第二位經(jīng)非門后接入加法器芯片的a2端，最低位直接接入加法器芯片的a1端。將輸入的a1a4與b1b4的數(shù)0001相加，將相加后輸出的c4與低電平相與后輸出給7段譯碼鎖存驅(qū)動(dòng)芯片的dd端，其余的c1c3對(duì)應(yīng)7段譯碼鎖存驅(qū)動(dòng)芯片的dadc端。選通級(jí)聯(lián)的8線3線優(yōu)先編碼器芯片74ls148，使其

31、輸入為2位十進(jìn)制的數(shù)，能正確顯示。若選通輸入的數(shù)為1位十進(jìn)制數(shù)，如果按照上述選通端經(jīng)門電路處理，則不能顯示出正確的數(shù)。因此，將需要顯示的個(gè)位數(shù)單獨(dú)接一片數(shù)碼顯示管，需要顯示2位十進(jìn)制數(shù)的接另外兩片led數(shù)碼顯示管；當(dāng)選通輸入的數(shù)為1位十進(jìn)制數(shù)時(shí)，此led數(shù)碼管顯示，且控制另外兩片led數(shù)碼顯示管不工作；當(dāng)選通輸入的數(shù)為2位十進(jìn)制數(shù)時(shí)，則反之。2.2.3.5 cmos電路和ttl電路的區(qū)別數(shù)字電路通常分為雙極型（ttl管）和場(chǎng)效應(yīng)管型（mos管）兩類。ttl：transistor-transistor logic,即邏輯門電路，cmos: complementary metal oxide se

32、miconductor 指互補(bǔ)金屬氧化物(pmos管和nmos管)共同構(gòu)成的互補(bǔ)型mos集成電路。都可以用于數(shù)字集成電路。ttl電路是電流控制器件，而cmos電路是電壓控制器件，ttl電路的速度快，功耗大。  coms電路的速度慢功耗低。coms的邏輯電平范圍比較大（515v），而ttl只能在5v下工作。 在電路中常遇到ttl電路和cmos電路混合使用的情況，由于這些電路相互之間的電源電壓和輸入、輸出電平及負(fù)載能力等參數(shù)不同，因此他們之間的連接必須通過電平轉(zhuǎn)換或電流轉(zhuǎn)換電路，使前級(jí)器件的輸出的邏輯電平滿足后級(jí)器件對(duì)輸入電平的要求，并不得對(duì)器件造成損壞。邏輯器件的接口電路主要

33、應(yīng)注意電平匹配和輸出能力兩個(gè)問題，并與器件的電源電壓結(jié)合起來考慮。ttl到cmos的連接。用ttl電路去驅(qū)動(dòng)cmos電路時(shí)，由于cmos電路是電壓驅(qū)動(dòng)器件，所需電流小，因此電流驅(qū)動(dòng)能力不會(huì)有問題，主要是電壓驅(qū)動(dòng)能力問題，tt l電路輸出高電平的最小值為24v，而cmos電路的輸入高電平一般高于35v，這就使二者的邏輯電平不能兼容。為此可采用在ttl的輸出端與電源之間接一個(gè)電阻r（上拉電阻）可將ttl的電平提高到35v以上。cmos到ttl的連接。cmos電路輸出邏輯電平與ttl電路的輸入電平可以兼容，但cmos電路的驅(qū)動(dòng)電流較小，不能夠直接驅(qū)動(dòng)ttl電路。為此可采用cmosttl專用接口電路，

34、如cmos緩沖器cc4049等，經(jīng)緩沖器之后的高電平輸出電流能滿足ttl電路的要求，低電平輸出電流可達(dá)4ma。實(shí)現(xiàn)cmos電路與ttl電路的連接。在此部分電路設(shè)計(jì)過程中，一開始遇到過編碼，譯碼，顯示電路的邏輯沒有錯(cuò)誤，但是卻不能正確顯示輸入的數(shù)字，這是因?yàn)槟承┻x用cmos的元件電平過低，不足以驅(qū)動(dòng)后續(xù)的ttl元件（例如4v的74hc283不能驅(qū)動(dòng)5v的cd4511bp）。如果是在ttl和cmos元件之間加入上拉電阻或緩沖器，則會(huì)讓電路變得更加復(fù)雜，不利于電路的實(shí)際實(shí)現(xiàn)。介于以上所述各種原因，在液體點(diǎn)滴液位控制電路設(shè)計(jì)中，均采用ttl電路。2.3 本章小結(jié)本章給出了液體點(diǎn)滴液位控制電路的系統(tǒng)框圖

35、；還介紹了可用于液體點(diǎn)滴液位控制電路設(shè)計(jì)的方法以及詳細(xì)的設(shè)計(jì)電路。最后確定下來用于構(gòu)成液體點(diǎn)滴液位控制電路的方案是：采用紅外發(fā)射接收對(duì)管實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)液液面檢測(cè)；采用輻射型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行從站與主站之間的有線通信；采用直流電機(jī)帶動(dòng)偏心輪壓緊輸液軟管的方法控制滴速。用于構(gòu)成液體點(diǎn)滴液位控制電路的電路是：儲(chǔ)液液面檢測(cè)電路由紅外發(fā)射接收對(duì)管和有整形作用的施密特觸發(fā)器40106組成；直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用h型全橋驅(qū)動(dòng)電路；有線連接的輻射型主站與從站由編碼部分和顯示部分組成，其中編碼部分選用級(jí)聯(lián)的兩片8線3線優(yōu)先編碼器芯片74ls148和加法器芯片74283n組成，顯示部分選用7段譯碼鎖存驅(qū)動(dòng)芯片4511bp和數(shù)碼顯示管組成

36、。 第3章 液體點(diǎn)滴液位控制電路仿真與分析3.1 multisim仿真環(huán)境計(jì)算機(jī)輔助電路分析與設(shè)計(jì)（computer aided circuit analysis and design, caa和cad）以及電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（electronic design automation, eda）是近年來在計(jì)算機(jī)技術(shù)、模擬理論和應(yīng)用數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)上迅速發(fā)展起來的一門新技術(shù)，它不但是計(jì)算機(jī)應(yīng)用的重要發(fā)展，而且也給電路分析與設(shè)計(jì)帶來了新的生命力，使得電路分析與設(shè)計(jì)走向了一個(gè)更高的層次。目前對(duì)復(fù)雜電路的分析和設(shè)計(jì)，尤其是大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的分析與設(shè)計(jì)，幾乎都離不開計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)。傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)方法一

37、般僅僅適合于中小規(guī)模的電路分析設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)過程是：首先根據(jù)實(shí)際需要提出電路的技術(shù)指標(biāo)，然后根據(jù)理論計(jì)算（同時(shí)借助經(jīng)驗(yàn)）初步完成設(shè)計(jì)方案的比較和最終方案的確定，同時(shí)確定相關(guān)元件的參數(shù)，最后將電路模型簡(jiǎn)化，并對(duì)電路進(jìn)行檢驗(yàn)。檢驗(yàn)的方法一般可以分為物理模擬法和解析法兩種。物理模擬法是用實(shí)際的元件組成一個(gè)實(shí)驗(yàn)電路，通過實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)原定的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)，如果實(shí)驗(yàn)得出的性能參數(shù)與原定的技術(shù)指標(biāo)不符（或偏差超過允許范圍），則必須重新設(shè)計(jì)（改變?cè)?shù)或電路結(jié)構(gòu)）直到滿足要求為止。由此可以看出，該設(shè)計(jì)方法在實(shí)際中設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)而且效率很低。解析法是利用數(shù)學(xué)的方法進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬（電路性能參數(shù)的精確計(jì)算），事

38、實(shí)上由于計(jì)算過程的復(fù)雜性和實(shí)際電路元件分布參數(shù)等原因的影響，這種方法也僅僅適合于中小規(guī)模的電路分析設(shè)計(jì)，最后也必須通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。在現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，無論是電路設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)還是芯片的設(shè)計(jì)，由于電子設(shè)備（系統(tǒng)）的復(fù)雜程度不斷增加，電路的規(guī)模越來越大，僅僅依靠傳統(tǒng)的手工設(shè)計(jì)方法已經(jīng)無法滿足設(shè)計(jì)要求，這樣就必須采用電路的cad（或eda）技術(shù)。caa和cad技術(shù)的應(yīng)用從根本上改變了電路的設(shè)計(jì)方式，它利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)產(chǎn)品，設(shè)計(jì)周期短，設(shè)計(jì)質(zhì)量高，在加速電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代方面起了非常重要的作用。其中caa是整個(gè)電路的重要環(huán)節(jié)，即caa是cad的基礎(chǔ)和前提。caa是在給定電路

39、結(jié)構(gòu)和元件參數(shù)的條件下，通過相關(guān)軟件計(jì)算電路的性能指標(biāo)。而cad是在給定電路結(jié)構(gòu)功能和性能指標(biāo)參數(shù)的條件下，通過相關(guān)軟件計(jì)算電路中各個(gè)元件的最佳參數(shù)值。用caa對(duì)電路性能進(jìn)行分析的一般步驟是：1、用等效電路代替實(shí)際電路，建立電路模型，并用數(shù)學(xué)表達(dá)式來精確描述。2、根據(jù)具體電路，編制程序建立方程與求解，要選擇程序結(jié)構(gòu)清晰、計(jì)算簡(jiǎn)便的算法。3、選擇合適的方式輸入和輸出結(jié)果。在現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)不但應(yīng)用廣泛，而且發(fā)展迅猛，設(shè)計(jì)技術(shù)正從cad向電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（eda）發(fā)展。eda是一門將計(jì)算機(jī)軟件、硬件、微電子技術(shù)交叉運(yùn)用的現(xiàn)代電子學(xué)科，是在cad（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）、cam（計(jì)算機(jī)輔

40、助制造）、cat（計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試）和cae（計(jì)算機(jī)輔助工程）技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展來的?，F(xiàn)代eda技術(shù)的基本特征是采用高級(jí)語言描述，具有系統(tǒng)仿真和綜合能力，主要應(yīng)用領(lǐng)域是數(shù)字系統(tǒng)的自動(dòng)化設(shè)計(jì)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)(cad)已滲透到電子線路設(shè)計(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，包括電路圖生成、邏輯模擬、電路分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)、最壞情況分析、印刷板設(shè)計(jì)等。目前國際上比較流行的是multisim。multisim軟件是美國國家儀器（ni）有限公司推出的以windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作，是一個(gè)專門用于電子線路仿真與設(shè)計(jì)的 eda 工具軟件。作為 windows 下運(yùn)行的個(gè)

41、人桌面電子設(shè)計(jì)工具， multisim 是一個(gè)完整的集成化設(shè)計(jì)環(huán)境，它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。工程師們可以使用multisim交互式地搭建電路原理圖，并對(duì)電路進(jìn)行仿真。multisim提煉了spice仿真的復(fù)雜內(nèi)容，這樣工程師無需懂得深入的spice技術(shù)就可以很快地進(jìn)行捕獲、仿真和分析新的設(shè)計(jì)，這也使其更適合電子學(xué)教育。multisim計(jì)算機(jī)仿真與虛擬儀器技術(shù)可以很好地解決理論教學(xué)與實(shí)際動(dòng)手實(shí)驗(yàn)相脫節(jié)的這一問題。人們可以很方便地把剛剛學(xué)到的理論知識(shí)用計(jì)算機(jī)仿真真實(shí)的再現(xiàn)出來，并且可以用虛擬儀器技術(shù)創(chuàng)造出真正屬于自己的儀表。通過multisi

42、m和虛擬儀器技術(shù)，pcb設(shè)計(jì)工程師和電子學(xué)教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設(shè)計(jì)和測(cè)試這樣一個(gè)完整的綜合設(shè)計(jì)流程。multisim極大地提高了人們的學(xué)習(xí)熱情和積極性,真正的做到了變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)這些在教學(xué)活動(dòng)中已經(jīng)得到了很好的體現(xiàn)。還有很重要的一點(diǎn)就是：計(jì)算機(jī)仿真與虛擬儀器技術(shù)對(duì)教員的教學(xué)也是一個(gè)很好的提高和促進(jìn)。 3.1.1 multisim的特點(diǎn)直觀的圖形界面：整個(gè)操作界面就像一個(gè)電子實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)，繪制電路所需的元器件和仿真所需的測(cè)試儀器均可直接拖放到屏幕上，輕點(diǎn)鼠標(biāo)可用導(dǎo)線將它們連接起來，軟件儀器的控制面板和操作方式都與實(shí)物相似，測(cè)量數(shù)據(jù)、波形和特性曲線如同在真實(shí)儀器上

43、看到的一樣。豐富的元器件庫：multisim大大擴(kuò)充了ewb的元器件庫， 包括基本元件、半導(dǎo)體器件、運(yùn)算放大器、ttl和cmos數(shù)字ic、dac、adc及其他各種部件，且用戶可通過元件編輯器自行創(chuàng)建或修改所需元件模型，還可通過公司網(wǎng)站或其代理商獲得元件模型的擴(kuò)充和更新服務(wù)。豐富的測(cè)試儀器： 除ewb具備的數(shù)字萬用表、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、雙通道示波器、掃頻儀、字信號(hào)發(fā)生器、邏輯分析儀和邏輯轉(zhuǎn)換儀外，multisim 新增了瓦特表、失真分析儀、頻譜分析儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀。尤其與ewb不同的是：所有儀器均可多臺(tái)同時(shí)調(diào)用。完備的分析手段：除了ewb提供的直流工作點(diǎn)分析、交流分析、瞬態(tài)分析、傅里葉分析、噪聲分析

44、、失真分析、參數(shù)掃描分析、溫度掃描分析、極點(diǎn)零點(diǎn)分析、傳輸函數(shù)分析、靈敏度分析、最壞情況分析和蒙特卡羅分析外，multisim 新增了直流掃描分析、批處理分析、用戶定義分析、噪聲圖形分析和射頻分析等，基本上能滿足一般電子電路的分析設(shè)計(jì)要求。強(qiáng)大的仿真能力：multisim 既可對(duì)模擬電路或數(shù)字電路分別進(jìn)行仿真，也可進(jìn)行數(shù)?；旌戏抡?，尤其是新增了射頻(rf) 電路的仿真功能。仿真失敗時(shí)會(huì)顯示出錯(cuò)信息、提示可能出錯(cuò)的原因，仿真結(jié)果可隨時(shí)儲(chǔ)存和打印。3.1.2 multisim仿真實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)高指標(biāo)的虛擬儀器和充足的元器件資源：電子仿真實(shí)驗(yàn)軟件內(nèi)的虛擬儀器不僅品種齊全，而且技術(shù)指標(biāo)高，隨時(shí)

45、可以拖放到工作區(qū)使用，并能實(shí)時(shí)顯示有關(guān)數(shù)據(jù)和波形。彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)不足的缺憾：傳統(tǒng)的電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)需要有儀器設(shè)備和元器件的支持，有些實(shí)驗(yàn)儀器耗資大，儀器操作技術(shù)要求較高，在教育經(jīng)費(fèi)不足的情況下，有些學(xué)校所能開出的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和數(shù)量受到限制。特別是近年來一些學(xué)校擴(kuò)大招生規(guī)模，而實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施跟不上，仿真電子實(shí)驗(yàn)彌補(bǔ)了因?qū)嶒?yàn)儀器及經(jīng)費(fèi)不足造成的缺憾。另外，仿真實(shí)驗(yàn)不涉及儀器折舊和更新?lián)Q代，通過軟件升級(jí)就能保持實(shí)驗(yàn)的先進(jìn)性。一些需要價(jià)格昂貴的儀器而無法開展的實(shí)驗(yàn)，通過仿真就能夠容易實(shí)現(xiàn)。擴(kuò)展了學(xué)生的實(shí)踐空間和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：仿真實(shí)驗(yàn)可作為學(xué)生實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)和課后分析總結(jié)，也可作為學(xué)生創(chuàng)造性思維的檢驗(yàn)平臺(tái)。只要有mul

46、tisim軟件和一臺(tái)計(jì)算機(jī)就能進(jìn)行電子技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)，打破了時(shí)間和空間的限制，學(xué)生可以在不同的時(shí)間、地點(diǎn)和領(lǐng)域自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)他們提出問題、分析問題和解決問題的能力，并根據(jù)自己的興趣愛好，選擇一些傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)較少涉及的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，如用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)器、負(fù)阻抗變換器等，這部分內(nèi)容的實(shí)現(xiàn)原理在近代教科書中早有論述，用傳統(tǒng)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較繁瑣，采用multisim電子工作平臺(tái)則容易分析它們的性能。因此，電子仿真實(shí)驗(yàn)滿足了不同層次學(xué)生的需要，從而大大擴(kuò)展了實(shí)踐空間和實(shí)驗(yàn)范圍。有利于學(xué)生開展探索性研究性實(shí)驗(yàn)：傳統(tǒng)的電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，任課老師在課前把儀器設(shè)備及元器件準(zhǔn)備好，學(xué)生照講義的實(shí)驗(yàn)步驟按部就班的進(jìn)行

47、，這就不可避免地把學(xué)生置于被動(dòng)地位，他們很少有機(jī)會(huì)按自己的思維開展設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。近年來，新的教育理念強(qiáng)調(diào)教學(xué)要以學(xué)生為主體，要注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。許多院校大幅度壓縮驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的比例，增加設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，但在實(shí)際運(yùn)作過程中，往往因儀器和元器件不足而存在著很大的局限性。仿真電子實(shí)驗(yàn)使學(xué)生進(jìn)行研究性和探索性實(shí)驗(yàn)成為可能。3.2 液體點(diǎn)滴液位控制電路仿真由紅外發(fā)射接收對(duì)管和施密特觸發(fā)器40106組成，紅外發(fā)射接收對(duì)管起到形成波形的作用，而施密特觸發(fā)器40106則是對(duì)波形進(jìn)行整形。為方便模仿實(shí)際情況，在紅外發(fā)射接收對(duì)管的上方放置一個(gè)開關(guān)。如圖2-1所示。當(dāng)儲(chǔ)液瓶液面低于警戒值，紅外對(duì)管不導(dǎo)通，電路中

48、沒有電流通過，整形電路輸出低電平信號(hào)，當(dāng)儲(chǔ)液瓶液面高于警戒值，紅外對(duì)管導(dǎo)通，電路中有電流通過，整形電路輸出高電平信號(hào)；假設(shè)開關(guān)閉合時(shí)表示儲(chǔ)液瓶液面高于警戒值，開關(guān)打開時(shí)表示儲(chǔ)液瓶液面低于警戒值，用鍵盤上的按鍵a控制此開關(guān)。將施密特觸發(fā)器輸出端接一個(gè)示波器，按下仿真按鈕。一開始讓開關(guān)閉合，表示儲(chǔ)液瓶液面高于警戒值，可以看到示波器輸出為高電平信號(hào)，按一下鍵盤上的a鍵，發(fā)現(xiàn)示波器輸出立即跳變?yōu)榈碗娖叫盘?hào)。具體輸出波形如圖3-1所示。 圖3-1 點(diǎn)滴液位控制電路仿真3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路仿真在電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的輸入端電源之后接一個(gè)開關(guān)，用鍵盤上的按鍵b控制。如圖2-2所示。開關(guān)b和儲(chǔ)液液面檢測(cè)電路的開關(guān)表示

49、的意義一樣：開關(guān)閉合時(shí)表示儲(chǔ)液瓶液面高于警戒值，開關(guān)打開時(shí)表示儲(chǔ)液瓶液面低于警戒值。將電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的三極管q6,q7的基極接示波器，按下仿真按鈕，當(dāng)按鍵z閉合，儲(chǔ)液液面高于警戒值時(shí)，示波器上顯示電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路三極管q7的基極電壓為低電平，q6的基極電壓為高電平，則q2,q4管導(dǎo)通，q1,q3管截止，電機(jī)反轉(zhuǎn)，使滴速夾放松；將電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的三極管q5,q8的基極接示波器，按下仿真按鈕，當(dāng)按鍵b開啟，儲(chǔ)液液面低于警戒值時(shí)，示波器上顯示電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路三極管q5的基極電壓為高電平，q8的基極電壓為低電平時(shí)，則q1,q3管導(dǎo)通，q2,q4管截止，電機(jī)正傳，使滴速夾夾緊，降低液體流動(dòng)速度。具體仿真圖如圖3-2

50、和圖3-3所示。圖3-2 電機(jī)開關(guān)開啟圖3-3 電機(jī)開關(guān)關(guān)閉3.4 報(bào)警顯示模塊仿真將兩片3線8線優(yōu)先編碼器74ls148的輸入端均接一個(gè)儲(chǔ)液液面檢測(cè)電路，用鍵盤上的按鍵ap控制16個(gè)儲(chǔ)液液面電路的開關(guān)。一開始讓所有的開關(guān)都閉合，表示儲(chǔ)液瓶液面高于警戒值，按下仿真按鈕，發(fā)現(xiàn)led數(shù)碼顯示管均無顯示；此時(shí)選擇任意一個(gè)按鍵，使其開啟，表示儲(chǔ)液瓶液面低于警戒值，此時(shí)led數(shù)碼顯示管上顯示對(duì)應(yīng)的床位號(hào)，將次按鍵再次閉合，則led數(shù)碼顯示管熄滅。在仿真過程中，遇到過一些問題。一開始設(shè)計(jì)電路時(shí)，將3線8線優(yōu)先編碼器74ls148和七段鎖存譯碼驅(qū)動(dòng)cd4511bp，led數(shù)碼顯示管接通后，將3線8線優(yōu)先編碼

51、器74ls148的任意一端接低電平，發(fā)現(xiàn)led數(shù)碼顯示管上并無顯示，若去掉3線3線8線優(yōu)先編碼器74ls148，將七段鎖存譯碼驅(qū)動(dòng)cd4511bp的輸入端接入任意高低電平信號(hào)，則led數(shù)碼顯示管上能正確顯示。由此可以確定是3線8線優(yōu)先編碼器74ls148出現(xiàn)了問題。eo是低電平有效，因此，在eo處接入電阻分壓。接入電阻后，再將3線8線優(yōu)先編碼器74ls148的任意一端接低電平，發(fā)現(xiàn)led數(shù)碼顯示管上能顯示正確的數(shù)字。3.5 本章小結(jié)本章詳細(xì)介紹了液體點(diǎn)滴液位控制電路各個(gè)模塊電路的詳細(xì)仿真過程。解決了在仿真過程中遇到的一些問題。最后得到的仿真結(jié)果如下：當(dāng)儲(chǔ)液瓶液面高于警戒值，整形電路輸出高電平信

52、號(hào)，儲(chǔ)液瓶液面低于警戒值，整形電路輸出低電平信號(hào)；當(dāng)儲(chǔ)液瓶液面高于警戒值，電機(jī)反轉(zhuǎn)，使滴速夾放松，儲(chǔ)液瓶液面低于警戒值，電機(jī)正傳，使滴速夾夾緊；當(dāng)儲(chǔ)液瓶液面高于警戒值，led數(shù)碼顯示管均無顯示，當(dāng)儲(chǔ)液瓶液面低于警戒值，led數(shù)碼顯示管上顯示對(duì)應(yīng)的床位號(hào)。 第4章 液體點(diǎn)滴液位控制電路分析4.1 電路分析multisim 10仿真軟件提供了多種基本的分析方法，它們分別是：直流工作點(diǎn)的分析、交流分析、瞬態(tài)分析、傅里葉分析、噪聲分析、失真分析、直流掃描分析、靈敏度分析、參數(shù)掃描分析、溫度掃描分析、極點(diǎn)零點(diǎn)分析、傳遞函數(shù)分析、最壞情況分析、蒙特卡羅分析、批處理分析、用戶自定義分析、rf電路分析等。mu

53、ltisim 10仿真軟件可以快速而準(zhǔn)確地求到電路中任意節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)電壓和電壓的波形，也可以很方便地求到任意支路的支路電流，能夠?qū)﹄娐穮?shù)的變化對(duì)電路的影響給予仿真。4.1.1 各種分析介紹4.1.1.1 直流工作點(diǎn)的分析直流工作點(diǎn)的分析（dc operating point analysis）即靜態(tài)工作點(diǎn)的分析，multisim 10在進(jìn)行靜態(tài)工作點(diǎn)的分析時(shí)，自動(dòng)將電路的條件設(shè)置為交流電源置零，電感短路，電容開路。4.1.1.2 瞬態(tài)分析瞬態(tài)分析（transient analysis）是一種非線性時(shí)域分析，是指對(duì)所選定的電路節(jié)點(diǎn)進(jìn)行的時(shí)域響應(yīng)分析，即觀察該節(jié)點(diǎn)在整個(gè)周期中每一個(gè)時(shí)刻的電壓波形，

54、所以也可以用示波器觀察到同樣的結(jié)果。在進(jìn)行瞬態(tài)分析時(shí)，直流電源具有恒定的數(shù)值電路的初狀態(tài)可由用戶指定，也可以由程序自動(dòng)進(jìn)行直流分析。4.1.1.3 交流分析交流分析（ac analysis）是一種頻域分析，就是把用戶指定的交流輸出變量作為頻率響應(yīng)函數(shù)來計(jì)算，可以得到電路的幅頻特性和相頻特性。進(jìn)行交流分析時(shí)，程序先自動(dòng)對(duì)電路進(jìn)行直流工作點(diǎn)的分析，以便建立三極管的交流小信號(hào)模型，并把直流電源置零，耦合電容短路。交流分析（ac analysis）是以正弦波作為輸入信號(hào)，不管在電路的輸入端加入何種信號(hào)，在進(jìn)行分析時(shí)，程序?qū)⒆詣?dòng)以正弦波作為輸入信號(hào)，同時(shí)輸入信號(hào)的頻率也將在設(shè)定范圍內(nèi)作用。仿真結(jié)果是得到

55、電路的幅頻特性和相頻特性兩個(gè)圖形，如果將掃頻儀接在電路的輸入端和輸出端，也可以得到同樣的頻率特性曲線。4.1.1.4 掃描分析multisim 10提供了三種掃描分析：直流掃描分析、參數(shù)掃描分析和溫度掃描分析，通過掃描分析可以得到相關(guān)參數(shù)變化對(duì)輸出信號(hào)的影響。直流掃描分析(dc sweep analysis )是計(jì)算電路中的某一個(gè)節(jié)點(diǎn)上的直流工作點(diǎn)隨電路中的一個(gè)或兩個(gè)直流電源的數(shù)值變化的情況。利用直流掃描分析可以方便地根據(jù)直流電源的變動(dòng)范圍準(zhǔn)確地確定電路的直流工作點(diǎn)。溫度掃描分析(temperature sweep analysis )是研究溫度變化對(duì)電路性能參數(shù)的影響。multisim 10

56、中溫度掃描分析僅僅限于一些半導(dǎo)體器件和虛擬電阻，不是對(duì)所有的器件都起作用的。參數(shù)掃描分析(parameter sweep analysis )是通過電路中的元件數(shù)值在一定范圍內(nèi)的變化，觀察其對(duì)電路性能（如瞬態(tài)特性、交流特性等）的影響，這種分析相當(dāng)于該元件取不同的值，進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)（仿真），從而可以對(duì)電路的某些性能指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，大大地縮短電路設(shè)計(jì)的周期。4.2 部分電路直流工作點(diǎn)分析4.2.1儲(chǔ)液液面檢測(cè)模塊直流工作點(diǎn)分析在儲(chǔ)液液面檢測(cè)電路中，需要加入保護(hù)電阻，以保證紅外發(fā)射接收對(duì)管正常工作。如圖2-1所示。最后選定的電阻r12=1.5k，r11=220。此時(shí)對(duì)儲(chǔ)液液面檢測(cè)電路做直流工作點(diǎn)分析，得到v1=1.20778v，v2=5.0v，v3=330.62881mv。當(dāng)r11=220，r1272.7時(shí)，將示波器接到施密特觸發(fā)器40106的輸出端，沒有波形顯示。當(dāng)72.7r12195時(shí)，將示波器接到施密特觸發(fā)器40106的輸出端，不論按鍵是否按下，均顯示低電平信號(hào)。當(dāng)r12195時(shí)，將示波器接到施密特觸發(fā)器40106的輸出端，將按鍵開啟或關(guān)閉，可以得到正確的波形。當(dāng)r12=195時(shí)，v3=1.79574v，因此，在r11=220的情況下，r1