机电一体化课程设计.pdf

机电一体化课程设计机电一体化课程设计 班班级级 学学号号 姓姓名名 指导老师：吴来杰指导老师：吴来杰 付先成付先成 一、一、 课程设计的题目及任务要求课程设计的题目及任务要求 设计一个基于单片机的液压系统油温油压检测系统，其中：压力 P=016MPa，油温 T=0120。 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。 二、二、 课程设计的目的及意义课程设计的目的及意义 目的：目的： 机电一体化课程设计，梳理了我们这三年来所学的东西，把我们一些原来学 过的知识进行了融合。这次课程设计，我们从理论联系了实践，同时也温习和巩固了所 学的专业知识， 对于单片机系统能够从整体上认识和把握， 能够从整体的高度上根据实际需 求设计出有效的系统。对于电路设计软件 protel99，熟悉和了解了基本的操作，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。 机电一体化是连接机械和电子、气压、液压等的关键技术，故而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。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 意义意义: 机电一体化课程设计的意义有以下三点： （1）综合应用相关课程的知识，培养工程技术能力 （2）一边设计一边学习，积累专业知识，锻炼动手能力 （3）熟悉相关设计软件，为后续的毕业设计以至于以后的专业生涯打下扎实的基础 三、三、 系统方案论证系统方案论证 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。 液压传感器 温度传感器 滤波、 放 大 电 路 滤波、 放大电路 A/D 转 换 芯 片 MC S51 系 列 单 片 机 4*4 键盘 电路 报警 电路 8位LED 显示 其中：其中： 1、液压压力传感器采用油压传感器选型为应变式压力传感器 2、油温传感器选型为 AD590 油温传感器。 。 3、A/D 转换芯片采用 ADC0809。 4、单片机采用 8031。 5、I/0 扩展采用 8155。 6、键盘、显示接口采用 8279。 四、四、 各单元电路分析与设计各单元电路分析与设计 1、油压检测电路油压检测电路 2、油温检测电路油温检测电路 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 p01 和 p06 两个输口。 3 3、A/DA/D 接口电路接口电路 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 样保持电路由于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。 4、单片机扩展电路、单片机扩展电路 采用扩展芯片是 8155。单片机内部的硬件电路包括定时器、中断、串行接口、内 部数据存储器、外部程序存储器等，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。但有的时候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） ，故需要扩展。 5 5、键盘接口电路、键盘接口电路 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 44 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。 通过键盘的输入来确定油压和油温的最大值，从而确定报警电路的安全值， 该过程通过编程实现。在设定某个最大值时，按下相应的按钮开关，从而使得 PA 口的相关位为低电平，再从单片机的存储器中调用已经预存的相应最大值即 可。 键盘是由若干独立按键组成， 键的按下与释放是通过机械触点的闭合与断开 来实现的，因机械触点的弹性作用，在闭合与断开的瞬间均有一个抖动过程 。 抖动必须消除，去抖动的方法主要有以下两种：硬件消抖，软件消抖。此处采用 软件消抖，即利用单片机延时程序，消除抖动干扰。 6 6、LEDLED 显示接口电路显示接口电路 7、报警电路报警电路 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。 8、电源电路电源电路 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。 五、五、电路原理图及电路原理图及 PCBPCB 图设计图设计 六、课程设计小结六、课程设计小结 经过这七天的上机和四天的写报告时间， 又让我重新温习了机电一体化这门 课程， 温故而知新， 让我又学习了很多， 同时也有一些新的体会。 现在回想起来， 这几天的经验着实宝贵。 在这次机电一体化课程设计中我自身对于电路部分的了解有了一定的认识， 不过好多知识都已经有所遗忘了，所以我就去翻阅了以前的专业书籍，同时也在 图书光借阅了一些图书。以前接触的是理论性极的知识，而这次却遇到个实际的 应用问题，相当于就是用自己学过的知识来实践，这本身就是考验知识学习的牢 固性，也加深我们对知识的运用，这本身是极好的。在实习的过程中，我发现自 己有好多不懂的问题， 后来总结了一下， 原因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， 同时， 遇到问题没有思路。 所以， 这次实习就是让我们好好总结原来的问题， 让我们温习原来的知识的时候结合实 际的一个好机会。 最后本次机电一体化课程设计， 让我们对以往所学的专业知识有了进一步的 认识，尤其是单片机和电子电路方面。 本次课程设计我们采用了 protel99 这款软件，从开始的什么都不会，到后 来的能调用原件画简单的原理图，再后来能自己画想要的零件。画完原理图之后 封装，创建网络表格，画出 pcb 图。这中间有好多不会的，这期间就靠自己看书 操作着摸索，同时问旁边的同学和老师，过程是痛并快乐着的，但最后总算是基 本会用这个软件了，能用它画出自己想要的图。与此同时，此次课程设计还使我 对机电一体化的理论知识有了不同的理解， 把原来的知识都进行了以便总结和梳 理，让我明白设计一个系统需要充分理