機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)---單片機(jī)控制的液壓、油溫檢測(cè)系統(tǒng)

1、<p>　　設(shè)計(jì)題目：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制的液壓、油溫檢測(cè)系統(tǒng)</p><p><b>　　一、選題背景</b></p><p>　　機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)作為機(jī)械電子專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié),考察學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)專業(yè)知識(shí)進(jìn)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(jì)的內(nèi)容.使學(xué)生即能在有限的時(shí)間內(nèi)掌機(jī)電一體化設(shè)備的設(shè)計(jì)過程,培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力和解決實(shí)際問題能力,又能

2、訓(xùn)練學(xué)生抓住問題的主要矛盾有針對(duì)性的加以深入的研究是課程設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵所在.本文針對(duì)課程設(shè)計(jì)教學(xué)過程中實(shí)際遇到的問題,探索機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容設(shè)置,對(duì)于提高課程設(shè)計(jì)的教學(xué)質(zhì)量具有重要意義.</p><p><b>　　二、設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　設(shè)計(jì)一電路板控制系統(tǒng)，檢測(cè)液壓油油、壓油溫檢測(cè)系統(tǒng)，其中壓力P〈=15 MPa，油溫T〈=80℃，繪制

3、電路原理圖和電路板圖。</p><p><b>　　二、設(shè)計(jì)思路：</b></p><p><b>　　1）方案論證：</b></p><p>　　實(shí)現(xiàn)溫度控制的方法主要有以下幾種：</p><p>　　方案一：采用純硬件的閉環(huán)控制系統(tǒng)。該控制的優(yōu)點(diǎn)在于速度較快，但可靠性較差，控制精度比較低、靈活性

4、小、線路復(fù)雜、調(diào)試、安裝都不方便，且要實(shí)現(xiàn)題目所有的要求難度較大。</p><p>　　方案二：采用單片機(jī)與高精度傳感器結(jié)合的方式，即用單片機(jī)完成人機(jī)界面，系統(tǒng)控制，信號(hào)分析處理，由前端溫度傳感器和壓力傳感器完成信號(hào)的采集與轉(zhuǎn)換。這種方案克服了方案一的缺點(diǎn)，所以本次設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)和溫度、壓力傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和壓力的控制。</p><p><b>　　系統(tǒng)整體框圖如下：</

5、b></p><p><b>　　其中：</b></p><p>　　液壓壓力傳感器采用油壓傳感器選型為應(yīng)變式壓力傳感器</p><p>　　油溫傳感器選型為AD590油溫傳感器。。</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換芯片采用ADC0809。</p><p>　　單片機(jī)采用8031。</p

6、><p>　　I/0擴(kuò)展采用8155。</p><p>　　鍵盤、顯示接口采用8279。</p><p><b>　　2）系統(tǒng)工作原理：</b></p><p>　　整個(gè)系統(tǒng)擬采用壓力傳感器和溫度傳感器對(duì)所需的信號(hào)進(jìn)行采集，當(dāng)獲取所需的信號(hào)之后，經(jīng)過對(duì)信號(hào)的濾波和放大電路的放大號(hào)，傳輸至A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將采集到的

7、模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，最后將數(shù)字信號(hào)讀入8051單片機(jī)內(nèi)，經(jīng)過單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理后，最后將處理后的結(jié)果顯示出來。</p><p>　　在系統(tǒng)中，設(shè)置按鍵電路，當(dāng)按鍵按下，向單片機(jī)輸入信號(hào)，單片機(jī)接收信號(hào)后，可改變預(yù)設(shè)的壓力和油溫值，使系統(tǒng)能夠在不同的狀況下工作，增加了系統(tǒng)的靈活性。系統(tǒng)中還設(shè)計(jì)有顯示電路部分，經(jīng)單片機(jī)處理后的數(shù)據(jù)，可由顯示模塊將所測(cè)量的壓力和油溫顯示出來，增強(qiáng)了系統(tǒng)的實(shí)用性。此外，當(dāng)所測(cè)量的油溫或

8、壓力超出了預(yù)設(shè)值之后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警裝置，向外界發(fā)出警報(bào)。</p><p>　　合理性論證：在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)檢查，系統(tǒng)的原理是可行的，方案布置的也比較合理，因此，該設(shè)計(jì)方案是可行的、合理的。</p><p><b>　　3）電路分析：</b></p><p><b>　　1.單片機(jī)選擇：</b></p>

9、;<p>　　單片機(jī)的選擇在整個(gè)系統(tǒng)中至關(guān)重要，需要滿足大內(nèi)存、高速率、通用性、價(jià)格便宜等要求。在本次的設(shè)計(jì)中，選擇最常用到的51系列單片機(jī)。</p><p>　　AT80C51是一種低功耗、高性能的8位單片機(jī)，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(chǔ)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>　　

10、AT80C51單片機(jī)有如下特性：</p><p>　?、倨瑑?nèi)含有兩個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，用于實(shí)現(xiàn)定時(shí)或計(jì)數(shù)功能，并以其定時(shí)或計(jì)數(shù)結(jié)果對(duì)單片機(jī)進(jìn)行控制；</p><p>　　②有4個(gè)8位并行I/O口（P0、P1、P2、P3），以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸入/輸出；</p><p>　?、蹆?nèi)部含有5個(gè)中斷源，即外中斷2個(gè)，定時(shí)/計(jì)數(shù)中斷2個(gè)，串行中斷1個(gè)；</p>

11、<p>　　AT80C51單片機(jī)共有40個(gè)管腳，介紹如下：</p><p>　?、?個(gè)8位的并行輸入/輸出口線：P0.0~P0.7/P1.0~P1.7/P2.0~P2.7/P3.0~P3.7</p><p>　?、诘刂锋i存控制信號(hào)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(shí)現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的分時(shí)傳送。</p><p>　　③外部程序

12、存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)PSEN,Z在讀外部ROM時(shí)有效，實(shí)現(xiàn)外部ROM單元的讀操作；</p><p>　?、茉L問程序存儲(chǔ)器控制信號(hào)EA，當(dāng)為低電平時(shí)，對(duì)ROM的讀操作是針對(duì)外部程序存儲(chǔ)器的；當(dāng)信號(hào)為高電平時(shí)，對(duì)ROM的讀操作是從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器開始，并可延續(xù)至外部程序存儲(chǔ)器。</p><p>　?、輳?fù)位信號(hào)RST，用于完成單片機(jī)的復(fù)位操作；</p><p>　?、尥饨缇w引

13、線端XTAL1和XTAL2，當(dāng)使用芯片內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，用于外接石英晶體諧振器和微調(diào)電容；當(dāng)使用外部時(shí)鐘時(shí)，用于接入外部時(shí)鐘脈沖信號(hào)；</p><p>　　單片機(jī)引腳圖如下所示：</p><p><b>　　2.傳感器選擇：</b></p><p><b>　　壓力傳感器：</b></p><p>　　在

14、本課題的設(shè)計(jì)中，選用應(yīng)變式壓力傳感器，其型號(hào)為AK-1C-2應(yīng)變式壓力傳感器，特點(diǎn)如下：</p><p>　　①外殼和膜片一體結(jié)構(gòu)，體積小，平膜片感壓；</p><p>　?、谛阅芊€(wěn)定可靠，量程范圍廣；</p><p>　?、鄄讳P鋼材料，耐腐蝕，安裝使用方便；</p><p>　?、苓B接螺紋：M20×1.5 (可提供用戶要求的各種機(jī)

15、械連接方式，最小外形尺寸：ø10)；</p><p>　?、葸m用于各種動(dòng)態(tài)、靜態(tài)、一般腐蝕氣體、液體的壓力測(cè)量。</p><p>　　為了減小系統(tǒng)的復(fù)雜程度，選用數(shù)字式溫度傳感器，傳感器型號(hào)為DS18B20，其特點(diǎn)為：獨(dú)特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊；測(cè)量溫度范圍為-55 °C至+125 ℃ 。

16、華氏相當(dāng)于是-67 ° F到257華氏度 -10 ° C至+85 ° C范圍內(nèi)精度為±0.5 ° C；電壓范圍為3.0 V至5.5 V 無需備用電源；在使用中不需要任何外圍元件，測(cè)量結(jié)果以9~12位數(shù)字量方式串行傳送；因?yàn)槊恳粋€(gè)DS18B20的包含一個(gè)獨(dú)特的序號(hào)，多個(gè)ds18b20s可以同時(shí)存在于一條總線。這使得溫度傳感器放置在許多不同的地方。它的用途很多，包括空調(diào)環(huán)境控制，感測(cè)建筑物內(nèi)

17、溫設(shè)備或機(jī)器，并進(jìn)行過程監(jiān)測(cè)和控制。</p><p>　　DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM，溫度傳感器，非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL，告訴暫存器。DS18B20的管腳排列如下圖所示</p><p>　　CPU對(duì)DS18B20的訪問流程是：先對(duì)DS18B20初始化，再進(jìn)行ROM操作命令，最后才能對(duì)存儲(chǔ)器操作，數(shù)據(jù)操作。DS18B20每一步操作都要遵循嚴(yán)格的工作時(shí)序

18、和通信協(xié)議。如主機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換這一過程，根據(jù)DS18B20的通信協(xié)議，須經(jīng)三個(gè)步驟：每一次讀寫之前都要對(duì)DS18B20進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對(duì)DS18B20進(jìn)行預(yù)訂的操作。</p><p>　　DS18B20的供電方式有兩種：寄生電源供電方式和外部電源供電方式；在此次的設(shè)計(jì)中，采用外部電源供電方式。DS18B20與單片機(jī)連接的電路圖如下所示：<

19、/p><p>　　引腳VCC外接5V的電源，引腳GND接地，中間引腳直接與單片機(jī)的P2.2口相接，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。</p><p><b>　　3.放大電路：</b></p><p>　　放大電路的作用是將壓力傳感器采集到的信號(hào)進(jìn)行放大，再傳輸?shù)紸DC0809內(nèi)，電路圖如下：壓力傳感器的應(yīng)變電阻為橋式連接，從傳感器輸出端取出的電流要變換為差動(dòng)電壓輸出

20、，因此，要采用阻抗高、僅放大差動(dòng)電壓的放大電路，在本次設(shè)計(jì)中，采用通用運(yùn)放LM324構(gòu)成測(cè)量放大器。根據(jù)機(jī)電一體化的知識(shí)，可算出放大電路的放大倍數(shù)為：。</p><p>　　4.A/D轉(zhuǎn)換電路：</p><p>　　本次設(shè)計(jì)中采用的A/D轉(zhuǎn)換器型號(hào)為ADC0809，ADC0809是M美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個(gè)8通道多路開關(guān)，它可以根

21、據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，只選通8路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的8位通用A/D芯片.Q其主要特性如下：</p><p>　?、?路輸入通道，8位A/D轉(zhuǎn)換器，即分辨率為8位；</p><p>　?、诰哂修D(zhuǎn)換起?？刂贫?；</p><p>　?、坜D(zhuǎn)換時(shí)間為100μs(時(shí)鐘為640kHz時(shí))，130μs（時(shí)鐘為500kHz時(shí)）； </p&

22、gt;<p>　　④單個(gè)＋5V電源供電；</p><p>　?、菽M輸入電壓范圍0～＋5V，不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)；</p><p>　　⑥工作溫度范圍為-40～＋85攝氏度；</p><p>　　⑦低功耗，約15mW。</p><p>　　ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝。下面說明各引腳功能：</p>

23、;<p>　?、買N0～I(xiàn)N7：8路模擬量輸入端。 </p><p>　?、?-1～2-8：8位數(shù)字量輸出端。 </p><p>　?、跘DDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路 </p><p>　　④ALE：地址鎖存允許信號(hào)，輸入，高電平有效。 </p><p>　　⑤START：A/D轉(zhuǎn)換啟

24、動(dòng)脈沖輸入端，輸入一個(gè)正脈沖（至少100ns寬）使其啟動(dòng)（脈沖上升沿使0809復(fù)位，下降沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換）。 </p><p>　?、轊OC：A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，輸出，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸出一個(gè)高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。 </p><p>　?、逴E：數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)，輸入，高電平有效。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸入一個(gè)高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。 </p>

25、;<p>　?、郈LK：時(shí)鐘脈沖輸入端。要求時(shí)鐘頻率不高于640KHZ。 </p><p>　?、酭EF（+）、REF（-）：基準(zhǔn)電壓。 </p><p>　?、釼cc：電源，單一＋5V。GND：地。</p><p>　　ADC0809的引腳圖如下;</p><p><b>　　。</b></p>

26、;<p><b>　　5.報(bào)警電路：</b></p><p>　　三、電路原理圖，附圖如下：</p><p>　　四、印刷電路板，附圖如下：</p><p><b>　　網(wǎng)表比較結(jié)果如下：</b></p><p><b>　　3D實(shí)物圖如下：</b></p&

27、gt;<p><b>　　五、參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　[1] 柳淳 徐瑋. 單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用技能與技巧. 中國電力出版社</p><p>　　[2] 李廣弟 朱月秀 冷祖祁. 單片機(jī)基礎(chǔ)（第3版）. 北京航空航天大學(xué)出版社</p><p>　　[3] 趙景波. PROTEL99SE 電路設(shè)計(jì)與制板. 機(jī)械工業(yè)出版社&

28、lt;/p><p>　　[4] 王煜東. 傳感器應(yīng)用電路400例. 中國電力出版社</p><p>　　[5] 清源計(jì)算機(jī)工作室. PROTEL99SE 原理圖與PCB及仿真. 機(jī)械工業(yè)出版社</p><p><b>　　六、結(jié)束語</b></p><p>　　經(jīng)過兩個(gè)星期的上機(jī)實(shí)習(xí)，我收獲了很多。在這期間，我熟悉了PROT