機電一體化課程設(shè)計--基于單片機的液壓系統(tǒng)壓力和油溫的檢測系統(tǒng)

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　選題背景………………………………………………3</p><p>　　設(shè)計要求………………………………………………3</p><p>　　選題目的………………………………………………3</p><p>　　方案論證………………………………………………4<

2、/p><p>　　電路分析………………………………………………5</p><p>　　變壓電源……………………………………………5</p><p>　　油壓、油溫感測及放大電路………………………6</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換……………………………………………6</p><p>　　單片機…………………………………………

3、……7</p><p>　　外接鍵盤……………………………………………8</p><p>　　報警系統(tǒng)……………………………………………9</p><p>　　LED顯示電路…………………………………………10</p><p>　　原理圖………………………………………………… 10</p><p>　　電路原理圖轉(zhuǎn)化P

4、CB板………………………………11</p><p>　　九、電路原理圖轉(zhuǎn)化PCB板三維圖………………………12</p><p>　　課程設(shè)計心得體會………………………………………… 13</p><p>　　參考文獻…………………………………………………… 13</p><p><b>　　一、選題背景</b></

5、p><p>　　機電一體化課程設(shè)計作為機械電子專業(yè)的實踐教學(xué)環(huán)節(jié),考察學(xué)生綜合運用所學(xué)專業(yè)知識進行分析問題和解決問題的能力.科學(xué)合理地安排課程設(shè)計的內(nèi)容.使學(xué)生即能在有限的時間內(nèi)掌機電一體化設(shè)備的設(shè)計過程,培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計能力和解決實際問題能力,又能訓(xùn)練學(xué)生抓住問題的主要矛盾有針對性的加以深入的研究是課程設(shè)計成功與否的關(guān)鍵所在.本文針對課程設(shè)計教學(xué)過程中實際遇到的問題,探索機電一體化課程設(shè)計的內(nèi)容設(shè)置,對于提高課程

6、設(shè)計的教學(xué)質(zhì)量具有重要意義.</p><p><b>　　二、設(shè)計要求</b></p><p>　　要求設(shè)計一個基于單片機的液壓系統(tǒng)壓力和油溫的檢測系統(tǒng)。其中主要數(shù)據(jù)要求為壓力≤15MPa，溫度≤80℃。</p><p><b>　　三、選題目的</b></p><p>　　當(dāng)代數(shù)學(xué)信號處理的發(fā)展趨

7、勢之一是在通用的硬件上借助軟件實現(xiàn)復(fù)雜的功能，伴隨對軟件依賴性的增加，軟件的開發(fā)成本也相應(yīng)提高，甚至出現(xiàn)趕超硬件投入的趨勢。</p><p>　　機電一體化是指機構(gòu)的主功能、動力功能、信息處理功能和控制功能上引進了電子技術(shù)，并將機械裝備和電子設(shè)備以及軟件等有機的結(jié)合起來所構(gòu)成的系統(tǒng)的總稱。也就是說機電一體化的連接機械和電子、氣壓、液壓等相關(guān)的的關(guān)鍵技術(shù)，在微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、及信息處理技術(shù)的高速發(fā)展，消費者對

8、高性能、高自動化的機械化產(chǎn)品提出了更高的要求，也就是要求我們從事機械設(shè)計制造及自動化行業(yè)的技術(shù)人員掌握機電一體化技術(shù)的重要性所在。</p><p>　　機電一體化的關(guān)鍵技術(shù)有：（1）機械技術(shù)，（2）計算機及信息處理技術(shù)，（3）系統(tǒng)技術(shù)，（4）自動控制技術(shù)，（5）傳感檢測技術(shù)，（6）侍服傳動技術(shù)。在新的歷史背景下，同時因也是個知識爆炸的年代，不管是對祖國經(jīng)濟的發(fā)展，還是一個很現(xiàn)實的問題：對自己將來的發(fā)展，對于掌握、

9、精通這門技術(shù)都尤為的顯得重要。</p><p>　　而這次課程設(shè)計，一方面讓我們從理論到實踐的一個聯(lián)系，另一方面也是溫習(xí)和鞏固所學(xué)的專業(yè)知識特別是單片機方面的知識，對于單片機系統(tǒng)能夠從整體上認(rèn)識和把握，能夠從整體的高度上根據(jù)實際需求設(shè)計出有效的系統(tǒng)。接觸和學(xué)習(xí)一種相當(dāng)有效的電路設(shè)計軟件PROTEL99，熟悉和了解基本的操作，能夠根據(jù)設(shè)計需求獨立設(shè)計和布局出合理的電路原理圖（SCH）和電路板圖（PCB）。系統(tǒng)化針對

10、實際問題的解決和設(shè)計思路，掌握獨立解決問題的方法，為即將面臨的社會實踐打好基礎(chǔ)，都是非常必要的。</p><p><b>　　四、方案論證</b></p><p><b>　　檢測系統(tǒng)方案框圖</b></p><p>　　本系統(tǒng)設(shè)計是基于8031的液壓系統(tǒng)中油壓和油溫的檢測。若系統(tǒng)采用純硬件的閉環(huán)控制系統(tǒng)?？刂凭缺容^低、

11、靈活性小、線路復(fù)雜、調(diào)試、安裝都不方便。采用單片機與高精度傳感器結(jié)合的方式，即用單片機完成人機界面，系統(tǒng)控制，信號分析處理。由前端溫度傳感器和壓力傳感器完成信號的采集并進行AD轉(zhuǎn)換，將溫度傳感器及壓力傳感器所獲得的信號，傳輸?shù)絾纹瑱C。單片機將所獲得的信號進行處理，通過與程序中的溫度、壓力的安全值進行比較，若在安全值范圍之內(nèi)則無需進行報警，只需對所測得的值進行實時顯示。若檢測出來的值超過安全值則單片機控制報警電路進行報警。同時按鍵輸入電路

12、可以用于設(shè)定單片機中液壓和油溫的最大值。這種控制電路能避免純硬件控制電路的所有缺點。</p><p>　　對于油壓檢測部分采用外接應(yīng)變式壓力傳感器。采到的差動信號經(jīng)后經(jīng)過運算放大電路輸入到ADC0809，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機進行數(shù)據(jù)存儲和運算，再經(jīng)過LED顯示出來。對于油溫檢測部分采用K型熱電偶，經(jīng)過濾波放大后輸入到ADC0809進行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)送入單片機進行運算和存儲，然后經(jīng)過LED顯示出來

13、。系統(tǒng)擁有鍵盤輸入部分，用來設(shè)定系統(tǒng)允許的油壓和油溫的最大值。在本系統(tǒng)中設(shè)計了報警電路。當(dāng)檢測到的油壓和油溫超過系統(tǒng)設(shè)定值時，單片機輸出報警信號，此信號經(jīng)過三極管放大后驅(qū)動揚聲器進行報警。</p><p><b>　　電路分析</b></p><p><b>　　1、變壓電源：</b></p><p>　　由于電路電壓為6

14、v，故需把220V交流變成低壓直流，由四個組成部分:降壓—整流—濾波—穩(wěn)壓。</p><p>　　2、油壓、油溫感測及放大電路：</p><p>　　以油壓檢測及放大電路為例，插座J外接一應(yīng)變式壓力、檢測傳感器，插座上的1、2腳將控制板中的+6V及-6V電源引出向傳感器供電，3、4腳為傳感器輸出的差動信號。三個運算放大器組成差動放大電路，對傳感器輸出信號進行放大，其中R36用于調(diào)節(jié)零點，R

15、37用于調(diào)整放大倍數(shù)。油溫檢測系統(tǒng)采用相同系統(tǒng)，兩套系統(tǒng)分別接在AD0809的p01和p06兩個輸口。</p><p><b>　　3、A/D轉(zhuǎn)換：</b></p><p>　　ADC0809是典型的8位8通道逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，CMOS工藝，可實現(xiàn)8路模數(shù)信號的分時采集，片內(nèi)有8路模擬選通開關(guān)，以及相應(yīng)的通道地址鎖存用譯碼器電路，其轉(zhuǎn)換時間為100us左右。IN

16、-7~IN-0是模數(shù)輸入通道，ADC0809對輸入信號的電壓要求是0~5V，若信號過小還需要進行放大。另外，模擬輸入量在A/D轉(zhuǎn)換過程中其值不應(yīng)該有變化，對變化快的模擬量，在輸入前應(yīng)增加采樣保持電路，本課題中的油壓及油溫的變化不會很快，所以不必采用采樣保持電路。A、B、C是地址線，設(shè)置P0.1~P0.3口經(jīng)過地址鎖存后接A、B、C地址線。ALE地址鎖存允許信號，A、B、C地址狀態(tài)進入地址鎖存器中，由P2.0及WR控制地址鎖存。START

17、轉(zhuǎn)換啟動信號，上跳沿時，所有內(nèi)部寄存器清零，下跳沿時，開始進行A/D轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)保持低電平，由P2.0及WR控制轉(zhuǎn)換信號。D7~D0數(shù)據(jù)輸出線，和單片機的P0口直接連接。EOC輸出允許信號，用于控制三態(tài)門。</p><p><b>　　4、單片機：</b></p><p>　　在本次的設(shè)計中，選擇最常用到8031單片機。8031是一種低功耗、高性能的8位單片機

18、，片內(nèi)含有4KB的掩膜ROM，用于存放程序和原始數(shù)據(jù)；內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器包括RAM（128×8）和RAM地址寄存器，用于存放可讀/寫的數(shù)據(jù)。</p><p>　　8031單片機有如下特性：</p><p>　　①片內(nèi)含有兩個16位的定時器/計數(shù)器，用于實現(xiàn)定時或計數(shù)功能，并以其定時或計數(shù)結(jié)果對單片機進行控制；</p><p>　　②有4個8位并行I/O口（P0

19、、P1、P2、P3），以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸入/輸出；</p><p>　?、蹆?nèi)部含有5個中斷源，外中斷2個，定時/計數(shù)中斷2個，串行中斷1個；</p><p>　?、軆?nèi)部有時鐘電路，為單片機產(chǎn)生時鐘脈沖序列；</p><p>　　8031單片片機共有40個管腳，介紹如下：</p><p>　　①4個8位的并行輸入/輸出口線：P0.0~P0.7/

20、P1.0~P1.7/P2.0~P2.7/P3.0~P3.7。</p><p>　?、诘刂锋i存控制信號ALE，用于控制把P0口輸出的低8位地址送入鎖存器鎖存起來，以實現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的分時傳送。</p><p>　　③外部程序存儲器讀選通信號PSEN,Z在讀外部ROM時有效，實現(xiàn)外部ROM單元的讀操作。</p><p>　　④訪問程序存儲器控制信號EA，當(dāng)為低電平時，

21、對ROM的讀操作是針對外部程序存儲器的；當(dāng)信號為高電平時，對ROM的讀操作是從內(nèi)部程序存儲器開始，并可延續(xù)至外部程序存儲器。</p><p>　?、輳?fù)位信號RST，當(dāng)輸入的復(fù)位信號延續(xù)2個機器周期以上高電平時即為有效，用于完成單片機的復(fù)位操作。</p><p>　?、尥饨缇w引線端XTAL1和XTAL2，當(dāng)使用芯片內(nèi)部時鐘時，用于外接石英晶體諧振器和微調(diào)電容；當(dāng)使用外部時鐘時，用于接入外部

22、時鐘脈沖信號。</p><p>　　⑦地線GND和電源接口VCC。</p><p>　　單片機最小系統(tǒng)由晶振電路和復(fù)位電路組成，晶振電路能為單片機工作提供電源。復(fù)位電路為單片機工作時提供復(fù)位。</p><p><b>　　5、外接鍵盤：</b></p><p>　　為了減少鍵盤和單片機接口時所占用I/O口線的數(shù)目，此系統(tǒng)

23、采用了串行口控制的鍵盤接口，擴展了4×4的行列式鍵盤，用以輸入油壓、油溫的報警設(shè)定值。采用8255可編程輸入輸出接口芯片，它具有3個8位的并行I/O口，具有三種工作方式，可通過程序改變其功能。</p><p>　　RESET:復(fù)位輸入線，當(dāng)該輸入端外于高電平時，所有內(nèi)部寄存器（包括控制寄存器）均被清除，所有I/O口均被置成輸入方式。 CS:片選信號線，當(dāng)這個輸入引腳為低電平時，表示芯片被選中，允許

24、8155與CPU進行通訊。 RD:讀信號線，當(dāng)這個輸入引腳為低電平時，允許8155通過數(shù)據(jù)總線向CPU發(fā)送數(shù)據(jù)或狀態(tài)信息，即CPU從8255讀取信息或數(shù)據(jù)。 wR:寫入信號，當(dāng)這個輸入引腳為低電平時，允許CPU將數(shù)據(jù)或控制字寫入。</p><p><b>　　6、報警系統(tǒng)：</b></p><p>　　單片機的PB4、PB5、PB6引腳通過限流電阻、容與三

25、極管基極相連，三極管的集電極接有報警器。</p><p><b>　　六、LED顯示電路</b></p><p>　　系統(tǒng)擴展八位共陽極LED靜態(tài)顯示電路，分時顯示油壓及油溫檢測值。</p><p><b>　　七、原理圖</b></p><p>　　八、電路原理圖轉(zhuǎn)化PCB板</p>

26、<p>　　采用印制板的主要優(yōu)點是：1．由于圖形具有重復(fù)性（再現(xiàn)性）和一致性，減少了布線和裝配的差錯，節(jié)省了設(shè)備的維修、調(diào)試和檢查時間； 2．設(shè)計上可以標(biāo)準(zhǔn)化，利于互換； 3．布線密度高，體積小，重量輕，利于電子設(shè)備的小型化；4．利于機械化、自動化生產(chǎn)，提高了勞動生產(chǎn)率并降低了電子設(shè)備的造價。 </p><p>　　PCB板元器件的布局采用手動布局，布線采用手動布線。PCB板設(shè)計規(guī)則：設(shè)置不同網(wǎng)絡(luò)之間

27、的間距為12mil，將電源網(wǎng)絡(luò)之間的間距設(shè)置為15mil,短路設(shè)置為默認(rèn)設(shè)置；設(shè)置電源網(wǎng)絡(luò)和接地網(wǎng)絡(luò)的推薦線寬為20mil,普通網(wǎng)絡(luò)的推薦線寬為12mil；將網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錂C構(gòu)選為默認(rèn)的最短型；將電源的優(yōu)先級設(shè)置為1，其他的設(shè)置為2；設(shè)置過孔的外徑為30mil,內(nèi)徑設(shè)置為12mil。</p><p>　　九、電路原理圖轉(zhuǎn)化PCB板三維圖</p><p><b>　　課程設(shè)計心得體會&l

28、t;/b></p><p>　　時間如白駒過隙，兩個星期轉(zhuǎn)眼間就過去了，經(jīng)過兩個星期的機電一體化課程設(shè)計，我覺得我收獲相當(dāng)大，在這個實踐環(huán)節(jié)中學(xué)到了很多知識，同時也提高了自身的實踐能力。課程設(shè)計誠然是一門專業(yè)課，給我很多專業(yè)知識以及專業(yè)技能上的提升，同時，設(shè)計讓我感觸很深。使我對抽象的理論有了具體的認(rèn)識。通過這次課程設(shè)計，不僅培養(yǎng)了我獨立思考、動手操作的能力，在各種其它能力上也都有了提高。更重要的是，在實驗

29、課上，我們學(xué)會了很多學(xué)習(xí)的方法。而這是日后最實用的，真的是受益匪淺。要面對社會的挑戰(zhàn)，只有不斷的學(xué)習(xí)、實踐，再學(xué)習(xí)、再實踐。這對于我們的將來也有很大的幫助。</p><p>　　回顧起此課程設(shè)計，至今我仍感慨頗多，從理論到實踐，在這段日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學(xué)到很多很多的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識。通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重

30、要的，只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設(shè)計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，但可喜的是最終都得到了解決。在這次機電一體化課程設(shè)計中我發(fā)現(xiàn)了很多問題，對于出現(xiàn)的問題，我們就的去翻閱以前的專業(yè)書籍來復(fù)習(xí)，以前學(xué)的大多是理論性極強的東西，而這次卻遇到了一個實際的應(yīng)用問題。在課程設(shè)計開始之前，我就從圖書館找相關(guān)參考資料，當(dāng)在課

31、程設(shè)計中遇到難以解決的問題的時候，我會晚上回宿舍上網(wǎng)查閱問題的解決辦法。在課堂上，我遇到不懂的問題，我會主動和同學(xué)一起探討或請教老師，所有的渠道都在想辦法解決疑問，為的是把問題盡快的解決。實習(xí)過程中，我深刻地認(rèn)識到，在運用四年所學(xué)的專業(yè)知識來解決實際問題時，卻很難找到突破口。原因就在于我們用在實踐上的時間太少了，還不能熟</p><p>　　兩個星期的時間，很感謝吳老師和付老師的孜孜不倦的教導(dǎo)，不僅僅是專業(yè)知識，

32、還是學(xué)習(xí)等到了一些書本上學(xué)不到的到東西，所以我真摯的感謝兩位老師的教導(dǎo)！</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 秦曾煌. 電工學(xué). 北京：高等教育出版社</p><p>　　[2] 李廣弟 朱月秀 冷祖祁. 單片機基礎(chǔ)（第3版）. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社</p><p>　　[