机电一体化课程设计-中国地质大学 - 图文

机电一体化课程设计

学 院： 机电学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 姓 名： 指导老师： 吴来杰 付先成

2014年2月27日

一、选题背景 .............................................................................. 3 二、设计要求 .............................................................................. 3 三、选题目的 .............................................................................. 3 四、方案论证 .............................................................................. 4 五、系统工作原理： ................................................................. 5 六、电路分析 .............................................................................. 5 1、单片机选择 ...................................................................... 5 2、单片机复位电路 .............................................................. 7 3、传感器选择 ...................................................................... 7 5、油压、油温检测及放大电路 .......................................... 9 6、A/D转换 ......................................................................... 10 7、外接键盘 ........................................................................ 11 8、并行I/0的扩展 ............................................................ 12 9、报警系统： .................................................................... 13 10、LED显示电路 ............................................................... 13 七、电路原理图转化PCB板 .................................................. 14 八、参考文献：........................................................................ 18 九、课程设计心得体会 ........................................................... 18

一、选题背景

机电一体化是以机械技术和电子技术为主题，多门技术学科相互渗透、相互结合的产物，是正在发展和逐渐完善的一门新兴的学科。机电一体化使机械工业的技术结构、产品结构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了以“机电一体化”为特征的发展阶段。

机电一体化是指机构的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进了电子技术，并将机械装备和电子设备以及软件等有机的结合起来所构成的系统的总称。也就是说机电一体化的连接机械和电子、气压、液压等相关的的关键技术，在微电子技术、计算机技术、及信息处理技术的高速发展，消费者对高性能、高自动化的机械化产品提出了更高的要求，也就是要求我们从事机械设计制造及自动化行业的技术人员掌握机电一体化技术的重要性所在。当前数字信号处理的发展趋势之一是在通用的硬件上借助软件实现复杂的功能，伴随对软件依赖性的增加，软件的开发成本也相应提高，甚至出现赶超硬件投入的趋势。

机电一体化的关键技术有：（1）机械技术（2）计算机及信息处理技术（3）系统技术（4）自动控制技术（5）传感检测技术（6）侍服传动技术。在新的历史背景下，同时因也是个知识爆炸的年代，不管是对祖国经济的发展，还是一个很现实的问题：对自己将来的发展，对于掌握、精通这门技术都尤为的显得重要。

二、设计要求

设计一基于单片机的液压系统油温油压检测系统，其中：压力P=0-15 MPa，油温T=0-80℃。要求设计并绘制电路原理图和印刷电路板（PCB图）。内容包括：

1、绘制电路原理图； 2、绘制印刷电路板图； 3、撰写设计报告书。

三、选题目的

机电一体化课程设计作为机械电子专业的实践教学环节，考察学生综合运用所学专业知识进行分析问题和解决问题的能力。科学合理地安排课程设计的内容。使学生即能在有限的时间内掌机电一体化设备的设计过程，培养学生的工程设计能力和解决实际问题能力，又能训练学生抓住问题的主要矛盾有针对性的加以深入的研究是课程设计成功与否的关键所在。

因此这次课程设计，一方面让我们从理论到实践的一个联系，另一方面也是温习和巩固所学的专业知识特别是单片机方面的知识，对于单片机系统能够从整

体上认识和把握。接触和学习一种相当有效的电路设计软件PROTEL99，熟悉和了解基本的操作，能够根据设计需求独立设计和布局出合理的电路原理图（SCH）和电路板图（PCB）。系统化针对实际问题的解决和设计思路，掌握独立解决问题的方法，为即将面临的社会实践打好基础，都是非常必要的。

四、方案论证

1、单片机控制的液压油温检测系统中，其要检测的指标有油压和油温两个。油压的检测要用压力传感器，而油温的检测要用温度传感器。传感器一般由敏感元件，转换元件和基本转换电路三部分组成。敏感元件直接感受被测量，并以确定的关系输出某一物理量。转换元件将敏感元件输出的非电物理量转换成电路参数量。基本转换电路将电路参数量转换成便于测量的电量。

2、电量通过整流电路的输出电压不是理想的平滑直流，而是单方向的脉动直流，即除了直流分量以外还有许多交流分量。所以要针对电源的负载特性选择合适的滤波电路。滤波电路就是使单向脉动直流变成平滑直流的电路，常用电阻，电容和电感组合而成。

3、由于传感器检测到的信号经整流，滤波放大电路后输出的是模拟信号，（如电压，电流，频率等）。这些信号计算机是识别不了的，所以要进行A/D转换。A/D转换电路的功能是将连续变化的模拟信号转换成数字信号，以适应计算机处理。 4、通过A/D转换电路输出数字信号，该信号进入MCS-51单片机，通过单片机来实现检测和控制功能。本系统中要控制油温和油压，还要在油温和油压超过设定的额定值时，系统发出报警。所以要通过显示器，键盘和报警电路来实现。

89C51系列单片机 4*4键盘电路 6位LED显示 报警电路 PC通信 电源电路 液压传感器 滤波、放大电路 温度传感器 滤波、放大电路 A/D转换芯片 振荡电路 图1 方案原理图

其中：

1、液压压力传感器采用油压传感器选型为AK-1C-2压力传感器 2、油温传感器选型为DS18B20油温传感器。。 3、A/D转换芯片采用ADC0809。 4、单片机采用89C51。 5、I/0扩展采用8155。

6、键盘、显示接口采用74LS138译码器扩展。

五、系统工作原理：

整个系统拟采用压力传感器和温度传感器对所需的信号进行采集，当获取所需的信号之后，经过对信号的滤波和放大电路的放大号，传输至A/D转换器进行A/D转换，将采集到的模拟信号转化为数字信号，最后将数字信号读入89C51单片机内，经过单片机的数据处理后，最后将处理后的结果显示出来。

在系统中，设置按键电路，当按键按下，向单片机输入信号，单片机接收信号后，可改变预设的压力和油温值，使系统能够在不同的状况下工作，增加了系统的灵活性。系统中还设计有显示电路部分，经单片机处理后的数据，可由显示模块将所测量的压力和油温显示出来，增强了系统的实用性。此外，当所测量的油温或压力超出了预设值之后，系统会自动触发报警装置，向外界发出警报。 合理性论证：在系统的设计过程中，经检查，系统的原理是可行的，方案布置的也比较合理，因此，该设计方案是可行的、合理的。

六、电路分析

1、单片机选择

单片机的选择在整个系统中至关重要，需要满足大内存、高速率、通用性、价格便宜等要求。在本次的设计中，选择最常用到的51系列单片机。

AT89C51是一种低功耗、高性能的8位单片机，片内含有4KB的掩膜ROM，用于存放程序和原始数据；内部数据存储器包括RAM（128×8）和RAM地址寄存器，用于存放可读/写的数据。 AT89C51单片机有如下特性：

①片内含有两个16位的定时器/计数器，用于实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对单片机进行控制；

②有4个8位并行I/O口（P0、P1、P2、P3），以实现数据的并行输入/输出； ③内部含有5个中断源，即外中断2个，定时/计数中断2个，串行中断1个；

AT89C51单片机共有40个管脚，介绍如下：

①4个8位的并行输入/输出口线：P0.0-P0.7/P1.0-P1.7/P2.0-P2.7/P3.0-P3.7 ②地址锁存控制信号ALE，用于控制把P0口输出的低8位地址送入锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的分时传送。

③外部程序存储器读选通信号PSEN，Z在读外部ROM时有效，实现外部ROM单元的读操作；

④访问程序存储器控制信号EA，当为低电平时，对ROM的读操作是针对外部程序存储器的；当信号为高电平时，对ROM的读操作是从内部程序存储器开始，并可延续至外部程序存储器。

⑤复位信号RST，用于完成单片机的复位操作；

⑥外界晶体引线端XTAL1和XTAL2，当使用芯片内部时钟时，用于外接石英晶体谐振器和微调电容；当使用外部时钟时，用于接入外部时钟脉冲信号；

图2 单片机电路

2、单片机复位电路

单片机复位方式采用上电加按键手动复位。当按下复位按键后，复位端通过51Ω电阻与+5V电源接通，电容迅速放电，使RST引脚为高电平；当复位按键弹起后，+5V电源通过2KΩ电阻对22uF电容重新充电，RST引脚端出现复位正脉冲。其持续时间取决于RC电路的时间常数。

电路原理图如下图所示：

图3 复位电路

3、传感器选择

压力传感器

在本课题的设计中，选用应变式压力传感器，其型号为AK-1C-2应变式压力传感器，特点如下：

①外壳和膜片一体结构，体积小，平膜片感压； ②性能稳定可靠，量程范围广；

③不锈钢材料，耐腐蚀，安装使用方便；

④连接螺纹：M20×1.5 (可提供用户要求的各种机械连接方式，最小外形尺寸?10)；

⑤适用于各种动态、静态、一般腐蚀气体、液体的压力测量。

图4 压力传感器

为了减小系统的复杂程度，选用数字式温度传感器，传感器型号为DS18B20，其特点为：独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；测量温度范围为-55 ℃至+125 ℃ 。华氏相当于是-67华氏度到257华氏度 -10 ℃至+85 ℃范围内精度为±0.5℃；电压范围为3.0 V至5.5 V 无需备用电源；在使用中不需要任何外围元件，测量结果以9-12位数字量方式串行传送；因为每一个DS18B20的包含一个独特的序号，多个DS18B20可以同时存在于一条总线。这使得温度传感器放置在许多不同的地方。它的用途很多，包括空调环境控制，感测建筑物内温设备或机器，并进行过程监测和控制。

DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM，温度传感器，非挥发的温度报警触发器TH和TL，告诉暂存器。

图5 温度传感器

CPU对DS18B20的访问流程是：先对DS18B20初始化，再进行ROM操作命令，最后才能对存储器操作，数据操作。DS18B20每一步操作都要遵循严

格的工作时序和通信协议。如主机控制DS18B20完成温度转换这一过程，根据DS18B20的通信协议，须经三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预订的操作。

DS18B20的供电方式有两种：寄生电源供电方式和外部电源供电方式；在此次的设计中，采用外部电源供电方式。DS18B20与单片机连接的电路图如下所示： 引脚VCC外接5V的电源，引脚GND接地，中间引脚直接与单片机的P2。2口相接，进行数据传输。

4、变压电源

图6 变压电源

由于电路电压为5V，故需把220V交流变成低压直流，由四个组成部分:降压—整流—滤波—稳压。

5、油压、油温检测及放大电路

放大电路的作用是将压力传感器采集到的信号进行放大，再传输到ADC0809内，电路图如下：压力传感器的应变电阻为桥式连接，从传感器输出端取出的电流要变换为差动电压输出，因此，要采用阻抗高、仅放大差动电压的放大电路，在本次设计中，采用通用运放LM324构成测量放大器。

图7 检测及放大电路

以油压检测及放大电路为例，插座J外接一应变式压力、检测传感器，插座上的1、2脚将控制板中的+6V及-6V电源引出向传感器供电，3、4脚为传感器输出的差动信号。三个运算放大器组成差动放大电路，对传感器输出信号进行放大，其中R36用于调节零点，R37用于调整放大倍数。油温检测系统采用相同系统，两套系统分别接在AD0809的P0.1和P0.6两个输口。

6、A/D转换

图8 AD转换电路

ADC0809是典型的8位8通道逐次逼近式A/D转换器，CMOS工艺，可实现8

路模数信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道地址锁存用译码器电路，其转换时间为100us左右。IN-7-IN-0是模数输入通道，ADC0809对输入信号的电压要求是0-5V，若信号过小还需要进行放大。另外，模拟输入量在A/D转换过程中其值不应该有变化，对变化快的模拟量，在输入前应增加采样保持电路，本课题中的油压及油温的变化不会很快，所以不必采用采样保持电路。A、B、C是地址线，设置P0.1-P0.3口经过地址锁存后接A、B、C地址线。ALE地址锁存允许信号，A、B、C地址状态进入地址锁存器中，由P2.0及WR控制地址锁存。START转换启动信号，上跳沿时，所有内部寄存器清零，下跳沿时，开始进行A/D转换，在转换过程中应保持低电平，由P2.0及WR控制转换信号。D7-D0数据输出线，和单片机的P0口直接连接。EOC输出允许信号，用于控制三态门。

7、外接键盘

图9 4*4键盘电路原理图

为了减少键盘和单片机接口时所占用I/O口线的数目，此系统采用了串行

口控制的键盘接口，扩展了4×4的行列式键盘，用以输入油压、油温的报警设定值。采用8255可编程输入输出接口芯片，它具有3个8位的并行I/O口，具有三种工作方式，可通过程序改变其功能。

RESET:复位输入线，当该输入端外于高电平时，所有内部寄存器（包括控制

寄存器）均被清除，所有I/O口均被置成输入方式。

CS:片选信号线，当这个输入引脚为低电平时，表示芯片被选中，允许8155与CPU进行通讯。

RD:读信号线，当这个输入引脚为低电平时，允许8155通过数据总线向CPU发送数据或状态信息，即CPU从8255读取信息或数据。

WR:写入信号，当这个输入引脚为低电平时，允许CPU将数据或控制字写入。

8、并行I/0的扩展

图10 单片机扩展电路

单片机内部的硬件电路已基本上构成具有基本形式的微机系统，可以满足

许多控制场合的需要。这些电路包括定时器、中断、串行接口、内部数据存储器、外部程序存储器等。但为了在应用中硬件电路还不够用，需要在单片机外增加新的电路（芯片），也就是所谓的扩展。本设计采用的扩展芯片是8155。

9、报警系统：

单片机的PB4、PB5引脚通过限流电阻、容与三极管基极相连，三极管的集电极接有报警器。

图11 报警系统电路原理图

10、LED显示电路

系统扩展八位共阴极LED动态显示电路，实时显示油压及油温检测值。

图12 共阴极LED电路

七、电路原理图转化PCB板

图13 油温油压检测电路

图14 PCB底层布线

图15 PCB顶层布线

图16 PCB布线图

图17 模拟实物图

图18 SCH与PCB网表对比图

八、参考文献：

[1] 柳淳、徐玮.《单片机开发应用技能与技巧》.中国电力出版社。 [2] 李广弟、朱月秀、冷祖祁：《单片机基础》北京航空航天大学出版社。 [3] 赵景波.

[5] 清源计算机工作室《.PROTEL99SE 原理图与PCB及仿真》机械工业出版社。

九、课程设计心得体会

在大学最后一个学期的开始阶段，我们进行了接近两周的机电一体化课程设计，我觉得收获非常大，在这个实践环节中学到了很多课本上学不到的知识，提高了自身的实践能力。

首先，在这次课程设计中让我对于电路部分的了解有了一定的认识，以前虽然学过电工学和单片机，对于电的知识有一定的了解，但毕竟都是停留在课本上的知识，没有经过实践的训练，在课程设计过程中忘记了很多知识，就去翻阅以前的专业书籍来复习，以前学的大多是理论性极强的东西，而这次却遇到了一个实际的应用问题。在课程设计开始之前，我就从图书馆找相关参考资料，当在课程设计中遇到难以解决的问题的时候，我会晚上回宿舍上网查阅问题的解决办法。在课堂上，我遇到不懂的问题，我会主动和同学一起探讨或请教老师，所有的渠道都在想办法解决疑问，为的是把问题尽快的解决。实习过程中，我深刻地认识到，在运用四年所学的专业知识来解决实际问题时，却很难找到突破口，原因就在于我们用在实践上的时间太少了，还不能熟练地将所学的理论知识应用于实际中，还有就是缺乏一个完整的知识体系。以前所学的知识没有在学完之后进行归纳总结，对机械类和电子类的知识分别进行总结，只有这样才能形成自己的知识体系，在面对像机电一体化这样的综合性问题时才能有步骤地进行解决。此外，我学会了电子电路设计软件PROTEL 99SE，从电路原理图的设计，到PCB板的设计等等，初步掌握了该软件的使用及实际的应用，为以后从事相关的工作打下了良好的基础。

最后衷心地感谢老师们和师兄们的耐心指导！

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